疊壓供水設備在建筑給排水中的應用

張 大 志

(融創中國上海區域公司，上海 200336)

0 引言

社會經濟的飛速發展在加速了我國城鎮化進程的同時，也給城市供水系統的安全性和經濟性提出了更高的要求，而供水方式的選擇就成為給排水設計師在設計過程當中首先需要考慮的問題。

傳統的二次供水方式雖然仍占有較大的比重，但是在使用過程中暴露了以下一些問題：

1)投資較高。自建水池或者高位水箱不但會占據一定的建筑面積，提高了初期的工程投資，而且需要專人在日常使用過程中及時進行清洗，產生了不可忽略的維護費用；

2)衛生條件差。水箱和水池的密閉性不好，假如長時間得不到清理，死水區便容易聚集大量的細菌，內壁容易附著污垢，使得居民生活用水從源頭受到了污染；

3)消耗能源。傳統的二次供水方式需要對水進行二次加壓，不能有效利用市政管網中原有的水壓。為了解決傳統供水方式存在的問題，疊壓供水設備被開發出來。

1 疊壓供水設備的工作原理

1.1 疊壓供水設備的組成

市場上現有的疊壓供水系統一般由水泵、氣壓罐、傳感器以及相應的自動控制系統構成。

1.2 疊壓和節能原理

疊壓供水方式不需要再設置低位的水池，利用了管網當中原有的水壓。因此，水泵的揚程(如圖1所示)可表示為：

H2=H1-h1。

h1=h0-∑h。

式中：H2——疊壓供水系統中的水泵揚程，m；

H1——設置低位水箱時水泵應具有的揚程，m；

h0——市政管網接入點的水壓，m；

∑h——市政管網接入點到水泵進水口的沿程損失和局部損失之和，m；

h1——水泵接入口處靜水壓，m；

疊壓供水之所以節能，是因為市政管網里原有的水壓得到了利用。

2 市售疊壓供水設備的特點

2.1 市售疊壓供水設備分類

市售疊壓供水設備一般可分為罐式、箱式以及管中泵三種。這些設備一般有穩流裝置、水泵機組和控制系統構成[3]。

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

罐式與箱式疊壓供水設備中都設置有穩流罐，它的作用是避免水泵從管網中取水過量。常見的穩流罐形式可分為帶囊式結構的穩流罐和不帶囊式結構的穩流罐。當系統正常運行時，穩流罐是一個壓力容器，罐內的壓力為市政管道的水壓。

2.2 水泵機組特點

疊壓供水和變頻恒壓供水的結合是特定的經濟體制作用下的產物。同型號水泵的并聯運行在一開始被大多數學者認可，但是隨著水泵性能的提升和新材料的研發，大小水泵的組合在工程實踐當中被廣泛應用后，大小泵的并聯運行逐漸受到認可。但是相對于大流量的泵站，建筑的供水量偏小，因此水泵機組的臺數一般不多于4臺。除此之外，變頻器的應用使得用于建筑給水系統供水的水泵與水廠、泵站的水泵有明顯差異，這也是疊壓供水設備在優化過程中遇到的難點。

2.3 氣壓罐特點

疊壓供水設備中的氣壓罐雖然來自于氣壓給水方式，但是前者的壓降一般在0.01 MPa～0.05 MPa之間。因此，倘若應用氣壓給水當中的設計計算公式加大氣壓罐的體積，無法滿足實際應用。不用的疊壓供水設備制造廠商在設計氣壓罐時，雖然沒有按照統一的設計方法來進行，但是所制氣壓罐的基本構造是類似的，即使用囊式結構將氣與水分隔開，并將橡膠囊作為儲存水的空間，氣體存在于囊和氣壓罐之間。在設備出廠前，制造廠商將一定量的氣體充入氣壓罐，當疊壓供水設備運行時，管內的氣體被囊中的高壓水壓縮，氣與水在同一時刻達到出水壓力。

2.4 控制系統特點

穩流設備的控制主要體現在對泵的啟停以及流量控制器的控制，它的具體形式依穩流形式而異，不帶囊式結構的穩流裝置控制系統比帶囊式結構的簡單。

不帶囊式的疊壓供水設備一般采用機械控制，利用排氣閥使得穩流罐和外界環境相通，市售的不帶囊式結構的疊壓供水設備多采用機械措施，即用排氣閥將穩流罐與大氣相通。隨著供水量的提升，穩流罐內的液面上漲，排氣閥處在閉合狀態，管內的壓力得到恢復。當供水量不斷減少使得液面降低到一定高度時，水泵被停止運行。排氣閥從打開到閉合的過程中，因為水源壓力的降低，水泵的運行工況會與高效區有所偏離，但持續時間并不長，而這種偏離對于供水的影響依設備性能的差別而異，這種運行工況的長遠影響根據設備安裝點不同是有個體差異的。試驗證明：影響偏離高效區時間長短和供水可靠性的主要因素是穩流罐的容積。

當穩流罐的進水管路上設有囊式結構的穩流裝置時，必須對流量進行控制，這個過程一般是通過流量控制器實現。為了確保閥門進口的壓力值不能過低，壓力傳感器將感知到的壓力差信號傳遞到控制中心，由控制中心計算并調整閥門的開啟程度，直到閥門被完全關閉為止。帶囊式結構的罐式疊壓供水設備沒有設置排氣裝置，當高壓水被消耗完畢后，水泵需停止運行，此時，所有居民的供水被中止。

3 疊壓供水設備的評價

3.1 優點

3.1.1改善供水管網管徑

新型供水設備、技術的開發及應用對城市原有供水管網的水質和水量保障提出了新的要求。這些設備的入水流量一般是不能高于市政管網的。而疊壓設備的應用使得水池和高位水箱等儲水設施無需再進行規劃和設置。當管網的服務面積過大時，時變化系數和供水量迅速增加，容易造成管網內的壓力大幅度波動。因此有規定表明，應用了疊壓設備的供水管網管徑至少要比正常情況下的高兩個等級，這樣才能有效避免用水高峰時期管網水壓過低導致的供水不足現象。

3.1.2供水水質得到保證

疊壓設備無需設置水池和水箱，因此可以省去定期的維護和清洗工作，并且多采用封閉式運行的設計。這樣一來，富含細菌和病毒的污垢難以進入供水系統中大量繁殖，避免了二次污染的不良影響。除此之外，疊壓設備多采用食品級不銹鋼材質制成，不會在使用過程中影響水質。

3.2 局限性和不足

傳統的供水設備一般要配置水池，水池的容積一般是根據進水量和用水量的差值來計算確定的。水池具有調節供水功能，即便管網出現短暫的壓力不足，建筑內的供水依然可以得到保證。而疊壓設備取消了水池，設備內部的儲水量難以滿足市政管網停止供水時建筑內居民的用水需求。

除此之外，疊壓供水的應用條件比傳統的二次供水方式更為嚴格。盡管這種技術能夠解決傳統供水方式存在的一些問題，但是難以在實際工程中得到完全的應用。據天津市出臺的《疊壓供水技術規程》規定了六種嚴禁使用疊壓供水方式的情形，包括：

1)市政管網水壓低于0.22 MPa的區域；

2)供水量負擔過重的區域；

3)疊壓設備使用密度過大區域；

4)必須保證供水連續性的區域；

5)用水時間集中并且時變化系數過大的區域；

6)化工、醫藥、印染等可能會危害公共供水安全的企業用戶。

4 疊壓供水設備的適用條件

疊壓設備不但占地面積小，而且能保證供水水質的安全性，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管徑不能低于300 mm，并且疊壓設備的進水管要比供水干管低兩級以上，或者不超過供水管道界面的1/3，此時疊壓設備進水管管徑與供水干管的管徑配比不能超過65/100,80/150,100/200，并且，使用疊壓設備的區域內供水壓力不能低于0.22 MPa。

當對疊壓設備的使用進行評估時，不但要綜合考量管網的具體布置形式，而且要對區域內外用戶的用水特性進行調研。具體來講，可從以下角度進行評估：

1)為保證供水管網的壓力穩定，在管網局部壓力過低以及用水量變化較大的區域不宜使用疊壓設備。但是，在靠近管網源頭的區域，由于管道內的水量波動不夠明顯，供水的可靠性能夠得到保證，因此可以設置疊壓設備；除此之外，對于高區的水泵機組而言，通過一定的設備調配和變頻控制后，能夠保證水泵在15 m水頭的區間內保持高效運行，來應對管網供水壓力的變動。

2)當區域內用戶的集中度過高，或者供水的持續性必須受到保證的情況下，不宜設置疊壓設備。

3)若用戶的用水時段能夠與主流用戶的用水時間錯開，可以選用疊壓設備。比如，當主流用戶的用水時間主要分布在日間，而項目用戶的用水時間分布在夜間，那么采用疊壓設備的使用不會對主流用戶造成影響，并且達到了節能的目的。

4)當區域內疊壓設備應用的密度較大時，需要使用管網平差或者數值模擬的方法對采用疊壓設備前后管網內的壓力波動情況進行模擬，保證新加入的疊壓設備不會對其他用戶的用水造成影響。

近幾年，各地的主管部門已出臺了多項與疊壓設備應用有關的規程和通知，如北京市自來水機關出臺的《關于二次供水安裝使用無負壓加壓供水設備的暫行規定》。這些規定的共同點在于對疊壓設備的供水量、允許接入市政管網的管徑和最小壓力進行了規定。

5 結語

疊壓供水方式近幾年的快速發展，得益于其相對于傳統的供水方式，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水壓，并有效避免二次污染。但是當對擬采用疊壓設備的項目進行評估時，不應拘泥于對單個供水設備性能的強調，而是應當從整個供水系統的節能性和水質、水量安全性的角度出發進行評估。與城市給水管網系統的中遠期規劃相符，合理地使用疊壓設備，就可以在保證用戶供水可靠性的前提下實現城市供水管網系統的優化。