穩(wěn)壓補償式無負壓供水技術(shù)在高層住宅的應(yīng)用

陳 勝

（南寧局集團公司建設(shè)部，工程師，廣西 南寧 530029）

隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐不斷加快，土地資源日益短缺、高層住宅數(shù)量驟增的現(xiàn)象將會成為常態(tài)。由于高層住宅住戶集中、用水量大，需要采用二次供水設(shè)施才能保障他們?nèi)粘Ｓ盟?。鑒于目前二次供水設(shè)備產(chǎn)品類型繁多，且城市二次供水現(xiàn)狀存在諸多問題，選擇何種穩(wěn)定性經(jīng)濟性俱佳的二次供水方式已然成為相關(guān)企業(yè)亟待破解的課題。筆者認為應(yīng)用穩(wěn)壓補償式無負壓供水技術(shù)可以推動高層建筑二次供水向既可靠又節(jié)能的方向發(fā)展，并試從理論與實踐結(jié)合的角度略陳管見。

1 城市二次供水主要模式分析比選

城市二次供水方式主要有：低水位水池和變頻恒壓設(shè)備聯(lián)合供水、低水位水池和工頻加壓設(shè)備和高水位水箱聯(lián)合供水、無負壓設(shè)備直接供水等多種模式，本文擇其主要三種模式作如下分析比選。

1.1 水箱變頻供水模式 水箱變頻供水的基本原理是先將有壓力的自來水放入低位水箱變成零壓力的靜水，再由變頻設(shè)備將其加壓至用水網(wǎng)點。這種供水模式雖具有用水壓力穩(wěn)定和可靠的特點，但自來水原有壓力未能充分利用，導致能源浪費。加之，置于地下室的低位水箱為敞開式結(jié)構(gòu)，各種雜質(zhì)、污染物極易進入水中，容易造成二次污染。水箱變頻供水方式自80年代末投入至今，耗能不環(huán)保成為其主要發(fā)展障礙，與如今人們提倡的節(jié)能環(huán)保理念背道而馳，被新的供水模式取代已成必然。

1.2 傳統(tǒng)無負壓供水模式 無負壓供水設(shè)備直接與供水管網(wǎng)連接，通過全自動微機智能控制實現(xiàn)穩(wěn)流調(diào)節(jié)器和負壓抑制器動作執(zhí)行部件實時自動調(diào)節(jié)，使穩(wěn)流調(diào)節(jié)器內(nèi)壓力平衡，抑制管網(wǎng)內(nèi)負壓的產(chǎn)生，確保供水本設(shè)備不對供水管網(wǎng)產(chǎn)生負壓。這種供水模式可以充分利用自來水原有壓力，進行疊壓節(jié)能供水，加之，采用變頻調(diào)速和微機控制后，可以根據(jù)自來水的壓力對電機轉(zhuǎn)速予以調(diào)節(jié)，并對對自來水的壓力及所需壓力的差進行補壓，差多少補多少，不做無用功，節(jié)能效果顯著，與水箱變頻供水相比節(jié)電可達20%～90%。

目前，應(yīng)用最廣泛的無負壓供水設(shè)備主要求有如下兩種：吸排氣式無負壓設(shè)備、機械活塞式無負壓設(shè)備。第一種吸排氣式無負壓設(shè)備主要由密封水罐（調(diào)節(jié)罐）、真空消除器（吸排氣閥）、水泵機組、管件閥組及其控制儀表等構(gòu)成，其工作原理是罐體上的真空消除器，根據(jù)罐內(nèi)液位的變化，通過開啟和閉合、進入和釋放空氣方式來消除真空，當液位下降到一定水位時，設(shè)備自動停機保壓或降低轉(zhuǎn)速或降低給定，犧牲用戶用水利益。無負壓實現(xiàn)是靠真空消除器（即呼吸閥）的進氣和排氣來完成的，無負壓技術(shù)不參與控制，只靠液位的變化來控制水泵的啟停。該產(chǎn)品并沒有達到全密閉運行，需與空氣接觸，與傳統(tǒng)的水箱（池）并沒有什么區(qū)別，易對水質(zhì)產(chǎn)生污染。第二種機械活塞式無負壓設(shè)備主要由密封水罐（內(nèi)置彈簧或氣體）、水泵機組、管件閥組及其控制儀表等構(gòu)成。其工作原理是當用水處于高峰時通過設(shè)備中的彈簧的彈力（氣體壓力）推動檔板把水補償?shù)接脩?，防止產(chǎn)生負壓，由于其工作狀態(tài)形似活塞，故又稱之為“機械活塞式無負壓”。檔板要在罐體內(nèi)滑動，罐內(nèi)壁與檔板肯定存在潤滑劑，與水接觸產(chǎn)生二次污染，彈簧彈力使用一定時間彈力減退，影響水的補出量，同時兩個彈簧腔式占用罐的較大空間，真正補到用戶中的水有限，水也容易流入彈簧腔室，致使彈簧生銹。這兩種類型的無負壓供水設(shè)備因無法充分利用市政管網(wǎng)壓力，耗電高，節(jié)能效果不明顯，存在一定程度的二次污染，因而在正常供水時造成水泵低效運轉(zhuǎn)有違節(jié)能和環(huán)保的初衷。

1.3 穩(wěn)壓補償式無負壓供水模式 隨著二次供水技術(shù)不斷發(fā)展，穩(wěn)壓補償式無負壓供水技術(shù)應(yīng)運而生，該技術(shù)系統(tǒng)利用無負壓流量平衡補償罐的高、低壓室儲存所需帶壓的自來水，同時將惰性氣體壓回到儲能罐中，通過無負壓流量調(diào)節(jié)平衡補償罐的高壓腔對系統(tǒng)實施穩(wěn)壓的作用，在小流量時不啟動水泵，避免水泵的頻繁啟動所產(chǎn)生的運行能耗，節(jié)能節(jié)電。整套設(shè)備為全密閉結(jié)構(gòu)，保證水與空氣的完全隔離，避免對水產(chǎn)生任何污染。確保達到無負壓二次供水節(jié)能環(huán)保要求，全面提高了高層住宅供水可靠性。

1.4 比選結(jié)論 水箱變頻供水模式耗能、污染嚴重，傳統(tǒng)無負壓供水模式未能達到完全杜絕污染、高效運轉(zhuǎn)要求，穩(wěn)壓補償式無負壓供水模式能有效彌補上述兩種模式弊端，具有推廣使用的現(xiàn)實意義和廣闊前景。

2 穩(wěn)壓無負壓供水設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu) 穩(wěn)壓補償式無負壓供水設(shè)備主要由水泵、控制柜、穩(wěn)壓補償罐、能量儲存器、流量控制器、壓力送變器、雙向補償器和管路等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 穩(wěn)壓補償式無負壓供水設(shè)備構(gòu)成示意圖

2.2 基本工作原理 穩(wěn)壓補償式無負壓供水設(shè)備工作原理主要涵蓋以下方面。

2.2.1 確保供水壓力穩(wěn)定的工作原理 在市政供水管網(wǎng)壓力正常情況下，水經(jīng)過恒壓腔通過泵組加壓后進入用戶管網(wǎng)；當用水出現(xiàn)高峰時會導致市政供水管網(wǎng)壓力下降，此時，能量儲存器釋放帶壓氣體進高壓腔擠壓高壓腔的水向恒壓腔管網(wǎng)補水，匯同恒壓腔的市政水向用戶補水；同時高壓腔具有小流量供水保壓功能。當用戶低峰期供水時，管網(wǎng)利用雙向補償器將泵出水口端的高壓水引向高壓腔補水，隨著液面不斷上升不溶于水的惰性氣體，被擠壓回能量儲存器內(nèi)，隨時準備下一個用水高峰期的到來。

2.2.2 確保無負壓的工作原理 穩(wěn)壓補償式無負壓供水設(shè)備具備兩種運行模式，一種是正常的供水模式，當市政水壓高于最低供水壓力保障值時，采用這種模式，此時設(shè)備中的穩(wěn)壓補償罐起一個穩(wěn)壓罐的作用；另一種供水模式為穩(wěn)壓補償式供水，當市政水壓低于最低供水壓力保障值時，流量控制器控制進水量，保持市政管網(wǎng)的壓力，因而可以穩(wěn)定市政水壓力的波動。流量控制器采用微積分控制原理，對于市政壓力微小波動進行控制，調(diào)節(jié)閥門的啟閉大小，進而控制進水量，使進水壓力始終保持在最低保障值之上，即能達到不會產(chǎn)生負壓，其控制精度非常高而且非常穩(wěn)定。

2.2.3 實現(xiàn)差量補償?shù)墓ぷ髟?在用水最高峰時設(shè)備既要保護市政管網(wǎng)的壓力，同時也要滿足用戶安全持續(xù)供水的要求。當用水高峰期自來水管網(wǎng)輸出的水量與用戶所需的水量產(chǎn)生差量時，穩(wěn)壓補償式無負壓供水設(shè)備通過流量控制器、雙向補償器、能量儲存器、分腔式無負壓罐全方位地進行水量差量補償，并且在補償水量時完全杜絕與空氣接觸，真正實現(xiàn)水質(zhì)無二次污染。市政壓力不足時，市政水壓低于最低供水壓力保障值，無負壓設(shè)備采用穩(wěn)壓補償式供水，流量控制器控制進水量，保持市政管網(wǎng)的壓力，穩(wěn)壓市政壓力的波動，但是由于控制了進水量，造成進水量與用戶用水量的流量差，此時雙向補償器會同時動作，將出水總管與穩(wěn)壓補償罐斷開，同時連通進水總管與穩(wěn)壓補償罐，此時利用能量儲存器內(nèi)高壓惰性氣體的膨脹，釋放預(yù)充的一定壓力的氣體，把穩(wěn)壓罐高壓腔內(nèi)的帶有一定壓力的水補償?shù)胶銐呵恢校纬呻p路供水，進行差量補償，差多少補多少，以補充進水量的不足。通過以上控制模式，可以使設(shè)備既能保證管網(wǎng)不產(chǎn)生負壓又能滿足不間斷用戶的供水要求。

2.2.4 實現(xiàn)節(jié)能的工作原理 穩(wěn)壓補償式無負壓供水設(shè)備在正常工作時，通過雙向補償器對穩(wěn)壓補償罐進行蓄能，當夜間小流量用水時，利用穩(wěn)壓補償罐中高壓腔內(nèi)所存的水是帶有一定壓力的高壓水，同時通過能量儲存器，雙向補償器實現(xiàn)既對用戶管道保壓，又在用戶小流量用水時對自來水管網(wǎng)起到保壓、穩(wěn)壓作用，充分利用了市政管網(wǎng)的壓力，有效避免了水泵頻繁啟動浪費電能和影響水泵壽命現(xiàn)象發(fā)生。系統(tǒng)采用的壓力變送器精確量取水壓，并將水壓信號發(fā)送到電控柜，通過變頻器計算、調(diào)節(jié)、輸出相應(yīng)頻率的電源，使水壓始終穩(wěn)定在設(shè)定的壓力值上，精確度極高。當輸出頻率穩(wěn)定在一個很低的狀況時，經(jīng)過一段時間后，變頻器轉(zhuǎn)為小流量工作模式。

2.2.5 防止二次污染的原理 穩(wěn)壓補償式無負壓供水設(shè)備在運行時與自來水管網(wǎng)全密閉聯(lián)接，在用水高峰期進行補償時不接觸空氣，保證水質(zhì)不產(chǎn)生二次污染。設(shè)備當市政供水量不足，在一段時間內(nèi)能進行差量補償?shù)那闆r下，補償罐內(nèi)的能量儲存器內(nèi)預(yù)先充有一部分高壓氦氣，補償時通過釋放此部分氣體，使罐內(nèi)的水流入進水總管，由于穩(wěn)壓補償罐與出水總管相通，補償結(jié)束后，罐與出水總管相連通，氣體被出水管的高壓壓回能量儲存器，因此只有罐內(nèi)的氦氣被反復(fù)壓縮與膨脹，而與外界的空氣完全隔絕，這就完全杜絕了二次污染，真正實現(xiàn)全密閉供水。

3 穩(wěn)壓補償式無負壓供水設(shè)備應(yīng)用

3.1 工程概況 廣西柳州鵝崗一區(qū)職工住宅綜合樓位于柳州市鵝崗路柳鐵中心醫(yī)院對面，本小區(qū)共有一棟20層兩棟24層共3棟高層住宅，總建筑面積42027.55 m2，其中住宅建筑面積35582.84 m2共390戶。當?shù)刈詠硭袎毫?.2～0.3 MPa，最低保障供水壓力為0.15 Mpa。根據(jù)供水分區(qū)原則，將小區(qū)劃分三個區(qū)供水，其中2-9層為低區(qū)供水，建筑高度為25 m；10-17層為中區(qū)供水，建筑高度為47.4 m；18層以上為高區(qū)供水，建筑高度含樓頂水箱73.3 m；三區(qū)均采用全自動無負壓供水，加壓總戶數(shù)390戶。其中：低區(qū)加壓戶數(shù)：144戶，中區(qū)加壓戶數(shù)：144戶，高區(qū)加壓戶數(shù)：102戶。

3.2 設(shè)備參數(shù)計算

3.2.1 流量計算 根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》（GB50015-2003）第3.6.4-3條款的規(guī)定確定住宅樓生活給水設(shè)計流量。

以下計算的建筑均為1衛(wèi)1廚，按低區(qū)、中區(qū)和高區(qū)分別計算。

1）低區(qū)加壓總戶數(shù)為144戶，每戶的衛(wèi)生器具及當量為：洗滌盆1只（N=0.75），坐便器1具（N=0.5），洗手盆1只（N=0.5），淋浴器1具（N=0.75），洗衣機水嘴1個（N=1.0），其他（N=0.5）。戶當量為4，總當量為576。

用水定額：250 L/人·d，戶均人數(shù)：3.5人。

用水時數(shù)：24 h，時變化系數(shù)Kh=2.5。

最大用水時衛(wèi)生器具給水當量平均出流概率為：

式中U0——生活給水管道的最大用水時衛(wèi)生器具給水當量平均出流概率（%）；

q0——最高用水日的用水定額；

m——每戶用水人數(shù)；

Kh——小時變化系數(shù)；

Ng——每戶設(shè)置的衛(wèi)生器具給水當量數(shù)；

T——用水時間；

0.2——一個衛(wèi)生器具給水當量的定額流量

其中，1衛(wèi)1廚流出概率的U0=0.031取3.0

查表得Q（流量）值：

低區(qū)Q=7.08L/S≈26 m3/h

2）中區(qū)加壓總戶數(shù)為144戶，每戶的衛(wèi)生器具及當量為：洗滌盆1只（N=0.75），坐便器1具（N=0.5），洗手盆1只（N=0.5），淋浴器1具（N=0.75），洗衣機水嘴1個（N=1.0），其他（N=0.5）。戶當量為4，總當量為576。

用水定額：250 L/人·d，戶均人數(shù)：3.5人。

用水時數(shù)：24 h，時變化系數(shù)Kh=2.5。

最大用水時衛(wèi)生器具給水當量平均出流概率為：

給水當量計算：其中1衛(wèi)1廚流出概率的U0=0.031，取3.0

查表得Q（流量）值：

中區(qū)Q=7.08 L/S≈26 m3/h

3）高區(qū)加壓總戶數(shù)為102戶，每戶的衛(wèi)生器具及當量為：洗滌盆1只（N=0.75），坐便器1具（N=0.5），洗手盆1只（N=0.5），淋浴器1具（N=0.75），洗衣機水嘴1個（N=1.0），其他（N=0.5）。戶當量為4，總當量為408。

用水定額：250 L/人·d，戶均人數(shù)：3.5人。

用水時數(shù)：24 h；時變化系數(shù)Kh=2.5。

最大用水時衛(wèi)生器具給水當量平均出流概率為：

給水當量計算：其中1衛(wèi)1廚流出概率的U0=0.031，取3.0

查表得Q（流量）值：

高區(qū)Q=5.63 L/S≈21m3/h

3.2.2 水泵揚程計算 按照《建筑給水排水排水設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，水泵直接供水時所需揚程進行計算，（以滿足最不利用水點要求時水泵所需揚程為計算依據(jù)）：

Hb≥1.1（Hy+Hc+∑h）-H0

其中：

Hb—水泵滿足最不利點所需水壓；

Hy—最不利配水點與引入管的標高差，取低區(qū)25 m，中區(qū)47.4 m，高區(qū)73.3 m；

Hc—最不利配水點所需流出水頭，取6 m；

H0—市政自來水管網(wǎng)的最小供水壓力，取0.10 Mpa=10m；

∑h—泵房與最遠建筑物間管線的水力損失，含沿程水頭損失hf和局部水頭損失hd，取8m；

1.1—給水管網(wǎng)在最不利點流量分配情況下，克服水泵出口至最不利點用水間的水頭損失而考慮的系數(shù)。

通過上述計算，采用無負壓供水時用水高峰時水泵滿足最不利點所需的水壓低區(qū)Hb≥33 m，中區(qū)Hb≥58 m，高區(qū)Hb≥87 m。

采用丹麥格蘭富水泵選型：

低區(qū)：Q=26m3/h Hb=33 m

選泵的型號為：

主泵：CR15-4 N=4KW（2臺）

無負壓罐型號為：GW600-150

設(shè)備總型號：150ZWG2/CR15-4

中區(qū)：Q=26m3/h Hb=58 m

選泵的型號為：

主泵：CR15-6 N=5.5 KW（2臺）

無負壓罐型號為：GW600-150

設(shè)備總型號：150ZWG2/CR15-6

高區(qū)：Q=21m3/h Hb=87m

選泵的型號為：

主泵：CR15-7 N=5.5 KW（2臺）

無負壓罐型號為：GW600-150

設(shè)備總型號：150ZWG2/CR15-7

3.3 設(shè)備耗電量計算

低區(qū)：水泵功率N=4 KW×2=8 KW，8 KW/26m3/h=0.3 Kwh/m3

中區(qū)：水泵功率N=5.5 KW×2=11 KW，11KW/26m3/h=0.42 Kwh/m3

高區(qū)：水泵功率N=5.5 KW×2=11 KW，11KW/21 m3/h=0.52Kwh/m3

該設(shè)備投用五年來的實際耗電量與計算結(jié)果基本吻合，實踐證明穩(wěn)壓補償式無負壓供水設(shè)備加壓每方米水所需耗電量為0.3至0.6 Kwh之間。

4 結(jié)束語

廣西柳州鵝崗一區(qū)職工住宅綜合樓項目采用穩(wěn)壓補償式無負壓供水設(shè)備的實例證明，由于無需修建蓄水池或水箱，節(jié)省了土建費用；充分利用自來水管網(wǎng)壓力，不僅能選用揚程較小的加壓泵，減少設(shè)備投資，還使每立方水的加壓耗電量降至為0.3～0.6 Kwh，節(jié)能效果明顯；設(shè)備全密封運行，消除了空氣及異物進入管網(wǎng)系統(tǒng)導致的污染問題；設(shè)備智能化控制全自動運行，管理維護方便，運營成本降低；全面提高了供水可靠性。

目前，南寧局集團公司已在桂林市的高層住宅項目中推廣使用這一供水模式及設(shè)備。