疊壓供水設(shè)備對管網(wǎng)影響的評價(jià)探討

何 鷹

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院，廣東珠海 519090）

引言

《管網(wǎng)疊壓供水設(shè)備》（GB/T 38594-2020）對疊壓供水設(shè)備或者叫管網(wǎng)疊壓供水設(shè)備的定義為：與供水管網(wǎng)直接加壓串聯(lián)供水，利用供水管網(wǎng)壓力并保證滿足用戶水壓、水量、水質(zhì)，且保證不會(huì)影響供水部門規(guī)定的最小服務(wù)水頭的加壓供水裝置。按調(diào)蓄裝置的不同，疊壓供水設(shè)備可分為無調(diào)蓄式、罐式、低水箱式和高水箱調(diào)蓄式四種類型。關(guān)于供水管網(wǎng)直接加壓串聯(lián)供水方式，我國最早在1964年實(shí)行的《室內(nèi)給排水和熱水供應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ 15-64）中已有條文規(guī)定。后來《建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GBJ 15-88和1997年版都有相關(guān)條文。但由于沒有解決回流污染和水壓局部下降的問題，實(shí)際應(yīng)用很少[1]。二十世紀(jì)八九十年代，日本率先研發(fā)和應(yīng)用疊壓供水技術(shù)，隨后美國和歐洲也開始應(yīng)用[2]。1997年，青島三利集團(tuán)第一臺疊壓供水設(shè)備問世，當(dāng)時(shí)稱為無負(fù)壓供水設(shè)備。但這種技術(shù)并沒有引起業(yè)內(nèi)的重視，疊壓供水設(shè)備也沒有大量應(yīng)用。直到非典型肺炎出現(xiàn)后，這種全封閉、安全衛(wèi)生的供水方式才引起業(yè)內(nèi)的關(guān)注[3]。2003年，建設(shè)部將疊壓供水技術(shù)作為科技推廣項(xiàng)目[1]，疊壓供水設(shè)備在我國開始廣泛應(yīng)用。由于廠家對疊壓供水設(shè)備優(yōu)點(diǎn)的夸大宣傳[4]，以及用戶對疊壓供水技術(shù)的陌生，使得疊壓供水設(shè)備在使用中存在較大的盲目性。疊壓供水設(shè)備使用較多的地區(qū)出現(xiàn)水壓波動(dòng)加劇、高峰用水不正常、水表空轉(zhuǎn)等問題，用戶投訴增多[5]。于是，相繼有很多地區(qū)對疊壓供水設(shè)備出臺限制措施[3]。最具代表性的是天津市2007年出臺《天津市管網(wǎng)疊壓供水技術(shù)規(guī)程》，規(guī)定六種情況嚴(yán)禁采用疊壓供水方式[6]。隨后《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50015-2003，2009 年版）、《疊壓供水技術(shù)規(guī)程》（CECS221：2012）對管網(wǎng)疊壓供水設(shè)備的設(shè)置提出了要求[7]。《管網(wǎng)疊壓供水設(shè)備》（CJ/T 254-2014）、《管網(wǎng)疊壓供水設(shè)備》（GB/T 38594-2020）等行業(yè)和國家規(guī)范也相繼出臺。但這些要求和規(guī)定除了引入管流速及管徑選擇給出了詳細(xì)的方法外，流量、壓力等參數(shù)僅給出了原則性規(guī)定。具體到每個(gè)區(qū)域到底應(yīng)不應(yīng)該裝，可以裝多少臺仍無法確定。下面將通過理論分析和實(shí)際使用數(shù)據(jù)來探討疊壓供水設(shè)備對管網(wǎng)整體的影響，給出疊壓供水設(shè)備對管網(wǎng)影響的全面評價(jià)方法。

1.疊壓供水設(shè)備對供水管網(wǎng)的影響分析

建筑給水方式對城市供水管網(wǎng)的影響主要體現(xiàn)在水質(zhì)、水量和水壓三個(gè)方面[8]。本文分析疊壓供水設(shè)備在水質(zhì)、水量和水壓三個(gè)方面對管網(wǎng)的影響。

1.1 水質(zhì)

相對于水箱（水池）加水泵供水方式而言，疊壓設(shè)備因不設(shè)水池而減少了二次污染。但并不等于在衛(wèi)生方面，疊壓設(shè)備就可以高枕無憂。第一，由于疊壓設(shè)備都是通過倒流防止器和管網(wǎng)連接，只要倒流防止器出現(xiàn)問題，用戶端的水就有可能對管網(wǎng)形成回流污染。因此，醫(yī)院、化工等可能造成回流污染的企業(yè)不宜使用疊壓供水設(shè)備[9]。第二，疊壓設(shè)備正常工作時(shí)其穩(wěn)流罐相當(dāng)于一段橫斷面突然擴(kuò)大的大直徑管路[10]。管網(wǎng)由于壓力的波動(dòng)會(huì)使沉積在管壁的污垢進(jìn)入水中形成“黃水”。當(dāng)“黃水”進(jìn)入穩(wěn)流罐時(shí)，過水?dāng)嗝嫱蝗辉龃?，流速突然降低，污垢便在罐壁上沉積，即產(chǎn)生管網(wǎng)污垢遷移現(xiàn)象。甚至?xí)驗(yàn)椴糠炙鏖L時(shí)間停留而造成細(xì)菌滋生[6]。因此疊壓設(shè)備也要進(jìn)行定期清洗和消毒。這一點(diǎn)往往沒有引起足夠的重視，很多設(shè)備使用多年沒有清洗，而且還有不少人把不用清洗和消毒作為無負(fù)壓設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。第三，穩(wěn)流罐分為帶囊式和不帶囊式。不帶囊式的穩(wěn)流罐利用進(jìn)排氣閥使得穩(wěn)流罐和外界環(huán)境相通[11]，罐內(nèi)水就有被污染的可能。至于低水箱式和高水箱調(diào)蓄式實(shí)際上是對傳統(tǒng)二次供水的簡單改進(jìn)[3]，同樣存在二次污染的可能。

1.2 水量與水壓

水量和水壓是直接相關(guān)的，水量增大時(shí)水壓下降，水量減小時(shí)水壓上升。因此下面一起來分析水量和水壓。疊壓供水設(shè)備是靠調(diào)蓄水罐（箱）來平衡水量與水壓的。當(dāng)管網(wǎng)水量、水壓在短時(shí)間內(nèi)不夠時(shí)，由調(diào)蓄水罐（箱）進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)管網(wǎng)水量、水壓不夠的時(shí)間繼續(xù)延長，超過調(diào)蓄水罐（箱）補(bǔ)償極限時(shí)，水泵減速直至停機(jī)以維持管網(wǎng)最低水壓要求[9]。當(dāng)管網(wǎng)水量、水壓在任何時(shí)候都足夠時(shí)，調(diào)蓄水罐（箱）不工作。在管網(wǎng)水量、水壓足夠時(shí)似乎并沒有什么問題，但情況并非如此，現(xiàn)討論如下。管網(wǎng)設(shè)疊壓設(shè)備供水的模式如圖1所示。為方便討論，假設(shè)用戶全部裝疊壓供水設(shè)備，即Q1=Σqn。

圖1 疊壓設(shè)備供水模式圖

如前所述，當(dāng)管網(wǎng)水量、水壓在任何時(shí)候都足夠時(shí)，調(diào)蓄水罐（箱）不工作，穩(wěn)流罐只相當(dāng)于一段橫斷面突然擴(kuò)大的大直徑管路[10]，用戶的需水量是多少，管網(wǎng)的來水量就是多少，即qn=qn1（n=1,2,3,···n）。用水低峰時(shí)，qn=qn1（min）（n=1,2,3,···n），此時(shí)水廠供水量Q1等于Σqn1（min）。用水高峰時(shí)，用戶用水量qn1（max）也等于管網(wǎng)來水量qn。相應(yīng)地，用戶最高日最大時(shí)用水量qhn1也等于管網(wǎng)最高日最大時(shí)來水量qhn。此時(shí)水廠供水量Q1等于Σqn1（max）。相應(yīng)地，管網(wǎng)最高日最大時(shí)供水量Qh1=Σqhn1。即在任何時(shí)候有：

式中：qn1（min）——用水低峰時(shí)用戶的需水量，m3/h；

Q1——疊壓設(shè)備供水模式下的水廠供水量，m3/h；

qn1（max）——用水高峰時(shí)用戶的需水量，m3/h。

疊壓設(shè)備供水模式下的供水時(shí)變化系數(shù)：

式中：Kh1——疊壓設(shè)備供水模式下的供水時(shí)變化系數(shù)；

Qh1——疊壓設(shè)備供水模式下的最高日最大時(shí)供水量，m3/h；

qhn1——用戶最高日最大時(shí)用水量，m3/h；

Qd——最高日供水量，m3/d。

管網(wǎng)不設(shè)疊壓供水設(shè)備而采用傳統(tǒng)二次供水模式有兩種情況，一是用戶單設(shè)高位水箱，供水模式如圖2所示。另一種是設(shè)低位儲(chǔ)水池，再用水泵從低位水池抽水，供水模式如圖3所示。先來討論單設(shè)高位水箱的情況，為方便討論，假設(shè)用戶全部單設(shè)高位水箱，即Q2=Σqn。

圖2 單設(shè)高位水箱供水模式圖

對單設(shè)水箱供水模式而言，用水低峰時(shí)，用戶用水量減少，管網(wǎng)壓力升高，但管網(wǎng)可以繼續(xù)向水箱供水，水箱水位上升，實(shí)際上是管網(wǎng)向水箱和用戶同時(shí)供水。管網(wǎng)來水量qn（n=1,2,3,···n）等于用戶用水量qn1（min）和水箱凈進(jìn)水量qjn2之和。此時(shí)水廠供水量Q2=Σqn1（min）+Σqjn2。用水高峰時(shí)，水箱水位下降，實(shí)際上是管網(wǎng)和水箱同時(shí)向用戶供水。用戶用水量qn1（max）等于管網(wǎng)來水量qn和水箱凈出水量qcn2之和。相應(yīng)地，用戶最高日最大時(shí)用水量qhn1也等于管網(wǎng)最高日最大時(shí)來水量qhn和水箱凈出水量qhcn2之和。此時(shí)水廠供水量Q2=Σqn1（max）-Σqcn2。相應(yīng)地，管網(wǎng)最高日最大時(shí)供水量Qh2=Σqhn1-Σqhcn2。即在任何時(shí)候有：

式中：qjn2——水箱凈進(jìn)水量，m3/h；

Q2——單設(shè)水箱供水模式下水廠供水量，m3/h；

qcn2——水箱凈出水量，m3/h。

單設(shè)水箱供水模式下的供水時(shí)變化系數(shù)：

式中：Kh2——單設(shè)水箱供水模式下的供水時(shí)變化系數(shù)；

Qh2——單設(shè)水箱供水模式下的最高日最大時(shí)供水量，m3/h；

qhcn2——單設(shè)水箱供水模式下的最高日最大時(shí)水箱凈出水量，m3/h。

再來討論設(shè)低位儲(chǔ)水池的情況，為方便討論，假設(shè)用戶全部設(shè)低位儲(chǔ)水池，即Q3=Σqn。供水模式如圖3所示。

圖3 設(shè)低位儲(chǔ)水池供水模式圖

對低位儲(chǔ)水池供水模式而言，不管是用水低峰還是用水高峰，管網(wǎng)只向水池供水，即水池的進(jìn)水量等于管網(wǎng)供水量。用戶僅由水池供水，用戶的用水量等于水池的出水量。用水低峰時(shí)，用戶用水量減少，水池的出水量也減少，水池的進(jìn)水量大于水池的出水量，水池水位上升。管網(wǎng)來水量qn（n=1,2,3,···n）在數(shù)值上還是等于用戶用水量qn1（min）和水池凈進(jìn)水量qjn3之和。此時(shí)水廠供水量Q3=Σqn1（min）+Σqjn3。用水高峰時(shí)，用戶用水量增大，水池的出水量也增大，水池的進(jìn)水量小于于水池的出水量，水池水位下降。用戶用水量qn1（max）在數(shù)值上還是等于管網(wǎng)來水量qn和水池凈出水量qcn3之和。此時(shí)水廠供水量Q3=Σqn1（max）-Σqcn3。即在任何時(shí)候仍然有：

式中：qjn3——水池凈進(jìn)水量，m3/h；

Q3——低位儲(chǔ)水池供水模式下水廠供水量，m3/h；

Qcn3——水池凈出水量，m3/h。

同理，也可得出低位儲(chǔ)水池供水模式下的供水時(shí)變化系數(shù)：

式中：Kh3——低位儲(chǔ)水池供水模式下的供水時(shí)變化系數(shù)；

Qh3——低位儲(chǔ)水池供水模式下的最高日最大時(shí)供水量，m3/h；

qhcn3——低位儲(chǔ)水池供水模式下的最高日最大時(shí)水池凈出水量，m3/h。

比較（1）式和（3）、（5）式，對于同一管網(wǎng)，Σqn1（min）和Σqn2（max）不變，那么，疊壓設(shè)備供水模式水廠總供水量Q1的變化幅度大于單設(shè)水箱供水模式水廠總供水量Q2的變化幅度，也大于設(shè)低位儲(chǔ)水池供水模式水廠總供水量Q3的變化幅度，其幅度差額就是用戶水箱（池）的調(diào)節(jié)容量。根據(jù)水泵特性曲線，出廠水壓H1的波動(dòng)幅度大于H2、H3的波動(dòng)幅度。也就是說疊壓供水設(shè)備的大量使用將增大管網(wǎng)壓力的波動(dòng)幅度。比較（2）式和（4）、（6）式，疊壓設(shè)備供水模式下的供水時(shí)變化系數(shù)Kh1大于單設(shè)水箱供水模式下的供水時(shí)變化系數(shù)Kh2，也大于設(shè)低位儲(chǔ)水池供水模式下的供水時(shí)變化系數(shù)Kh3。

以上分析可知，當(dāng)用水高峰時(shí)，管網(wǎng)供水量小于用戶需水量，水箱（池）供水模式中的水箱（池）可以補(bǔ)充管網(wǎng)供水量的不足，而疊壓供水設(shè)備流量儲(chǔ)備有限，無法補(bǔ)充管網(wǎng)供水量的不足。為滿足用戶需求，供水廠二級泵房只能從清水池抽取更多的水量。即疊壓供水最大時(shí)供水量Qh1大于水箱（池）供水模式最大時(shí)供水量Qh2和Qh3。當(dāng)用水低峰時(shí)，用戶需水量小于管網(wǎng)供水量，水箱（池）供水模式中的水箱（池）可以容納管網(wǎng)供水量的富余，而疊壓供水設(shè)備無法容納管網(wǎng)供水量的富余。那么，清水池需要更多的容積來儲(chǔ)存富余水量。因此供水廠的清水池將需要更大的調(diào)節(jié)容積。也就是說，疊壓供水設(shè)備所缺少的調(diào)節(jié)容積需要清水池來填補(bǔ)。

南方某市自2006年開始在新開發(fā)小區(qū)使用疊壓供水設(shè)備，至2012年整個(gè)市區(qū)已有近百個(gè)小區(qū)安裝了近一百多臺疊壓供水設(shè)備。經(jīng)過幾年的使用，從2010年開始，清水池的調(diào)節(jié)容積滿足不了供水需求，甚至二級泵房要被迫停泵蓄水。說明清水池調(diào)節(jié)能力降低與疊壓供水設(shè)備大量使用有關(guān)。另外“黃水”、“黑水”的投訴也增加。該市安裝疊壓供水設(shè)備前后市區(qū)典型水壓監(jiān)測點(diǎn)的水壓變化情況見表1。

從表1可以看出，2012年整個(gè)管網(wǎng)平均壓力波動(dòng)范圍比2005年增加43.9%。監(jiān)測點(diǎn)1為舊城區(qū)，由于基本沒有安裝疊壓供水設(shè)備，壓力波動(dòng)范圍增加較小（26.4%）。監(jiān)測點(diǎn)4為新區(qū)，疊壓供水設(shè)備安裝較多，壓力波動(dòng)范圍增加較大（64.9%）。說明疊壓供水設(shè)備大量使用確實(shí)使管網(wǎng)水壓波動(dòng)幅度增加。并導(dǎo)致沉積在管壁的水垢被沖刷而重新進(jìn)入水中，于是“黃水”、“黑水”現(xiàn)象增多。

表1 南方某市典型水壓監(jiān)測點(diǎn)的水壓變化情況對比表 （單位：MPa）

2.疊壓供水設(shè)備對供水管網(wǎng)的影響評價(jià)

疊壓供水設(shè)備對城市供水管網(wǎng)的影響主要體現(xiàn)在水質(zhì)、水量和水壓三個(gè)方面。那么評價(jià)也是在這三個(gè)方面進(jìn)行。

2.1 水質(zhì)

相對于傳統(tǒng)供水方式而言，疊壓供水設(shè)備因不設(shè)水池而減少了二次污染已經(jīng)得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可。根據(jù)上述分析，仍然需要在以下幾個(gè)方面做好防污染工作：

不得用于研究、制造、加工、貯存有毒物質(zhì)、藥品等危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)的場所[1]，并根據(jù)回流污染的危害程度選擇倒流防止器。回流污染的危害程度低的可選用減壓型或低阻力倒流防止器，背壓回流可選用雙止回閥倒流防止器。倒流防止器應(yīng)能實(shí)現(xiàn)在線檢修，且每年在線檢修不少于一次。

設(shè)備中所有過流部件材質(zhì)的衛(wèi)生要求應(yīng)符合GB/T 17219的規(guī)定。

調(diào)蓄罐宜采用帶囊式，采用不帶囊式的要在進(jìn)排氣處安裝空氣過濾裝置。

調(diào)蓄罐應(yīng)預(yù)留消毒設(shè)施接口，Φ1400mm及以上的應(yīng)設(shè)清洗人孔。帶水箱調(diào)蓄的應(yīng)配置消毒設(shè)施。水箱儲(chǔ)水的停留時(shí)間不宜大于12小時(shí)，當(dāng)停留時(shí)間大于12小時(shí)，應(yīng)有強(qiáng)制循環(huán)控制功能并應(yīng)設(shè)置持續(xù)消毒設(shè)備[1]。

2.2 水壓

單臺疊壓供水設(shè)備啟泵及運(yùn)行對管網(wǎng)局部水壓的影響并不大[12]，各地已經(jīng)出臺取水管路壓降限制、水泵吸入口最低壓力限制、管網(wǎng)接入最低壓力限制、管網(wǎng)壓降限制等水壓限制措施[3]。但要注意疊壓供水設(shè)備停泵對管網(wǎng)局部水壓的影響，主要應(yīng)對措施是變頻減速停泵和安裝水錘消除裝置[12]?？梢哉f疊壓供水設(shè)備對管網(wǎng)局部水壓的影響評價(jià)措施已經(jīng)比較成熟。對于整個(gè)管網(wǎng)來說，根據(jù)前面的分析，疊壓供水設(shè)備的大量使用增大管網(wǎng)整體壓力的波動(dòng)幅度，引起沉積在管道壁的污垢重新泛起而影響水質(zhì)。由于水壓與水量密切相關(guān)，可由水量的控制來控制水壓。

2.3 水量

在局部范圍內(nèi)，業(yè)界已明確疊壓供水設(shè)備不能超量從管網(wǎng)取水，各地也相繼出臺吸水管管徑及流速限制、裝機(jī)流量限制和疊壓供水小區(qū)建筑面積限制等水量限制措施[3]。但對于整個(gè)管網(wǎng)來說，仍沒有提出可行的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。前述分析可知，疊壓供水設(shè)備通過增大管網(wǎng)供水時(shí)變化系數(shù)而增大水廠清水池的調(diào)節(jié)容積。因此，水廠清水池的調(diào)節(jié)容積就決定了疊壓供水設(shè)備的安裝規(guī)模。管網(wǎng)所有疊壓供水設(shè)備所缺少的調(diào)節(jié)容積之和不得大于清水池的調(diào)節(jié)容積富余量，即：

式中：Vn——疊壓供水設(shè)備安裝地點(diǎn)所需要的調(diào)節(jié)容積，m3；

Vtn——疊壓供水設(shè)備的調(diào)蓄容積，m3；

W1f——清水池的調(diào)節(jié)容積富余量，m3；

S——清水池的面積，m2；

Hyd——清水池的實(shí)際運(yùn)行最低水位，m；

Hsd——清水池包含消防儲(chǔ)備水量、水廠生產(chǎn)用水量的設(shè)計(jì)最低水位，m。

3.結(jié)論

疊壓供水設(shè)備對城市供水管網(wǎng)的影響主要從水質(zhì)、水量和水壓三個(gè)方面進(jìn)行評價(jià)。水質(zhì)方面來說，主要是設(shè)備的配置要符合相關(guān)衛(wèi)生要求，按規(guī)定進(jìn)行檢修和消毒。水量和水壓方面，疊壓供水設(shè)備對管網(wǎng)局部的影響已經(jīng)得到業(yè)界的重視，各地已經(jīng)出臺相關(guān)評價(jià)及限制措施。對整個(gè)管網(wǎng)水量的影響進(jìn)行評價(jià)可以根據(jù)（7）、（8）式來確定每個(gè)具體的管網(wǎng)安裝疊壓供水設(shè)備的數(shù)量及規(guī)模。