疊壓供水設(shè)備在建筑給排水中的應(yīng)用

張 大 志

(融創(chuàng)中國(guó)上海區(qū)域公司，上海 200336)

0 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展在加速了我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的同時(shí)，也給城市供水系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性提出了更高的要求，而供水方式的選擇就成為給排水設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中首先需要考慮的問(wèn)題。

傳統(tǒng)的二次供水方式雖然仍占有較大的比重，但是在使用過(guò)程中暴露了以下一些問(wèn)題：

1)投資較高。自建水池或者高位水箱不但會(huì)占據(jù)一定的建筑面積，提高了初期的工程投資，而且需要專人在日常使用過(guò)程中及時(shí)進(jìn)行清洗，產(chǎn)生了不可忽略的維護(hù)費(fèi)用；

2)衛(wèi)生條件差。水箱和水池的密閉性不好，假如長(zhǎng)時(shí)間得不到清理，死水區(qū)便容易聚集大量的細(xì)菌，內(nèi)壁容易附著污垢，使得居民生活用水從源頭受到了污染；

3)消耗能源。傳統(tǒng)的二次供水方式需要對(duì)水進(jìn)行二次加壓，不能有效利用市政管網(wǎng)中原有的水壓。為了解決傳統(tǒng)供水方式存在的問(wèn)題，疊壓供水設(shè)備被開發(fā)出來(lái)。

1 疊壓供水設(shè)備的工作原理

1.1 疊壓供水設(shè)備的組成

市場(chǎng)上現(xiàn)有的疊壓供水系統(tǒng)一般由水泵、氣壓罐、傳感器以及相應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成。

1.2 疊壓和節(jié)能原理

疊壓供水方式不需要再設(shè)置低位的水池，利用了管網(wǎng)當(dāng)中原有的水壓。因此，水泵的揚(yáng)程(如圖1所示)可表示為：

H2=H1-h1。

h1=h0-∑h。

式中：H2——疊壓供水系統(tǒng)中的水泵揚(yáng)程，m；

H1——設(shè)置低位水箱時(shí)水泵應(yīng)具有的揚(yáng)程，m；

h0——市政管網(wǎng)接入點(diǎn)的水壓，m；

∑h——市政管網(wǎng)接入點(diǎn)到水泵進(jìn)水口的沿程損失和局部損失之和，m；

h1——水泵接入口處?kù)o水壓，m；

疊壓供水之所以節(jié)能，是因?yàn)槭姓芫W(wǎng)里原有的水壓得到了利用。

2 市售疊壓供水設(shè)備的特點(diǎn)

2.1 市售疊壓供水設(shè)備分類

市售疊壓供水設(shè)備一般可分為罐式、箱式以及管中泵三種。這些設(shè)備一般有穩(wěn)流裝置、水泵機(jī)組和控制系統(tǒng)構(gòu)成[3]。

其中，根據(jù)實(shí)際需求在水泵機(jī)組后安裝氣壓罐的，被稱為罐式疊壓供水。當(dāng)市政管網(wǎng)供水壓力較大，難以滿足所有居民的用水時(shí)，為了避免水泵過(guò)量取水，令水泵從備用水源(一般是水箱)取水，被稱為箱式疊壓供水設(shè)備。箱式疊壓供水與罐式疊壓供水設(shè)備的區(qū)別在于設(shè)備擁有一個(gè)備用的水源，這部分水源經(jīng)由中間水泵加壓到能夠被利用的市政管網(wǎng)余壓，所以可以把水箱與中間水泵看作備用水源的穩(wěn)流部分，這部分供水所占的比重大約在30%～40%之間[4]。管中泵疊壓供水設(shè)備是把管中泵加入到原有的疊壓供水設(shè)備中，一般應(yīng)用在高壓區(qū)供水壓力不足的情形，或者在枝狀管網(wǎng)的末端供給少量的用戶。但是管中泵流量低、成本高，因此主要應(yīng)用于高端場(chǎng)所。

罐式與箱式疊壓供水設(shè)備中都設(shè)置有穩(wěn)流罐，它的作用是避免水泵從管網(wǎng)中取水過(guò)量。常見的穩(wěn)流罐形式可分為帶囊式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)流罐和不帶囊式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)流罐。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)流罐是一個(gè)壓力容器，罐內(nèi)的壓力為市政管道的水壓。

2.2 水泵機(jī)組特點(diǎn)

疊壓供水和變頻恒壓供水的結(jié)合是特定的經(jīng)濟(jì)體制作用下的產(chǎn)物。同型號(hào)水泵的并聯(lián)運(yùn)行在一開始被大多數(shù)學(xué)者認(rèn)可，但是隨著水泵性能的提升和新材料的研發(fā)，大小水泵的組合在工程實(shí)踐當(dāng)中被廣泛應(yīng)用后，大小泵的并聯(lián)運(yùn)行逐漸受到認(rèn)可。但是相對(duì)于大流量的泵站，建筑的供水量偏小，因此水泵機(jī)組的臺(tái)數(shù)一般不多于4臺(tái)。除此之外，變頻器的應(yīng)用使得用于建筑給水系統(tǒng)供水的水泵與水廠、泵站的水泵有明顯差異，這也是疊壓供水設(shè)備在優(yōu)化過(guò)程中遇到的難點(diǎn)。

2.3 氣壓罐特點(diǎn)

疊壓供水設(shè)備中的氣壓罐雖然來(lái)自于氣壓給水方式，但是前者的壓降一般在0.01 MPa～0.05 MPa之間。因此，倘若應(yīng)用氣壓給水當(dāng)中的設(shè)計(jì)計(jì)算公式加大氣壓罐的體積，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用。不用的疊壓供水設(shè)備制造廠商在設(shè)計(jì)氣壓罐時(shí)，雖然沒(méi)有按照統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行，但是所制氣壓罐的基本構(gòu)造是類似的，即使用囊式結(jié)構(gòu)將氣與水分隔開，并將橡膠囊作為儲(chǔ)存水的空間，氣體存在于囊和氣壓罐之間。在設(shè)備出廠前，制造廠商將一定量的氣體充入氣壓罐，當(dāng)疊壓供水設(shè)備運(yùn)行時(shí)，管內(nèi)的氣體被囊中的高壓水壓縮，氣與水在同一時(shí)刻達(dá)到出水壓力。

2.4 控制系統(tǒng)特點(diǎn)

穩(wěn)流設(shè)備的控制主要體現(xiàn)在對(duì)泵的啟停以及流量控制器的控制，它的具體形式依穩(wěn)流形式而異，不帶囊式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)流裝置控制系統(tǒng)比帶囊式結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單。

不帶囊式的疊壓供水設(shè)備一般采用機(jī)械控制，利用排氣閥使得穩(wěn)流罐和外界環(huán)境相通，市售的不帶囊式結(jié)構(gòu)的疊壓供水設(shè)備多采用機(jī)械措施，即用排氣閥將穩(wěn)流罐與大氣相通。隨著供水量的提升，穩(wěn)流罐內(nèi)的液面上漲，排氣閥處在閉合狀態(tài)，管內(nèi)的壓力得到恢復(fù)。當(dāng)供水量不斷減少使得液面降低到一定高度時(shí)，水泵被停止運(yùn)行。排氣閥從打開到閉合的過(guò)程中，因?yàn)樗磯毫Φ慕档?，水泵的運(yùn)行工況會(huì)與高效區(qū)有所偏離，但持續(xù)時(shí)間并不長(zhǎng)，而這種偏離對(duì)于供水的影響依設(shè)備性能的差別而異，這種運(yùn)行工況的長(zhǎng)遠(yuǎn)影響根據(jù)設(shè)備安裝點(diǎn)不同是有個(gè)體差異的。試驗(yàn)證明：影響偏離高效區(qū)時(shí)間長(zhǎng)短和供水可靠性的主要因素是穩(wěn)流罐的容積。

當(dāng)穩(wěn)流罐的進(jìn)水管路上設(shè)有囊式結(jié)構(gòu)的穩(wěn)流裝置時(shí)，必須對(duì)流量進(jìn)行控制，這個(gè)過(guò)程一般是通過(guò)流量控制器實(shí)現(xiàn)。為了確保閥門進(jìn)口的壓力值不能過(guò)低，壓力傳感器將感知到的壓力差信號(hào)傳遞到控制中心，由控制中心計(jì)算并調(diào)整閥門的開啟程度，直到閥門被完全關(guān)閉為止。帶囊式結(jié)構(gòu)的罐式疊壓供水設(shè)備沒(méi)有設(shè)置排氣裝置，當(dāng)高壓水被消耗完畢后，水泵需停止運(yùn)行，此時(shí)，所有居民的供水被中止。

3 疊壓供水設(shè)備的評(píng)價(jià)

3.1 優(yōu)點(diǎn)

3.1.1改善供水管網(wǎng)管徑

新型供水設(shè)備、技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用對(duì)城市原有供水管網(wǎng)的水質(zhì)和水量保障提出了新的要求。這些設(shè)備的入水流量一般是不能高于市政管網(wǎng)的。而疊壓設(shè)備的應(yīng)用使得水池和高位水箱等儲(chǔ)水設(shè)施無(wú)需再進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)置。當(dāng)管網(wǎng)的服務(wù)面積過(guò)大時(shí)，時(shí)變化系數(shù)和供水量迅速增加，容易造成管網(wǎng)內(nèi)的壓力大幅度波動(dòng)。因此有規(guī)定表明，應(yīng)用了疊壓設(shè)備的供水管網(wǎng)管徑至少要比正常情況下的高兩個(gè)等級(jí)，這樣才能有效避免用水高峰時(shí)期管網(wǎng)水壓過(guò)低導(dǎo)致的供水不足現(xiàn)象。

3.1.2供水水質(zhì)得到保證

疊壓設(shè)備無(wú)需設(shè)置水池和水箱，因此可以省去定期的維護(hù)和清洗工作，并且多采用封閉式運(yùn)行的設(shè)計(jì)。這樣一來(lái)，富含細(xì)菌和病毒的污垢難以進(jìn)入供水系統(tǒng)中大量繁殖，避免了二次污染的不良影響。除此之外，疊壓設(shè)備多采用食品級(jí)不銹鋼材質(zhì)制成，不會(huì)在使用過(guò)程中影響水質(zhì)。

3.2 局限性和不足

傳統(tǒng)的供水設(shè)備一般要配置水池，水池的容積一般是根據(jù)進(jìn)水量和用水量的差值來(lái)計(jì)算確定的。水池具有調(diào)節(jié)供水功能，即便管網(wǎng)出現(xiàn)短暫的壓力不足，建筑內(nèi)的供水依然可以得到保證。而疊壓設(shè)備取消了水池，設(shè)備內(nèi)部的儲(chǔ)水量難以滿足市政管網(wǎng)停止供水時(shí)建筑內(nèi)居民的用水需求。

除此之外，疊壓供水的應(yīng)用條件比傳統(tǒng)的二次供水方式更為嚴(yán)格。盡管這種技術(shù)能夠解決傳統(tǒng)供水方式存在的一些問(wèn)題，但是難以在實(shí)際工程中得到完全的應(yīng)用。據(jù)天津市出臺(tái)的《疊壓供水技術(shù)規(guī)程》規(guī)定了六種嚴(yán)禁使用疊壓供水方式的情形，包括：

1)市政管網(wǎng)水壓低于0.22 MPa的區(qū)域；

2)供水量負(fù)擔(dān)過(guò)重的區(qū)域；

3)疊壓設(shè)備使用密度過(guò)大區(qū)域；

4)必須保證供水連續(xù)性的區(qū)域；

5)用水時(shí)間集中并且時(shí)變化系數(shù)過(guò)大的區(qū)域；

6)化工、醫(yī)藥、印染等可能會(huì)危害公共供水安全的企業(yè)用戶。

4 疊壓供水設(shè)備的適用條件

疊壓設(shè)備不但占地面積小，而且能保證供水水質(zhì)的安全性，但是仍然需要滿足一定條件才能使用。一般情況下，要求與之相連的市政管網(wǎng)管徑不能低于300 mm，并且疊壓設(shè)備的進(jìn)水管要比供水干管低兩級(jí)以上，或者不超過(guò)供水管道界面的1/3，此時(shí)疊壓設(shè)備進(jìn)水管管徑與供水干管的管徑配比不能超過(guò)65/100,80/150,100/200，并且，使用疊壓設(shè)備的區(qū)域內(nèi)供水壓力不能低于0.22 MPa。

當(dāng)對(duì)疊壓設(shè)備的使用進(jìn)行評(píng)估時(shí)，不但要綜合考量管網(wǎng)的具體布置形式，而且要對(duì)區(qū)域內(nèi)外用戶的用水特性進(jìn)行調(diào)研。具體來(lái)講，可從以下角度進(jìn)行評(píng)估：

1)為保證供水管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定，在管網(wǎng)局部壓力過(guò)低以及用水量變化較大的區(qū)域不宜使用疊壓設(shè)備。但是，在靠近管網(wǎng)源頭的區(qū)域，由于管道內(nèi)的水量波動(dòng)不夠明顯，供水的可靠性能夠得到保證，因此可以設(shè)置疊壓設(shè)備；除此之外，對(duì)于高區(qū)的水泵機(jī)組而言，通過(guò)一定的設(shè)備調(diào)配和變頻控制后，能夠保證水泵在15 m水頭的區(qū)間內(nèi)保持高效運(yùn)行，來(lái)應(yīng)對(duì)管網(wǎng)供水壓力的變動(dòng)。

2)當(dāng)區(qū)域內(nèi)用戶的集中度過(guò)高，或者供水的持續(xù)性必須受到保證的情況下，不宜設(shè)置疊壓設(shè)備。

3)若用戶的用水時(shí)段能夠與主流用戶的用水時(shí)間錯(cuò)開，可以選用疊壓設(shè)備。比如，當(dāng)主流用戶的用水時(shí)間主要分布在日間，而項(xiàng)目用戶的用水時(shí)間分布在夜間，那么采用疊壓設(shè)備的使用不會(huì)對(duì)主流用戶造成影響，并且達(dá)到了節(jié)能的目的。

4)當(dāng)區(qū)域內(nèi)疊壓設(shè)備應(yīng)用的密度較大時(shí)，需要使用管網(wǎng)平差或者數(shù)值模擬的方法對(duì)采用疊壓設(shè)備前后管網(wǎng)內(nèi)的壓力波動(dòng)情況進(jìn)行模擬，保證新加入的疊壓設(shè)備不會(huì)對(duì)其他用戶的用水造成影響。

近幾年，各地的主管部門已出臺(tái)了多項(xiàng)與疊壓設(shè)備應(yīng)用有關(guān)的規(guī)程和通知，如北京市自來(lái)水機(jī)關(guān)出臺(tái)的《關(guān)于二次供水安裝使用無(wú)負(fù)壓加壓供水設(shè)備的暫行規(guī)定》。這些規(guī)定的共同點(diǎn)在于對(duì)疊壓設(shè)備的供水量、允許接入市政管網(wǎng)的管徑和最小壓力進(jìn)行了規(guī)定。

5 結(jié)語(yǔ)

疊壓供水方式近幾年的快速發(fā)展，得益于其相對(duì)于傳統(tǒng)的供水方式，不但能減小占地面積以減小投資，而且能有效利用供水管網(wǎng)水壓，并有效避免二次污染。但是當(dāng)對(duì)擬采用疊壓設(shè)備的項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估時(shí)，不應(yīng)拘泥于對(duì)單個(gè)供水設(shè)備性能的強(qiáng)調(diào)，而是應(yīng)當(dāng)從整個(gè)供水系統(tǒng)的節(jié)能性和水質(zhì)、水量安全性的角度出發(fā)進(jìn)行評(píng)估。與城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的中遠(yuǎn)期規(guī)劃相符，合理地使用疊壓設(shè)備，就可以在保證用戶供水可靠性的前提下實(shí)現(xiàn)城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化。