建筑安裝工程水系統中氣壓罐的運用

上海建工五建集團有限公司 上海 200063

1 氣壓罐工作原理及分類

1.1 氣壓罐的工作原理

利用波義耳（Robert Boyle）氣體定律：PV/T=n（P為壓力，V為氣壓罐氣體體積，T為溫度），即在一定溫度下氣體壓力P與容積V的乘積等于常數的原理，利用水壓縮性極小的性質，用外力將水儲存在罐內，氣體受到壓縮壓力升高，當外力消失，壓縮氣體膨脹可將水排出[1,2]。

1.2 氣壓罐的分類

氣壓罐分為補氣式氣壓罐和隔膜式氣壓罐[3]。

補氣式氣壓罐的特點是水氣接觸，經過一段時間后，部分空氣溶入水中，使調節水量減少，所以需要定期進行補氣；隔膜式氣壓罐的特點是水氣分離，水進入橡膠囊的內部，橡膠囊的外部與罐體之間充滿惰性氣體，以氮氣為多，由于水氣分離，所以不會產生氣體溶解于水的情況，可一次充氣，長期使用。

2 工程氣壓罐的運用[4-7]

2.1 工程概況

上海市兒童醫院普陀新院總建筑面積為72 512 m2。地上建筑面積51 612 m2，地下建筑面積20 900 m2。安裝工程主要水系統包括給水系統、熱水系統、消防噴淋系統、空調供回水系統，以上系統中均配有1 個或多個氣壓罐。

2.2 給水系統中氣壓罐的運用

本案例工程中，地下室采用市政給水管網直接供水。1～5層裙房采用生活水池→生活恒壓變頻供水設備供水（此供水設備中配有氣壓罐），6～13層采用生活水池→生活水泵→屋頂生活水箱供水，其中病房11～13層采用屋頂生活水箱→生活恒壓變頻供水設備增壓供水（此供水設備配有氣壓罐）。

從以上系統介紹中可以看出，建筑安裝工程給水系統中氣壓罐的運用通常是與變頻泵配套的，當系統中水的壓力大于氣壓罐內氣體壓力時，系統中的水會在壓力的作用下被擠入氣壓罐的氣囊內，罐內氣體受到壓縮，體積減小，根據波義耳氣體定律，氣體體積減小則壓力增大，直到系統水的壓力和罐內氣體壓力達到平衡才停止進水。當系統中水的壓力開始流失時，氣壓罐內氣體的壓力大于系統水的壓力，氣壓罐氣囊內的水在罐內氣體的壓力下被排出，補充至系統內，根據波義耳氣體定律，氣體體積增大則壓力減小，直到兩者的壓力再次達到新的平衡。

由于變頻泵的啟停包括功率大小通過壓力傳感器的指令進行，生活用水量的變化曲線較大，而且具有明顯的時間特性，當變頻泵處于停止狀態，而系統中的水因小流量的使用或泄漏而致使管網中的壓力少量流失，未配置氣壓罐的系統中，變頻泵會因此類小流量的使用而頻繁啟動，而啟動不多時又因壓力回到設定值而停止，這樣頻繁的啟停對水泵的使用壽命造成相當的影響。而設置了氣壓罐的系統中，此時氣壓罐就起到為整個系統補水的作用，調節系統壓力的波動，減少變頻泵啟動頻率，在減少用電的情況下，也間接延長水泵的壽命。

這里我們需要注意的是，氣壓罐選型的預存水量不是氣壓罐的有效容積，而是氣壓罐在穩壓泵恒壓值與壓力下限（也就是起泵壓力）范圍內的調節容積。在給水變頻系統中，要最大限度地利用氣壓罐的調節容積，我們可以把氣壓罐的預充壓力值和變頻泵的壓力下限（起泵壓力）調節為一致，按照理想狀態，當氣壓罐內的水全部補充到系統中時，變頻泵恰好起泵。例如，某個系統的恒壓值為P1=0.3 MPa，而變頻泵壓力下限設置為P2=0.1 MPa，氣壓罐的選型體積為V=100 L，根據波義耳（Robert Boyle）氣體定律：

式中：V1——0.3 MPa管網壓力下氣壓罐內氮氣的體積（L）；

V2——0.1 MPa管網壓力下氣壓罐內氮氣的體積（L）；

P——氣壓罐的預充壓力值（MPa）；

當氣壓罐的預充壓力值和變頻泵的壓力下限（起泵壓力）相同時，氣壓罐的調節容積：ΔV=V－V1=50 L。

通過以上計算，在系統管網達到恒壓狀態，同時氣壓罐的預充壓力值和變頻泵的壓力下限（起泵壓力）調節為一致時，氣壓罐可以對系統的補水量為50 L。

另外，給水系統中的氣壓罐一般設置在水泵出口位置，由于水泵開啟和停止時會對管網造成水錘沖擊，氣壓罐可以通過其罐體與氣囊之間的氮氣吸收一部分沖擊力，減少水泵啟停時對管道及閥門的沖擊，間接延長整個管網的工作壽命。

2.3 熱水系統中氣壓罐的運用

本案例工程中，地下室（廚房）、1～5層裙房采用全日制供應熱水，機械循環。病房樓采用定時供應熱水，機械循環。熱水采用閉式系統，管網敷設形式為6～13層、地下室、1～5層每層設置熱水供回水管。供回水管同程設置，熱水供水溫度60 °C，冷水計算溫度5 °C，管網末端熱水供水溫度不低于50 °C。地下室熱交換器機房設置導流型容積式水-水熱交換器、熱水循環水泵、密閉式膨脹水罐。

從以上系統介紹中可以看出，熱水系統一般采用的是閉式循環系統，而閉式循環系統為了保持整個系統中水力工況的穩定，必須設置定壓裝置，以保持熱水系統中某一點的壓力保持不變。眾所周知，物質都存在著熱漲冷縮的特性，水也不例外（當然，溫度過低，水結成冰的情況下體積也會增大）。本工程熱水系統是一個熱交換的過程，水在升溫的過程中，其密度減小，體積相應增大，由于水為不可壓縮物質，隨著管網中水的體積的增大，壓力也隨之增大，如果不能及時釋放增大的那部分體積，系統會超出其額定工作壓力，那對整個管網是一個相當大的風險，因此在熱交換器的頂部通常都設有安全閥，當系統的壓力超出安全值時，安全閥會自動打開排掉多余的那部分體積，壓力下降恢復到正常值時，安全閥自動關閉。當系統溫度變化頻繁時，安全閥也相應頻繁地啟閉，對閥門的使用壽命造成一定的影響，同時出于節約用水的考慮，熱水系統中引入的密閉式膨脹罐，同樣利用了氣體的可壓縮性。當系統中水溫升高，水的體積膨脹時，系統中的水的壓力大于正常工作壓力，同時也大于了膨脹罐內氣體的壓力，與膨脹體積相當的水被壓入膨脹罐內，直到罐內壓力與系統壓力達到平衡；當系統中水溫降低，水的體積縮小時，系統中的水的壓力小于膨脹罐內氣體的壓力，膨脹罐內原先儲存的水又被壓回至系統中，直到兩者達到新的平衡。在維持系統正常工作壓力的同時，減少安全閥的開啟次數，有效地達到了節水的功能。

2.4 消防噴淋系統中氣壓罐的運用

消防噴淋系統中穩壓泵的運用其作用同給水系統穩壓泵，案例工程中噴淋系統采用臨高壓系統（圖1），屋面層高位水箱間設有噴淋穩壓泵2 臺（Q=1 L/s，H=24 m，N=1.1 kW）及氣壓罐1臺（150 L），穩壓泵啟停泵壓力分別為0.15 MPa和0.2 MPa。

圖1 消防噴淋系統

根據相關國標中敘述，利用氣壓罐的P1、P2、Ps1、Ps2控制水泵允許工況，P1為最不利點噴頭所需壓力（同時也是氣壓罐初始充氣壓力）、P2為噴淋主泵啟動壓力，Ps1為穩壓泵啟動壓力，Ps2為穩壓泵停止壓力。

式中：∑H——自動噴淋管道至最不利點噴頭的沿程和局部壓力損失之和（MPa）；

Ho——最不利點噴頭規定的工作壓力（MPa）；

Hr——報警閥的局部水頭壓力損失（MPa）；

Z——最不利點與高位水箱間的幾何高度（m）。

式中：αb——氣壓罐的工作壓力比。

案例工程中，穩壓泵起泵壓力為0.15 MPa，

即Ps1=0.15=P2+（0.02～0.03）取0.02，

P2=0.13=（P1+0.098）/αb－0.098 ，

氣壓罐體積為150 L，查閱相關國標，取αb=0.8則P1≈0.085 MPa=∑H+Ho+Hr+Z。

最不利點與高位水箱的幾何高度為－6 m，Z取－0.06 MPa；

根據國標要求，每個噴頭的流量1 L/s，最不利點噴頭的沿程壓力損失和局部壓力損失分別取0.01 MPa和0.01 MPa；報警閥的局部水頭損失取0.01 MPa。

最不利點噴頭的工作壓力Ho=0.115 MPa＞0.1 MPa（國標中規定最不利點噴頭工作壓力不小于0.1 MPa）。

通過以上計算，穩壓泵啟停設計值滿足設計需要，氣壓罐初始壓力設定值為0.085 MPa。

2.5 空調供回水系統中氣壓罐的運用

本案例工程中，冷凍水系統采用定壓罐穩壓、補水。熱水鍋爐系統采用定壓罐穩壓、補水。

在空調供回水系統中，結合了給水系統和熱水系統的特點：補水和定壓，空調供回水系統需要補水以保證系統中的水因少量流失而造成供冷、供熱量的不足；需要定壓以保證系統中的水溫度的變化而造成系統中壓力的波動，保證系統中不倒空、不氣化。

補水，其原理與給水系統相同，當系統中的水因故少量流失時，氣壓罐內的水可以補充到系統中，達到補水的作用，同時也減少了補水泵頻繁的啟停，延長補水泵的工作壽命。

定壓，其原理與熱水系統相同，當空調供回水系統中的水因溫度升高而體積增大時，氣壓罐吸收因受熱膨脹多余的那部分水的體積，同時定壓補水系統中設有電磁閥、安全閥，當壓力超出額定值時，電磁閥、安全閥自動開啟進行排水，保護整個系統工作安全；當系統中的水溫度降低而體積減小時，氣壓罐補充因遇冷收縮的那部分水的體積補充系統的壓降損失。

3 結語

氣壓罐因其具有一定的補水、定壓的功能，可在建筑給水、熱水供應、消防噴淋和空調回水等系統中運用，從而減少相關控制泵的啟停次數，以此延長泵的工作壽命，并節約電能的使用，從而取得良好的社會效益和經濟效益，可在類似工程中推廣使用。