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摘要: 本文作者分析了“无负压”加压供水装置的适用范围,指出其不适用于城市水源供水能力不足的地区,介绍了既能串联加压又能间接加压、既能充分利用城市管网余压又能确保安全供水的二次加压供水流程。
关键词: 高层建筑；二次加压；供水设备
中图分类号：TU208.3文献标识码：A 文章编号：
随着社会的发展，建筑理念已转变为以人为本，人们对生活的要求也发生了很大变化，越来越多的人们开始关注健康问题，因此对生活饮用水的水质要求也越来越高。然而，传统的供水方式已经不能满足日常生活对于高质水的需求，迫使人们不断去探求新的供水方式。对传统的二次加压供水方式进行回顾，可以为研发新的供水方式提供借鉴。
1 “无负压”加压供水装置
1.1 供水装置
城市供水条例禁止在城市供水管道上直接装泵抽水,故以往二次加压的传统模式均属于间接加压供水,即在加压泵与城市水源之间均设有调节水池,不能充分利用城市水源的余压。从充分利用城市水源的余压、节省二次加压时的能耗出发,最近给水设备生产厂家开发了与城市管网直接连接、串联加压的/无负压0供水装置(见图1)。
该装置具有以下特点:能充分利用城市水源的余压;避免了二次加压时发生二次污染的可能;节省了机房面积。由于其优点比较显著,深受房地产开发商的欢迎,一时已成了建筑供水设备的热销产品。
图1 无负压加压供水装置流程
“无负压”加压供水设备的工作原理与普通变频供水基本相同,在正常情况下由压力传感器的信号通过变频控制柜,按设定的恒压值调节水泵的转速实现恒压供水。当市政进水量小于水泵的供水量时,缓冲罐中的压力急速下降,直到表压降到零时,负压传感器的压力信号通过变频控制柜使加压泵减速直至停止运行,从而确保城市管段不产生负压。当城市水源的压力恢复正常时加压泵再自动恢复工作。
1.2 适用范围分析
在“无负压”加压供水装置中一般都在吸水管上设有一个缓冲罐(或称“稳流补偿器”、“负压罐”),其实就是一个用于压力调节的气压罐。吸水管上的缓冲罐压力变化幅度不大,在水温不变的情况下,不同压力下气室的体积变化可按波耳定律进行计算,即:
P1V1=P2V2=P3V3(1)
式中 P1--气室的初始压力,0.098 MPa绝压
P2--城市管网允许的最低压力,0.198MPa绝压(即0.1 MPa表压)
P3--城市管网的正常供水压力,0.398MPa绝压(即0.3 MPa表压)
V1--以气室压力为0.098 MPa绝压时的气体体积
V2--气室压力为0.198 MPa绝压时的气体体积
V3--气室压力为0.398 MPa绝压时的气体体积
如以空气占罐体积的百分率计算,则:V1=100%,V2=49.5%(即水的体积为50.5%),V3=24.6%(即水的体积为75.4%)。
可见当吸水管的压力从P3降至P2时可提供的调节水量为罐体容积的24.9%,若缓冲罐可提供的容积为1.9~4.3 m3,则调节容积为(1.9~4.3)@0.249=(0.47~1) m3,相当于出水量为32 m3/h的水泵在0.83~1.9 min的出水量,这样的容积作为建筑供水系统的调水量是远远不够的。可见缓冲罐除了在城市水源发生突然事故时为变频泵安全停车有一定的缓冲作用外,对正常供水是起不到水量调节作用的,该装置只能在城市管网供水能力比较充沛、城市管网管径较大、串联加压不致引起城市管网压力波动的情况下,因建筑物用水点高度超越城市管网定压值而需要进行二次加压时应用。
2 供水能力不足地区二次供水装置
对于城市供水能力不足而导致水压不足、产生断水等现象的建筑给水系统,/无负压0加压供水装置是不适用的,必须设置水池或水箱等贮水设备,利用用水低峰时储备一定的调节水量弥补在高峰用水时城市供水能力的不足。为充分利用城市供水管网的余压及避免串联加压时对区域供水带来的影响,二次加压供水设施可参照图2配置。
图2 二次加压供水流程
图2所示流程在正常情况下(城市水源的供水压力大于水泵吸水管的最低设定压力时),变频泵直接由城市供水管串联加压,当城市供水管的供水压力降至4设定的最低压力时水池出水管的电动阀5打开,并关闭城市供水管上的电动阀6,由水池中的贮水供水泵加压供水。当城市供水管的压力恢复到4的设定压力时,电动阀6打开,并关闭水池出水管的电动阀5,这时城市水源可在向水池补水的同时向水泵加压装置供水,恢复到串联加压状态。给水系统的供水压力由3通过变频器调节水泵转速,达到恒压供水,电动阀的启闭由4通过可编程控制器进行控制。该流程可根据4设定的上下限压力范围充分利用城市供水管网的余压,并保障串联加压时不对区域供水带来太大影响,即在城市供水量不足时维持正常供水,在用水高峰时对城市水源起到一定的削峰作用。有的/无负压0供水设备在吸水管上设流量调节器(实际上是贮水罐),罐顶上设自动开关的负压消除器,其实流量调节器的作用与贮水池相似,但以压力容器替代常压容器是得不偿失的。
3 普通的气压给水方式
3.1氣压给水设备的组成
气压给水设备又称气压供水装置、无塔供水设备、储能器等。它兼有升压、调节、贮水、供水、蓄能和控制水泵启停的功能，是利用密闭容器——气压水罐，由水泵将水压入罐内，然后利用罐内贮存气体的可压缩和膨胀的性能，将罐内贮存的水压送入输配水管网，并满足用水点水压、水量要求的设备。在水泵运行或非运行时间均能自动、连续地向给水系统供水，具有与水塔和高位水箱同等的功能。一般由气压水罐、水泵机组、管路系统、电控系统、自动控制箱(柜)等组成，补气式气压给水设备还有气体调节控制系统。
3.2气压给水设备的工作原理
气压给水设备可按管内气水接触方式和输水压力稳定性进行分类。按照罐内气水接触方式不同，可分为补气式气压给水设备和隔膜式气压给水设备；按供水压力稳定性可分为变压式气压给水设备和定压式气压给水设备。下面就以补气式气压给水设备来说明气压给水设备的工作原理，其工作原理图如图2-5。
气压给水设备的主要部件是气压罐，它其实是根据波义尔—马略特定律制造的，由该定律可以算出气压罐的体积。设备具体的工作原理：当水泵3启动后，水池中的水被送入气压罐4和管网用户，随着水泵的运行，当用户用水量小于水泵的出水量时，一部分水就进入气压罐，气压罐内的水位开始上升，空气就会被压缩。其压力随着水位的上升而逐渐变大，水位的变化从液位信号器6上表现出来，压力变化情况从压力信号器5上读出。当压力达到预先确定的最大压力P2时，压力信号器就会把此信号传给控制器，控制器就会控制水泵停止工作，当用户用水时，气压罐内的水就会在压缩空气的压力作用下，送水到用户，而这时随着气压罐内的水量不断输出，水位开始逐渐下降，罐内空气的体积也会随之变大，由波—马定律可知，压力就会跟着下降，当压力降到预先确定的最小压力P1时，这时压力信号器就会把此信号传给控制器，控制器就会控制水泵重新启动工作，向用户及气压罐供水，如此周而复始完成气压供水。
3.3气压给水设备的适用范围
气压给水设备在当时作为一种新的技术，由于优点突出，应用场合很广泛，尤其在消防上应用的依然特别多。下面简要介绍气压给水设备的主要使用场合：
3.3.1由于市政给水管网水压逐渐下降而造成建筑物在建成后上层水压不足，再设置水箱已不可能，此时气压给水设备较为合适。
3.3.2旧房加层改造，而给水压力不能满足加层的水压要求，设置水箱又为房屋基础所不能承受，也可用气压给水设备。
3.3.3高层建筑由于消防水箱设置高度不能满足最不利点消火栓所需水压条件，为解决上部几层消火栓在火灾初期消防水压不足的问题，气压给水设备最为理想。
3.3.4地震区的建筑，从抗震要求考虑，设置水塔或在屋顶设置水箱是不合适的；而气压给水设备可以设在底层或地下室，有利于抗震。
3.3.5高层建筑小区且分期分批建造，在远期兴建而建筑高度最高的建筑物上设置水箱，难以满足近期用水要求；在近期兴建而建筑高度不是最高的建筑物上设置水箱，又难以满足远期用水水压要求，此时，設置气压给水设备是合适的。
3.3.6可解决以提高给水普及率和改善水质为内容，以分散、小型为特点的新型农村给水问题。
3.3.7对于寒冷地区屋顶水箱易被冻裂和南方地区屋顶水箱易被污染等现象，气压给水设备可有效解决防冻和污染的问题。
4 结束语
建筑给水二次加压设施的选用应根据欠压的情况区别对待:对于城市水源的管网管径较大、水量比较充沛的地区,宜优先采用串联加压,它可充分利用城市管网的余压以节省能耗及机房面积,避免二次污染,降低基建费用。对于中小城市或城市边缘的开发区,即在管网管径较小或枝状管网供水能力较低、用水高峰时期出现欠压和停水的地区,应设贮水池或水箱等供水调节设施,采取既可直接串联加压又可利用水池蓄水进行间接加压的措施,这既可分利用城市管网余压又可利用水池存水弥补城市供水的不足。
“无负压”串联加压设备的“无负压”控制不能满足5建筑设计防火规范6和5高层建筑设计防火规范6对室外给水管网供水压力的要求,也不能确保区域给水的安全,故不宜在城市供水能力不足的地区选用。在中小城市和大城市供水管网直径较小的边缘地区,建筑二次加压供水设计时应予特别注意,免受误导。作为城市供水部门应从确保居民正常生活用水的角度控制串联加压供水装置的应用,以防因“无负压”二次加压供水装置的盲目应用而加剧区域性水压下降。
参考文献：
[1] 易雁;高层建筑供水方式及节能探讨[J];山西建筑;2009，（14）.
[2] 雷华娟;论层次分析法在高层建筑供水设备选型中的应用[J];中外建筑;2011，（6）.
关键词: 高层建筑；二次加压；供水设备
中图分类号：TU208.3文献标识码：A 文章编号：
随着社会的发展，建筑理念已转变为以人为本，人们对生活的要求也发生了很大变化，越来越多的人们开始关注健康问题，因此对生活饮用水的水质要求也越来越高。然而，传统的供水方式已经不能满足日常生活对于高质水的需求，迫使人们不断去探求新的供水方式。对传统的二次加压供水方式进行回顾，可以为研发新的供水方式提供借鉴。
1 “无负压”加压供水装置
1.1 供水装置
城市供水条例禁止在城市供水管道上直接装泵抽水,故以往二次加压的传统模式均属于间接加压供水,即在加压泵与城市水源之间均设有调节水池,不能充分利用城市水源的余压。从充分利用城市水源的余压、节省二次加压时的能耗出发,最近给水设备生产厂家开发了与城市管网直接连接、串联加压的/无负压0供水装置(见图1)。
该装置具有以下特点:能充分利用城市水源的余压;避免了二次加压时发生二次污染的可能;节省了机房面积。由于其优点比较显著,深受房地产开发商的欢迎,一时已成了建筑供水设备的热销产品。
图1 无负压加压供水装置流程
“无负压”加压供水设备的工作原理与普通变频供水基本相同,在正常情况下由压力传感器的信号通过变频控制柜,按设定的恒压值调节水泵的转速实现恒压供水。当市政进水量小于水泵的供水量时,缓冲罐中的压力急速下降,直到表压降到零时,负压传感器的压力信号通过变频控制柜使加压泵减速直至停止运行,从而确保城市管段不产生负压。当城市水源的压力恢复正常时加压泵再自动恢复工作。
1.2 适用范围分析
在“无负压”加压供水装置中一般都在吸水管上设有一个缓冲罐(或称“稳流补偿器”、“负压罐”),其实就是一个用于压力调节的气压罐。吸水管上的缓冲罐压力变化幅度不大,在水温不变的情况下,不同压力下气室的体积变化可按波耳定律进行计算,即:
P1V1=P2V2=P3V3(1)
式中 P1--气室的初始压力,0.098 MPa绝压
P2--城市管网允许的最低压力,0.198MPa绝压(即0.1 MPa表压)
P3--城市管网的正常供水压力,0.398MPa绝压(即0.3 MPa表压)
V1--以气室压力为0.098 MPa绝压时的气体体积
V2--气室压力为0.198 MPa绝压时的气体体积
V3--气室压力为0.398 MPa绝压时的气体体积
如以空气占罐体积的百分率计算,则:V1=100%,V2=49.5%(即水的体积为50.5%),V3=24.6%(即水的体积为75.4%)。
可见当吸水管的压力从P3降至P2时可提供的调节水量为罐体容积的24.9%,若缓冲罐可提供的容积为1.9~4.3 m3,则调节容积为(1.9~4.3)@0.249=(0.47~1) m3,相当于出水量为32 m3/h的水泵在0.83~1.9 min的出水量,这样的容积作为建筑供水系统的调水量是远远不够的。可见缓冲罐除了在城市水源发生突然事故时为变频泵安全停车有一定的缓冲作用外,对正常供水是起不到水量调节作用的,该装置只能在城市管网供水能力比较充沛、城市管网管径较大、串联加压不致引起城市管网压力波动的情况下,因建筑物用水点高度超越城市管网定压值而需要进行二次加压时应用。
2 供水能力不足地区二次供水装置
对于城市供水能力不足而导致水压不足、产生断水等现象的建筑给水系统,/无负压0加压供水装置是不适用的,必须设置水池或水箱等贮水设备,利用用水低峰时储备一定的调节水量弥补在高峰用水时城市供水能力的不足。为充分利用城市供水管网的余压及避免串联加压时对区域供水带来的影响,二次加压供水设施可参照图2配置。
图2 二次加压供水流程
图2所示流程在正常情况下(城市水源的供水压力大于水泵吸水管的最低设定压力时),变频泵直接由城市供水管串联加压,当城市供水管的供水压力降至4设定的最低压力时水池出水管的电动阀5打开,并关闭城市供水管上的电动阀6,由水池中的贮水供水泵加压供水。当城市供水管的压力恢复到4的设定压力时,电动阀6打开,并关闭水池出水管的电动阀5,这时城市水源可在向水池补水的同时向水泵加压装置供水,恢复到串联加压状态。给水系统的供水压力由3通过变频器调节水泵转速,达到恒压供水,电动阀的启闭由4通过可编程控制器进行控制。该流程可根据4设定的上下限压力范围充分利用城市供水管网的余压,并保障串联加压时不对区域供水带来太大影响,即在城市供水量不足时维持正常供水,在用水高峰时对城市水源起到一定的削峰作用。有的/无负压0供水设备在吸水管上设流量调节器(实际上是贮水罐),罐顶上设自动开关的负压消除器,其实流量调节器的作用与贮水池相似,但以压力容器替代常压容器是得不偿失的。
3 普通的气压给水方式
3.1氣压给水设备的组成
气压给水设备又称气压供水装置、无塔供水设备、储能器等。它兼有升压、调节、贮水、供水、蓄能和控制水泵启停的功能，是利用密闭容器——气压水罐，由水泵将水压入罐内，然后利用罐内贮存气体的可压缩和膨胀的性能，将罐内贮存的水压送入输配水管网，并满足用水点水压、水量要求的设备。在水泵运行或非运行时间均能自动、连续地向给水系统供水，具有与水塔和高位水箱同等的功能。一般由气压水罐、水泵机组、管路系统、电控系统、自动控制箱(柜)等组成，补气式气压给水设备还有气体调节控制系统。
3.2气压给水设备的工作原理
气压给水设备可按管内气水接触方式和输水压力稳定性进行分类。按照罐内气水接触方式不同，可分为补气式气压给水设备和隔膜式气压给水设备；按供水压力稳定性可分为变压式气压给水设备和定压式气压给水设备。下面就以补气式气压给水设备来说明气压给水设备的工作原理，其工作原理图如图2-5。
气压给水设备的主要部件是气压罐，它其实是根据波义尔—马略特定律制造的，由该定律可以算出气压罐的体积。设备具体的工作原理：当水泵3启动后，水池中的水被送入气压罐4和管网用户，随着水泵的运行，当用户用水量小于水泵的出水量时，一部分水就进入气压罐，气压罐内的水位开始上升，空气就会被压缩。其压力随着水位的上升而逐渐变大，水位的变化从液位信号器6上表现出来，压力变化情况从压力信号器5上读出。当压力达到预先确定的最大压力P2时，压力信号器就会把此信号传给控制器，控制器就会控制水泵停止工作，当用户用水时，气压罐内的水就会在压缩空气的压力作用下，送水到用户，而这时随着气压罐内的水量不断输出，水位开始逐渐下降，罐内空气的体积也会随之变大，由波—马定律可知，压力就会跟着下降，当压力降到预先确定的最小压力P1时，这时压力信号器就会把此信号传给控制器，控制器就会控制水泵重新启动工作，向用户及气压罐供水，如此周而复始完成气压供水。
3.3气压给水设备的适用范围
气压给水设备在当时作为一种新的技术，由于优点突出，应用场合很广泛，尤其在消防上应用的依然特别多。下面简要介绍气压给水设备的主要使用场合：
3.3.1由于市政给水管网水压逐渐下降而造成建筑物在建成后上层水压不足，再设置水箱已不可能，此时气压给水设备较为合适。
3.3.2旧房加层改造，而给水压力不能满足加层的水压要求，设置水箱又为房屋基础所不能承受，也可用气压给水设备。
3.3.3高层建筑由于消防水箱设置高度不能满足最不利点消火栓所需水压条件，为解决上部几层消火栓在火灾初期消防水压不足的问题，气压给水设备最为理想。
3.3.4地震区的建筑，从抗震要求考虑，设置水塔或在屋顶设置水箱是不合适的；而气压给水设备可以设在底层或地下室，有利于抗震。
3.3.5高层建筑小区且分期分批建造，在远期兴建而建筑高度最高的建筑物上设置水箱，难以满足近期用水要求；在近期兴建而建筑高度不是最高的建筑物上设置水箱，又难以满足远期用水水压要求，此时，設置气压给水设备是合适的。
3.3.6可解决以提高给水普及率和改善水质为内容，以分散、小型为特点的新型农村给水问题。
3.3.7对于寒冷地区屋顶水箱易被冻裂和南方地区屋顶水箱易被污染等现象，气压给水设备可有效解决防冻和污染的问题。
4 结束语
建筑给水二次加压设施的选用应根据欠压的情况区别对待:对于城市水源的管网管径较大、水量比较充沛的地区,宜优先采用串联加压,它可充分利用城市管网的余压以节省能耗及机房面积,避免二次污染,降低基建费用。对于中小城市或城市边缘的开发区,即在管网管径较小或枝状管网供水能力较低、用水高峰时期出现欠压和停水的地区,应设贮水池或水箱等供水调节设施,采取既可直接串联加压又可利用水池蓄水进行间接加压的措施,这既可分利用城市管网余压又可利用水池存水弥补城市供水的不足。
“无负压”串联加压设备的“无负压”控制不能满足5建筑设计防火规范6和5高层建筑设计防火规范6对室外给水管网供水压力的要求,也不能确保区域给水的安全,故不宜在城市供水能力不足的地区选用。在中小城市和大城市供水管网直径较小的边缘地区,建筑二次加压供水设计时应予特别注意,免受误导。作为城市供水部门应从确保居民正常生活用水的角度控制串联加压供水装置的应用,以防因“无负压”二次加压供水装置的盲目应用而加剧区域性水压下降。
参考文献：
[1] 易雁;高层建筑供水方式及节能探讨[J];山西建筑;2009，（14）.
[2] 雷华娟;论层次分析法在高层建筑供水设备选型中的应用[J];中外建筑;2011，（6）.