中小型機場生活供水節(jié)能設計分析

林俊峰

（上海民航新時代機場設計研究院有限公司廣州分公司)

1 引言

21世紀以來，我國機場建設啟動了快速發(fā)展階段。2018年民航局黨組提出“平安、綠色、智慧、人文”四型機場建設，綠色機場內(nèi)涵包含資源節(jié)約、環(huán)境友好、運行高效和以人為本四個方面，其中節(jié)能減排是資源節(jié)約方面的重要組成部分。資料顯示，截至2016年，我國有中小型機場140個，占全部217個民用運輸機場的64.5%。140個中小型機場的旅客吞吐量年均增速高于全國平均增速，增速21.3%，大大高于大型機場10.7% 的增速[1]?？梢灶A見，未來中小型機場在民航業(yè)占比將越來越大。

2 中小型機場生活供水現(xiàn)狀

中小型機場生活供水有以下特點：

1）中小型機場建設地點一般在中小城市的郊區(qū)，離市區(qū)較遠，海拔較高，通常離最近的市政生活供水管網(wǎng)距離達十幾千米，很難做到市政直接供水。

2）航管樓塔臺用水點高度超過24m，其他都是多層或者單層建筑，用水點高度（包括航站樓）在12m以下，場內(nèi)生活供水壓力普遍不高。

3）機場建筑用水分散，大型用水用戶集中在航站樓、值班用房和綜合辦公樓，其他機場功能性用房用水量比較小。

4）中小型機場工作區(qū)占地不大，建筑單體數(shù)量不多，一般設置一座生活供水站統(tǒng)一供給工作區(qū)生活用水和消防用水。

目前此類機場生活供水設計的通常做法是自建生活供水站和生活水池，市政水源通過中途加壓進入水池后，再通過生活供水站加壓泵組統(tǒng)一供往各用水點，消防供水和生活供水分開，不同消防系統(tǒng)生活供水也各自獨立運行。單/多層建筑和高層建筑未形成分區(qū)供水。

結合中小型機場生活供水的特點，本文從二級分區(qū)供水和變頻泵選型組合高效區(qū)間兩個方面對節(jié)能設計進行分析研究。

3 中小型機場生活供水節(jié)能分析

3.1 針對航管樓塔臺高樓層用水的二級分區(qū)供水節(jié)能效果分析

某支線機場用水量情況詳見表1

由表1可見，機場生活用水最高日用水量330m3/d，最大時用水量為40m3/h，最大用水用戶為航站樓、值班用房以及綜合辦公樓，用水量超過機場總用水量的二分之一，用水壓力不超過0.15MPa。航管樓用水量不大，壓力約為0.36MPa。

可采用以下兩種生活供水方式：

1）采用一級供水，供水站出水滿足總用水量和航管樓塔臺用水壓力，其他建筑用水采取減壓措施。一級供水參數(shù)取值為：流量Q=40m3/h，揚程H=42m。

2）采取二級分區(qū)供水，供水站出水滿足總用水量和單/多層建筑生活用水壓力，航管樓塔臺采取二次無負壓生活供水方式。供水站供水參數(shù)取值為：流量Q=40m3/h，揚程H=21m，塔臺二次供水參數(shù)取值為：流量Q=1m3/h，揚程H=21m。

運行水泵的電耗值W按下式計算

式中t為水泵運行的小時數(shù)；η1及η2分別為水泵及電機的效率值。為了簡化計算，假設不同流量和揚程的泵運行效率一致。為了方便計數(shù)，將系數(shù)記為k，則公式（1）簡化為

代入公式（2），一級供水耗電量理 論 值 W1為 ：W1=40?42?kt=1680kt，二級分區(qū)供水耗電理論值W2為W2=40?21?kt+1?21?kt =861kt，則節(jié)省耗電率η為：

η=（W1-W2）/W1=（1680kt-861kt）/1680kt=48.75%

由計算結果可見，采用二級分區(qū)供水可較大地降低系統(tǒng)的耗電量，并且航管樓用水量越少，用水點水壓越高，這種優(yōu)化效果越明顯。即在中小型機場采用方案二的二級分區(qū)供水方式節(jié)能效果明顯。

表1 各建筑用水情況統(tǒng)計表

3.2 生活用水水泵泵組選型組合高效區(qū)間對比分析

根據(jù)水泵相似定律，同一臺葉片泵流量Q與轉速n的一次方成正比，揚程H與轉速n的平方成正比，軸功率N與轉速n的三次方成正比。由此可見，降低轉速時，功率的降低量遠大于流量的降低量。變頻調(diào)速水泵正是基于這種原理，通過變頻調(diào)速器改變電源輸出頻率，是一種高效調(diào)速方式，已經(jīng)在生活供水中得到了廣泛的運用。

在日常設計中，一般按照機場最大時用水量來選取水泵額定流量，但往往實際用水過程中不可能保證供水時段內(nèi)水泵一直在最高效率點附近運行，導致水泵實際運行效率變低。

變頻調(diào)速水泵（以下簡稱變頻泵）的調(diào)速范圍在0.7～1，根據(jù)水泵相似定律，變頻泵的流量調(diào)節(jié)范圍也應在0.7～1[2]。為了簡化分析，假設:①兩臺工作泵的吸水口至出水管匯合點管段的水頭損失相同；②不同組合的管路特性曲線相同；③不考慮備用泵對組合形式的干擾；④采用出口恒壓控制[3]。在此條件下，以總生活供水量Q為基礎，我們分別對單臺變頻泵、兩臺相同型號變頻泵和兩臺不同型號變頻泵三種組合方式的高效區(qū)間進行研究分析。

3.2.1 單臺變頻泵供水高效區(qū)間

組合1：單臺變頻泵供水，供水流量為Q。

在這種情況下，根據(jù)前提條件，高效區(qū)間為0.7Q～Q，即高效區(qū)間寬度為0.3Q。

3.2.2 兩臺相同型號變頻泵聯(lián)合供水高效區(qū)間

組合2：兩臺相同型號變頻泵聯(lián)合供水，單臺供水流量為0.5Q，單臺泵高效區(qū)間為0.35Q～0.5Q。這種組合情況可分為兩種情況來分析，如下圖1

①當系統(tǒng)流量小于單臺泵流量（0.5Q）時，只有單臺泵工作，這種工況下高效區(qū)間為0.35Q～0.5Q。

②當系統(tǒng)流量大于單臺泵流量（0.5Q）時，兩臺泵同時工作，此時相當于一臺流量為Q的變頻泵工作，這種工況下高效區(qū)間為0.7Q～Q。

在組合2整個流量變化過程中，屬于高效區(qū)間的范圍為0.35Q～0.5Q和0.7Q～Q，比組合1多了0.35Q～0.5Q的高效區(qū)間。

3.2.3 兩臺不同型號變頻泵聯(lián)合供水高效區(qū)間

組合3：兩臺不同型號變頻泵聯(lián)合供水，小流量泵流量為0.25Q，大流量泵流量為0.75Q。小流量變頻泵高效區(qū)間為0.175Q～0.25Q，大流量變頻泵高效區(qū)間為0.525Q～0.75Q。

這種組合情況可分為四種情況來分析見圖2。

①當系統(tǒng)流量小于小流量泵流量（0.25Q）時，只有小流量泵工作，如圖2所示，這種工況下高效區(qū)間為0.175Q～0.25Q。

②當系統(tǒng)流量介于小流量泵流量（0.25Q）和大流量泵流量（0.75Q）之間時，可看成轉換大流量泵工作，如圖2所示，這種工況下高效區(qū)間為0.525Q～0.75Q。

③當系統(tǒng)流量大于大流量泵流量（0.75Q）時時，兩臺變頻泵同時工作，如圖2所示，這種工況下高效區(qū)間為0.75Q～Q。

圖1 兩臺相同型號變頻泵組工作示意圖

圖2 兩臺不同型號變頻泵組工作示意圖

④還有一種情況是系統(tǒng)流量介于0.7Q和大流量泵流量（0.75Q）之間時，不論是大流量泵單臺工作還是兩臺變頻泵同時工作的情況，都屬于在各自高效區(qū)間工作。

綜合三種組合，假設全天供水時段的生活用水量從0～Q是均勻分布的，則

組合1高效區(qū)間占全天供水時段比例為a1=30%；

組合2高效區(qū)間占全天供水時段比例為 a2=（0.5-0.35）+（1-0.7）=45% ；

組合3高效區(qū)間占全天供水時段比例 為 a3=（0.25-0.175）+（0.75-0.525）+（1-0.75）=55%；

即高效區(qū)間占全天供水時段比例由大到小順序為：組合3＞組合2＞組合1，三種組合中最優(yōu)組合為組合3，即一大一小兩臺變頻泵聯(lián)合供水效率更高。

4 結語

①針對機場航管樓塔臺高樓層的生活供水，在現(xiàn)場建設條件允許的情況下，宜采用二級分區(qū)加壓生活供水方式。

②供水站生活給水變頻泵組合，宜采用一大一小兩臺變頻泵聯(lián)合供水，可保證機場生活供水在全天較長的供水時段內(nèi)處在泵組的高效區(qū)間，供水效率更高。