TW201315870A - 智慧型高樓節能配水系統 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種適用於高樓住宅和高樓商業空間的智慧型高樓節能配水系統；該系統包含一組數位節能配水電腦、三組以上的智慧型配水塔和一組變頻揚水泵，以系統性地分析各樓層區域的耗水記錄，同時將各組智慧型配水塔的抽水量最優化來減少抽水能源成本，並避免已抽入本配水系統的自來水停留於管線內超過二十四小時來保持水源的安全性；本配水系統在運轉之時，數位節能配水電腦將比對耗水記錄，並計算由最高樓至最低樓的累進欠水值，來統計出各組智慧型配水塔的補水優先順位，以進行最節約電能的補水作業；另外，本配水系統將於離峰時段預先補滿各組智慧型配水塔，而於高樓用電的巔峰時段，本配水系統亦可利用分流管線將儲水量偏高且位於較高樓層的智慧型配水塔中的儲水優先導入儲水量偏低的智慧型配水塔，以減少高樓的用電峰值和約百分之十五的整體抽水電能消耗‧

Description

智慧型高樓節能配水系統

本發明涉及一種適用於高樓住宅和高樓商業空間的智慧型高樓節能配水系統，更具體的說，涉及一種利用數位節能配水電腦來記錄耗水記錄和統計智慧型配水塔的補水順位，以有效地發揮變頻揚水泵的運轉特性，選擇適當的時間和適當的功率進行補水作業來避免高樓整體用電的峰值過高和減少抽水電能成本，同時確保本配水系統內的儲水保持流動來避免水質劣化‧

在過去，高樓住宅和高樓商業空間在城市裡所佔比例不高，但隨著科技發展，近年來人口密集化和都市的生活水平提高，使得越來越多的高樓公寓和高樓商場在短時間快速林立，但是高樓水塔設備卻依然以類比的方式進行補水作業，僅僅在水塔水位感測器發出缺水信號時進行高速且高壓的補水作業，雖然構造簡單，但卻有以下主要缺點：第一個缺點為每一個水塔供應的樓層區域過多，造成距離水塔較遠的樓層的水壓過大並必須安裝減壓閥，使得管線中的自來水在減壓過程中耗損了動能，間接造成了抽水能量的損失，換言之，以一實例說明，用一個位於十三樓的水塔供應水給三樓的使用者，使用者所需的水壓僅僅約為1.3公斤/立方公分，但實際上，三樓的水源供應壓力卻是3公斤/立方公分，為了讓使用者能夠安全的使用水源，減壓閥雖然浪費能源卻也成為了傳統水塔系統的必備設備‧

第二個缺點為補水作業時皆是進行於用水的巔峰時段，並以最大馬力和最高水壓進行補水作業，造成高樓的用電峰值攀升數倍，實際上不僅對大樓本身的基本電費造成影響，對整體都市的用電峰值也有相對的影響；電力公司的發電設備較偏好於少量但是長時間穩定的輸出，而非短時間大電流的輸出，因為後者不僅造成發電設備的效率低落，而且也較容易損壞配電設備‧

第三個缺點為水塔供應的樓層區域過多，傳統高樓水塔往往佔用了一個或兩個的高樓住宅單位，造成水的重量集中於整個樓層的一部分，實際上，現有中繼水塔的重量可達數十噸的重量，對於高樓的建築結構造成相當的負擔，使得部份的住戶承擔更多天災的風險‧

然而，雖然現有的高樓水塔系統有著上述幾項缺點，但是卻能最低限度地保持一個高流動率的水源，以確保管線內的水源不停留超過法定的四十八小時規定，且因構造簡單和建築公司習慣性地採用舊設計，高樓專用的水塔系統並無明顯的進步‧

本發明要解決的技術問題在於，針對現有高樓水塔系統的上述水壓過高而耗能的缺陷和高用電峰值的缺陷，提供一個最有效率的供水模式和配水系統，而且維持一個穩定的供水水壓，使得每一樓層的水源供給壓力在不需要安裝減壓閥的狀況下，就能夠達到業界公認的使用端壓力標準，並且將自來水抽送至最理想的供水高度，間接地減少揚水泵補水作業之時所消耗的功約百分之十五，同時必須確保系統管線內的自來水的流動性，以維持自來水中含氯量‧使得細菌不易滋生‧

本發明所採用一可控結構並三種不同的控制流程以搭配不同時段的用電負載狀況。

其中可控結構包含：構造一種智慧型高樓節能配水系統，其基本構造包含一組數位節能配水電腦、三組以上的智慧型配水塔和一組變頻揚水泵；各組智慧型配水塔配置於不同的樓層高度並包含各自的水位感測器、獨立的進水電磁閥、及獨立的支援電磁閥；該數位節能配水電腦將定時記錄各組智慧型配水塔的水位，並統計出各個智慧型配水塔負責供水的樓層區域的每日儲水消耗總量的平均值，以及一份能代表各個樓層區域的用水習慣的各時段平均儲水消耗表；藉由此兩種統計資料，數位節能配水電腦能判斷各組智慧型配水塔的現有水位是否足夠供應下一個時段所預估的儲水消耗量，並下指令讓揚水泵優先補滿欠水值最高且置較低樓層的智慧型配水塔

本發明所採用的第一種控制流程為離峰模式。在每日晚間的離峰時段開始時會將所有智慧型配水塔補滿，以避免夜間抽水聲影響睡眠。在每日早晨離峰時段結束前也會將所有智慧型配水塔補滿以減少在尖峰時段抽水的需求。

本發明所採用的第二種控制流程為預估模式。預估模式主要是為接下來的尖峰模式做準備，藉著用水量的統計資料準確的估算出未來數個小時內的用水量，盡可能避免在尖峰時段中抽水的需求。

本發明所採用的第三種控制流程為尖峰模式。尖峰模式用於電網及建築物本身同為用電尖峰期的時段。以最小的揚水量為目標，且避免超約用電的情況。

為支援上述三種控制流程，數位節能配水電腦將同時執行下列數種支援程序。

第一種程序為用水量統計。數位節能配水電腦將使用水位計及抽水時間所提供的資訊藉由長時間的統計精確計算出各智慧型配水塔在各時段的用水量。

第二種程序為電流即時監測。數位節能配水電腦將監控整棟建築物的即時用電量，並相應調整變頻揚水泵的功率以避免超約用電。

第三種程序為蓄水時間監控。若單一智慧型配水塔中的水停留超過一天，系統可將該智慧型配水塔中的水藉由支援電磁閥轉移到較低樓層使用。

第四種程序為故障排除程序。若系統偵測到單一進水電磁閥故障，則可將水先抽到較高樓層，並藉由支援電磁閥將水送到進水電磁閥故障的樓層，以避免使用者無水可用。

本發明之第一實施例，參閱圖示一：水由自來水公司透過受水管001進入建築物設於低處之蓄水池004，其中設有揚水泵002，以將水送到較高樓層。揚水幹管003銜接於揚水泵002之出水口。每個樓層皆設有相對應之配水塔；在本實施例中，六樓設有六樓水塔602，經由六樓出水管605將水送到二樓出水口210。六樓水塔602內設有六樓水位計604以感測六樓水塔602中的水位。當要補充六樓水塔602時，六樓進水電磁閥601會開啟，揚水泵002會以預先計算過的功率值將水經由揚水幹管003送到六樓水塔602。

為將電力使用最佳化，本系統在不同的時段採用不同的運作模式。在晚間十點三十分至早上七點三十分的時段為離峰時段，系統以離峰模式運行。早上七點三十分至早上十點三十分、中午十二時至下午兩點、及下午六點至晚間十點半的三個時段是電梯及停車場抽風系統使用的尖峰期，系統採尖峰模式運行。早上十點三十分至中午十二點及下午兩點至下午六點的時段則是使用預估模式。

為方便說明，在本實施例中，水位名稱如下：

配水塔的最大設計蓄水量稱之為滿水位。

配水塔的十分之一設計蓄水量稱之為缺水水位。

配水塔的五分之一設計蓄水量成之為低水位。

大於配水塔的最大設計蓄水量稱之為溢流水位。

本系統的離峰模式運作請同時參閱圖示一及圖示二，程序開始時會先檢查是否有任何配水塔位於缺水水位；若任何樓層處於缺水狀態，則優先將該樓層補充至滿水位。在確認沒有任何樓層處於缺水狀態後，開始其他樓層的補水。系統藉由頂樓水位計1034得知頂樓水塔1302的蓄水量，若低於滿水位則開啟頂樓進水電磁閥1301並開啟揚水泵002，在頂樓水塔1302到達滿水位時，系統會檢查十二樓水塔1202的水位是否位於滿水位。若十二樓水塔1202低於滿水位，則開啟十二樓進水電磁閥1201，將揚水泵002的功率降低至適合十二樓的功率，再將十三樓進水電磁閥1301關閉。若頂樓水塔1302位於滿水位，則檢查十二樓水塔1202是否位於滿水位，依此類推。在最低的六樓水塔602完成補水程序後，系統會緩停止揚水泵002以避免水鎚效應。程序運作時，系統將同時檢測整棟建築物的即時用電量，並根據即時用電量改變揚水泵002的功率，以避免超約用電。

預估模式是為後續的尖峰模式做準備，將蓄水量最佳化以減少在尖峰時段中的抽水量。本實施例中，為要避免在中午十二點至下午兩點的尖峰時段抽水，系統在早上十點三十分至中午十二點間會以預估模式運行。該預估模式的目標時間則會訂為下午兩點鐘。請同時參閱圖示一及圖示三，程序開始時系統先根據統計資料計算出當時至下午兩點間頂樓水塔1302的用水量並檢查頂樓水塔1302的水位。以頂樓水塔1302的現有水量減去當時至下午兩點間的預估用水量可得到一水量差異值，並以N值稱之。若N值小於零，則代表下午兩點前水會不足，因此需抽水-N公升以避免在中午十二點至下午兩點間抽水。將水量補足後，將N值歸零。若N值大於零，則代表蓄水量有餘裕。接著感測十二樓水塔1202的水量，並得出十二樓的N值。將十二樓的N值與十三樓的N值累加可得出累計水量差異。若N值小於零，則代表下午兩點前水會不足，因此需抽水-N公升。若N值大於零，則代表蓄水量有餘裕，可進行下一樓層的水位感測。此程序將持續至六樓水塔602完成補水後停止。程序運作時，系統將同時檢測整棟建築物的即時用電量，並根據即時用電量改變揚水泵002的功率，以避免超約用電。

在中午十二點預估模式結束時，各個配水塔內應蓄有足夠中午十二點至下午兩點使用的水量。為因應用水量突然超過預期，中午十二點至下午兩點間系統採用尖峰模式運行。請同時參閱圖示一及圖示四，當有任一樓層的配水塔位於缺水水位時，系統將由頂樓開始進行一連串的水位感測及運算。系統先根據統計資料計算出當時至下午兩點間頂樓水塔1302的用水量並檢查頂樓水塔1302的水位。以頂樓水塔1302的現有水量減去當時至下午兩點間的預估用水量可得到一水量差異值，並以N值稱之。若N值小於零，則代表下午兩點前水會不足，則系統會將頂樓水塔補水至低水位。若頂樓水塔1302的N值大於零，則根據統計資料計算出當時至下午兩點間十二樓水塔1202的用水量並檢查十二樓水塔1202的水位。若十二樓水塔1202的N值小於零，則將藉由頂樓支援電磁閥1303將N公升的水由頂樓水塔1302轉移到十二樓水塔1202以避免抽水。若十三樓水塔1302的水量餘裕不足以滿足十二樓水塔1202的需求，則另須將水以揚水泵002補滿至低水位。若十三樓水塔1302的水量餘裕足以滿足十二樓水塔1202的需求，則使用十三樓水塔1302的水將十二樓水塔1202的水補充至低水位，將轉移的水量由N值中扣除後，繼續下一樓層的偵測。此程序將持續至六樓水塔602完成補水後停止。程序運作時，系統將同時檢測整棟建築物的即時用電量，並根據即時用電量改變揚水泵002的功率，以避免超約用電。

此系統的水塔清洗程序請參閱圖示一。在使用者下達水塔清洗指令後，系統會先將六樓水塔602的水經由六樓水塔放流口599排掉。在六樓水塔602到達缺水水位後，系統會通知使用者進行六樓水塔602的清洗工作。在六樓水塔602完成清洗後，使用者可對系統下達清洗高一樓層水塔的指令。系統會將七樓支援電磁閥703開啟，將七樓水塔702中的水轉移至六樓水塔602，在七樓水塔702到達缺水水位後，系統會通知使用者進行七樓水塔702的清洗工作。在七樓水塔702的清洗工作完成後，此系統將以同樣的模式進行八樓水塔802至頂樓水塔1302的清洗工作。此水塔清洗程序可大幅減少各個樓層因清洗水塔造成的停水時間，並減少水資源的浪費。水塔清洗程序不影響運作中的離峰模式、尖峰模式、及預估模式，唯系統在運作上會跳過清洗中的樓層。

當系統偵測到六樓進水電磁閥601故障時，系統會將七樓支援電磁閥703開啟，在將水經由七樓水塔702補充至六樓水塔602。若七樓進水電磁閥701與八樓進水電磁閥801或八樓支援電磁閥803同時故障，待七樓水塔702的水耗光後，則可將七樓支援電磁閥703開啟，由六樓水塔602經由七樓支援電磁閥703及七樓出水管705供應三樓出水口310的用水。此系統可透過各樓層的支援電磁閥支援上下各一層樓的用水，以達到最高的可靠度。

001．．．受水管

002．．．揚水泵

003．．．揚水幹管

004．．．蓄水池

210．．．二樓出水口

310．．．三樓出水口

410．．．四樓出水口

599．．．六樓水塔放流口

601．．．六樓進水電磁閥

602．．．六樓水塔

604．．．六樓水位計

605．．．六樓出水管

701．．．七樓進水電磁閥

702．．．七樓水塔

703．．．七樓支援電磁閥

704．．．七樓水位計

705．．．七樓出水管

801．．．八樓進水電磁閥

802．．．八樓水塔

803．．．八樓支援電磁閥

804．．．八樓水位計

805．．．八樓出水管

903．．．九樓支援電磁閥

1201．．．十二樓進水電磁閥

1202．．．十二樓水塔

1203．．．十二樓支援電磁閥

1204．．．十二樓水位計

1205．．．十二樓出水管

1301．．．頂樓進水電磁閥

1302．．．頂樓水塔

1303．．．頂樓支援電磁閥

1304．．．頂樓水位計

1305．．．頂樓出水管

第一圖：係本創作配水系統之整體配置示意圖。

第二圖：係本創作配水系統之離峰模式之運作示意圖。

第三圖：係本創作配水系統之預估模式之運作示意圖。

第四圖：係本創作配水系統之尖峰模式之運作示意圖。

001．．．受水管

002．．．揚水泵

003．．．揚水幹管

004．．．蓄水池

210．．．二樓出水口

310．．．三樓出水口

410．．．四樓出水口

599．．．六樓水塔放流口

601．．．六樓進水電磁閥

602．．．六樓水塔

604．．．六樓水位計

605．．．六樓出水管

701．．．七樓進水電磁閥

702．．．七樓水塔

703．．．七樓支援電磁閥

704．．．七樓水位計

705．．．七樓出水管

801．．．八樓進水電磁閥

802．．．八樓水塔

803．．．八樓支援電磁閥

804．．．八樓水位計

805．．．八樓出水管

903．．．九樓支援電磁閥

1201．．．十二樓進水電磁閥

1202．．．十二樓水塔

1203．．．十二樓支援電磁閥

1204．．．十二樓水位計

1205．．．十二樓出水管

1301．．．頂樓進水電磁閥

1302．．．頂樓水塔

1303．．．頂樓支援電磁閥

1304．．．頂樓水位計

1305．．．頂樓出水管

Claims (10)

1. 一種高樓配水系統，包括：一蓄水池，用以接受自來水公司的供水；一揚水泵，用以將蓄水池內的水送到較高樓層；一揚水幹管，銜接於揚水泵出水口；至少三個配水塔，分別置放於不同樓層；多個進水電磁閥，設置於揚水幹管與各個配水塔之間，用以控制配水塔的進水；多個水位計，設置於各個配水塔內，用以感測水位；多條出水管，銜接於各個配水塔之出水口，用以將自來水配送至相對應的樓層；多個支援電磁閥，銜接各條出水管與下一樓層之出水管，用以將水由高一層的配水塔轉移至低一層的配水塔；以及一控制單元，用以控制各進水電磁閥、支援電磁閥、及揚水泵。
2. 如申請專利範圍第1項所述之高樓配水系統，其中該控制單元可依據預先設定的時段決定相對應的運作模式。
3. 如申請專利範圍第1項所述之高樓配水系統，其中該控制單元可依據水位計及抽水時間統計出各個配水塔在各個時段內的用水量。
4. 如申請專利範圍第1項所述之高樓配水系統，其中該揚水泵為變頻揚水泵。
5. 如申請專利範圍第1項所述之高樓配水系統，另設有與該揚水泵功能相同之備援揚水泵。
6. 如申請專利範圍第1項所述之高樓配水系統，其中該進水電磁閥為常閉式電磁閥。
7. 如申請專利範圍第1項所述之高樓配水系統，其中該支援電磁閥為常閉式電磁閥。
8. 如申請專利範圍第1項所述之高樓配水系統，其中該控制單元設有電流感應器，用以偵測該建築物之即時用電量。
9. 如申請專利範圍第1項所述之高樓配水系統，其中該控制單元可記錄各個配水塔的用水量。
10. 如申請專利範圍第1項所述之高樓配水系統，其中該揚水幹管另設有消除真空之裝置。