中水二次加压泵站节能改造

姚雅明 张艳彬 解力伟 姚泊生 徐世刚 孙同斌 王洪霞

（北京金易奥科技发展有限公司，北京 101102）

随着污水处理厂的大量投入运行，中水利用也变得越来越广泛，出于节水目的，城市建筑中有大量的中水二次供水泵站，用于卫生间冲洗等非饮用水的加压。受入住率和用水习惯影响，居民区的中水用量变化很大，这对中水二次加压泵站的设计选型构成了挑战。

对北京市近两百个二次供水泵站实际运行能效进行的一项调查，供水设备几乎涵盖所有的知名品牌，平均电能浪费50%以上，理论上缺支撑、技术上缺手段、运行能效缺强制性标准，是运行能效普遍偏低的三大主要问题。

一、泵站运行能效测试和节电潜力分析设备

工欲善其事，必先利其器，节能改造最大的问题是节电比例的准确确定，这关系到节能工作的成败，也是节能工作的第一步，北京金易奥科技发展有限公司生产的泵站能效测试仪就是为这一目的而研发的，它能准确检测泵站的运行能效且能给出泵站的节电潜力。“四路泵站能效测试仪”如图1。

图1 四路泵站能效测试仪

二、泵站能效预知理论是泵站节能工作的理论依据

2021 年《城镇供水》杂志“姚博士谈泵站节能”栏目主讲人姚福来博士，在其博士论文、博士后和访问学者工作中提出的泵站能效预知理论以及用数学证明的姚定理1 和姚定理2，是泵站节能工作的理论依据。

由于数学证明的严谨性，该结论正确且唯一，该理论的提出，使得泵站节能不再扑朔迷离和众说纷纭，而是变成了一种可以准确预知的科学工作。它可以准确解释过去，精确预测未来，并给出实现的方法。

三、对北京市某小区中水二次加压泵站节能改造实现节电84.9%

北京市某居民小区的中水二次加压泵站，用“四路泵站能效测试仪”进行数据采集分析后，发现该泵站在不做总体改动的情况下有85%左右的电能浪费，如果把水箱供水方式改为无负压叠压供水方式则节电比例还会更高。这个小区是一个上市公司负责的物业，他们管理的物业中有用无负压代替水箱产生节能效果的案例，节能改造后仍然使用水箱也有这么大的节电比例，用户对这个测试结果存有疑虑，后来他们经过反复讨论，决定试一下，看一看这个预测的节电比例是如何实现的，如果成功，在他们公司负责的其他物业可以推进这项技术的落地应用。

北京金易奥科技发展有限公司与该上市公司商定，项目采用合同能源管理模式，由北京金易奥科技发展有限公司投入技术、资金和设备，用4S 全变频能效预知设备对二次供水泵站进行节能改造，用节约下来的电费返还节能投资，待验证节电效果后，再对后续的小区二次供水泵站进行节能改造。

泵站节能控制原理利用《城镇供水》杂志“姚博士谈泵站节能”栏目主讲人姚福来博士证明的泵站能效预知理论：姚定理1 和姚定理2，技术依托为北京京金易奥科技发展有限公司的6 项发明专利。

该二次加压泵站，市政管网来的带压力的中水流入水箱，水箱的液位由浮球阀控制，经泵站加压后，送入小区各建筑居民家中。物业公司要求不改动总体结构，继续使用原水箱供水，以验证我们预测出的节电比例，节能改造前后总体结构不变，如图2。

图2 北京某小区中水二次加压泵站整体结构

该泵站节能改造前的吨水电耗为3.37kWh/m3，图3 为该小区中水泵站改造前的现场，2022 年2 月23 日完成节能改造，改造后该中水泵站的吨水电耗为0.51kWh/ m3，图4 为该中水泵站改造后的现场，前后数据对比，实现的节电比例为84.9%，每年可为该物业公司节约电量42308 度电（kWh）。

图3 北京某小区中水二次加压泵站改造前现场

图4 北京某小区中水二次加压泵站改造后现场

四、二次供水设备电能浪费的几个具体问题

由于缺乏理论依据、技术支撑和强制能效验收标准，二次供水设备电能浪费严重，为解决夜间小流量供水问题在泵站的出口增加隔膜罐（气压罐），为避免自来水的来水压力泄放造成的能源浪费在泵站的进口增加用稳流罐（无负压罐），为了解决二次供水流量大幅度变化问题增加大小泵，为了实现多泵自由搭配采用全变频运行方式，这些手段使用的好可以发挥了节能作用，使用不好可能会适得其反，目前二次供水设备严重电能浪费的原因主要集中在具体的实施手段上，比如：

水泵的选型是否合理？

大小泵搭配是否合理？

气压罐的选型和运行是否合理？

稳流罐是否导致泵站偏离高效运行区？

泵站的能效优化运行方法是否最优？

五、二次供水泵站多恒压值运行时的运行能效计算

如果一个二次供水泵站运行在多个恒压值状态，其运行能效计算如下。

上式中，γ 为水的密度，1000kg/m3，ti为第i 时段，h，Qi为ti时段的泵站流量，m3/h，Hi为ti时段的泵站扬程，m，Wi为ti时段的泵站耗电量，Kw.h，η 为泵站运行能效。

泵站的配水电耗Wp（千立方米兆帕千瓦时），kW.h/(km3.MPa)，与泵站运行能效η 之间的关系如下：

六、结论

对北京市近两百个二次供水泵站的运行能效进行的一项调查，供水设备几乎涵盖所有的知名品牌，在这类泵站，平均算下来，一半以上的电能是被白白浪费掉了，理论上缺支撑、技术上缺手段、运行能效缺强制性标准，是运行能效普遍偏低的三大主要问题，全国的情况恐怕也不乐观。

节能除了运行费用的直接降低还有减碳收益，她更多地是体现一份社会责任，是人类生存的刚需。在“双碳”成为国家战略的今天，二次供水存在的能效偏低问题应该引起自来水企业有关部门的重视，先对辖区内的二次供水设备进行一遍节能普查，摸清家底，知道哪里是电能浪费的重点，哪些二次供水设备厂家的设备运行能效低，是节能工作的第一步。

目前，北京以外很多地区和城市的节能监管部门也在同我们联系，希望尽快给他们所在区域的公共供水泵站和二次供水泵站做一次节能普查，我们的节能工作已经忙的不可开交，希望有更多的合作伙伴加入到这项节能的事业中来，为国家“双碳”战略尽力。