高層建筑給水方案的選擇與優(yōu)化

滕 飛

（福山供水公司，山東 煙臺 265500）

0 引言

在高層建筑建造的過程中，對給水方式進(jìn)行科學(xué)設(shè)計非常重要，給水設(shè)計方案的優(yōu)劣直接關(guān)乎給水工程的建造和整體的工程項目成本。在選擇給水方式的過程中，應(yīng)秉承經(jīng)濟、科學(xué)、安全的原則。在高層建筑進(jìn)行給水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的過程中，需要根據(jù)實際情況和該區(qū)域的用水特點，結(jié)合供水方案的經(jīng)濟成本，進(jìn)行綜合考慮，選擇科學(xué)合理的優(yōu)化設(shè)計方案。從而確保高層建筑的穩(wěn)定供水，達(dá)到良好的節(jié)能減排效果。

對高層建筑來說，相關(guān)的設(shè)計單位在對其進(jìn)行建造和設(shè)計的過程中，會根據(jù)當(dāng)?shù)毓芫W(wǎng)的分布情況和高層建筑的高度采用不同類型的給水方式。不同的給水方案具有不同的優(yōu)點，但也存在一定的局限性。基于此，本文對當(dāng)前常用的高層建筑給水方案進(jìn)行優(yōu)化，以期對降低高層建筑用水能耗工作有參考價值。

1 高層建筑給水方式

1.1 應(yīng)用高位水箱進(jìn)行給水

高位水箱是位于高層建筑物頂部外側(cè)的一種水箱，由水箱和水泵構(gòu)成。其主要功能是蓄水、調(diào)節(jié)水壓。通常，高位水箱的水是通過泵室內(nèi)的離心泵來供給。

對高層建筑來說，使用高位水箱進(jìn)行供水具有以下優(yōu)勢：（1）可以確保水箱內(nèi)部始終有水，進(jìn)一步提升供水效率和安全性；（2）可以起到穩(wěn)定水壓的作用；（3）減少水泵啟動頻次，整體的維護(hù)花費較少。但高位水箱也存在一定的局限性，如水質(zhì)容易遭受污染、占用公共建筑面積等[1]。

1.2 應(yīng)用氣壓罐進(jìn)行給水

除了應(yīng)用高位水箱進(jìn)行供水之外，部分地區(qū)還會使用氣壓罐來進(jìn)行給水。在供水的過程中，因可以充分利用氣壓罐內(nèi)的空氣壓縮性來對水量進(jìn)行調(diào)整，同時，當(dāng)氣壓罐的氣壓達(dá)到一定數(shù)值后，可以有效減少供水過程中產(chǎn)生的能耗[2]。而其中的水泵機組則可以依靠軟啟動模式來實現(xiàn)無水塔供水。氣壓罐供水的優(yōu)勢主要有以下幾方面：（1）供水過程中不需要水箱和水塔，可以有效降低荷載，適用于容易發(fā)生地震區(qū)域的高層建筑。（2）水質(zhì)相對干凈，不容易受到污染；（3）整體的建設(shè)成本較低，且管理方便。但是氣壓罐給水方式也存在一定局限性，常見的問題包括儲水量較低以及工作效率較差等[3]。

1.3 應(yīng)用變頻泵無水箱進(jìn)行給水

所謂的變頻泵無水箱給水本質(zhì)上是利用變頻調(diào)速水泵的方式進(jìn)行給水。變頻調(diào)速水泵將單片機變頻技術(shù)和水泵有機融合在一起，通過變頻調(diào)速來對水泵頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此來有效調(diào)節(jié)水泵電機的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實現(xiàn)對水壓和水量的有效控制。應(yīng)用變頻泵進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以不用建設(shè)高位水箱，省去相應(yīng)的建設(shè)成本。該方法具有以下優(yōu)勢：（1）節(jié)能環(huán)保，在壓力調(diào)節(jié)不變的情況下，可以根據(jù)用水量變化對水泵電機的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以減少能源消耗。（2）可以實現(xiàn)自動化速度控制，大幅提升給水效率。但變頻泵也存在一定缺陷，如價格相對昂貴，對工作場地的要求較高等[4]。

1.4 減壓分區(qū)給水

減壓分區(qū)給水方式主要利用減壓法以及分布在各個區(qū)域的減壓水箱進(jìn)行減壓。在給水的過程中，水泵直接將水源打入到分布在上層各個區(qū)域的水箱之中，然后由不同區(qū)域的水箱負(fù)責(zé)供水，這種利用分布在不同區(qū)域的水箱進(jìn)行給水的方式可以有效降低供水壓力，節(jié)約能耗。同時，也可以通過安裝減壓閥的方式來實現(xiàn)減壓。在高層建筑中應(yīng)用該給水方式，可以有效減少給水設(shè)備建設(shè)成本，且后期的維護(hù)和管理也比較簡便。同時，增加減壓閥進(jìn)行減壓，也可以減少對公共建筑面積的占用。但是該給水方法會導(dǎo)致低層區(qū)域的供水壓力減少，增加下層區(qū)域的水泵能耗[5]。

2 我國高層建筑給水方式的選擇

在高層建筑建造的過程中，給水方式的科學(xué)設(shè)計非常重要，給水設(shè)計方案的優(yōu)劣直接關(guān)乎給水工程的建造和工程項目的整體成本。在選擇給水方式的過程中，應(yīng)秉承經(jīng)濟、科學(xué)、安全的原則。一般情況下，市政供水管網(wǎng)的壓力普遍可以滿足高層建筑地下室、附屬建筑的用水需求。有些市政管網(wǎng)的供水壓力甚至可以滿足地上四到五層的供水壓力[6]。在挑選合適的高層建筑給水方式的過程中，如果想要節(jié)約建設(shè)成本，可以應(yīng)用以下模式：即能夠采用市政管網(wǎng)壓力供水的樓層，可以直接進(jìn)行供水。針對不能滿足供水壓力的樓層，根據(jù)實際情況選擇合適的給水方案。但是需要注意一點：在選擇供水方案的過程中，應(yīng)該充分考慮水壓需求。例如，建筑高度不超過100m的高層建筑，底層區(qū)域可以直接應(yīng)用市政管網(wǎng)水壓進(jìn)行給水，中層區(qū)域可以采取用設(shè)置增壓閥的方式進(jìn)行供水，高層區(qū)域可以通過設(shè)置高位水箱的方式進(jìn)行給水。但建筑高度超過100m 的建筑，應(yīng)該采用串聯(lián)供水的方式，應(yīng)用調(diào)速閥門進(jìn)行供水。

3 高層建筑給水方案優(yōu)化設(shè)計策略

在針對高層建筑給水方案展開設(shè)計的過程中，需要綜合考慮多方面因素，不僅要考慮供水方案的經(jīng)濟成本，同時也要符合高層建筑的實際需求。不同的供水方案有其自身的優(yōu)勢和不足之處，需要綜合考慮。

3.1 挑選合適的增壓設(shè)備，提升供水穩(wěn)定性

為了進(jìn)一步提升高層建筑的供水穩(wěn)定性，在規(guī)劃給水方案的過程中，要挑選符合高層給水需求的增壓設(shè)備。常見的增壓設(shè)備為水泵，水泵作為給水工程的核心組成部分，可以穩(wěn)定提升供水壓力。在建筑物的給水工程中使用頻率較高的水泵為離心式水泵，離心式水泵具有費用較低、體積小以及便于管理等優(yōu)勢，應(yīng)用較為廣泛。在高層建筑給水工程中，水泵能耗是主要能耗，檢驗水泵能耗是否處于正常范圍內(nèi)，可以根據(jù)以下幾方面因素進(jìn)行判斷：（1）可以根據(jù)水泵的流量和楊程分析能耗；（2）可以分析水泵泵組的分配情況；（3）可以通過數(shù)據(jù)計算的方式分析水泵產(chǎn)生的能耗。在設(shè)計高層建筑的給水方案時，要根據(jù)水泵能耗挑選合適的水泵機組配置，以此來減少水泵無效做功，節(jié)約能耗。

例如可以通過應(yīng)用恒速+變速水泵機組來進(jìn)行給水。如果高層建筑采用水泵、無高位水箱的供水方式，此時應(yīng)用常見的離心式水泵會導(dǎo)致水壓不穩(wěn)定，可以利用恒速水泵和變頻調(diào)速水泵聯(lián)合供水的方式。當(dāng)高層建筑處于用水低峰期，此時變頻水泵會暫停運轉(zhuǎn)，恒速水泵開啟運轉(zhuǎn)，在恒速水泵的作用下，水泵的出水量和揚程穩(wěn)定，可以穩(wěn)定水量和水壓。在高層建筑的用水高峰期，此時恒速水泵停止運轉(zhuǎn)，變頻水泵運行，可以充分滿足用水高峰階段的不同樓層的用水壓力需求，可以有效提升供水效率。除此之外，在一些地質(zhì)水文條件比較特殊的區(qū)域，如高海拔地區(qū)的高層建筑，由于自身的海拔較高，可以利用氣壓給水設(shè)備來提升供水效率，即利用氣壓罐給水的方式進(jìn)行給水。

3.2 做好高層建筑給水工程水量的計算工作

為了更好地節(jié)約高層建筑給水工程的能耗，在對其給水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計之前，一定要做好高層建筑給水系統(tǒng)水量的計算工作。通過計算水量，不僅可以確定高層建筑的用水定額，還可以根據(jù)計算結(jié)果確定高層給水系統(tǒng)的管徑數(shù)值和管路的水頭損失。

在對高層建筑給水系統(tǒng)水量進(jìn)行計算時，必須準(zhǔn)確地確定供水定額和工程秒流量。用水定額就是用水對象在單位時間內(nèi)的需水量，這是衡量建筑物供水系統(tǒng)用水量的一個重要指標(biāo)，也是高層建筑設(shè)計時的一個重要參數(shù)。

在具體的設(shè)計中，要針對不同的用水量，對指標(biāo)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。在確定高層建筑供水設(shè)計秒流量時，考慮到高層住宅供水存在高峰期、低峰期和穩(wěn)定期三個階段，因此，在計算時應(yīng)充分考慮各時段的用水量，而不能單純地將高峰期用水當(dāng)作供水量。另外，要對供水系統(tǒng)進(jìn)行水力計算。在具體的計算中，首先要列出相應(yīng)的管道，并按照流量的大小來排序。

3.3 單獨建設(shè)生活用水水箱和消防水箱

在高層建筑給水水箱的建設(shè)過程中，很多施工單位為了節(jié)約施工成本，往往會將生活用水水箱和高層建筑消防水箱進(jìn)行合建。但是結(jié)合大量的案例調(diào)查分析可知，如果將生活水池和消防水池合建，會出現(xiàn)各類問題。為了確保供水穩(wěn)定性和供水效率，合建的消防水池和生活水池占地面積往往較大，同時合建水池的水質(zhì)也比較差。尤其是高層建筑的地下合建水池，不僅需要儲存消防用水，同時也承擔(dān)著生活用水儲存的任務(wù)。這類合建水池的更新時間往往比較長，水中的消毒氯氣數(shù)量不足，容易導(dǎo)致水中藻類以及微生物快速繁殖，水質(zhì)非常差。如果想要確保居民的生活用水質(zhì)量不受影響，往往要進(jìn)行二次消毒，在一定程度上增加運行成本。同時，合建水池還影響到了消防泵的正常運行，根據(jù)我國消防部門的要求，高層建筑的電動消防水泵每個月都要進(jìn)行試水運行，以此來檢驗消防泵是否能正常運轉(zhuǎn)。但是對合建水池來說，試水運行過程中產(chǎn)生的水如果重新進(jìn)入到水池中，必然會對水質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如果隨意排放又會造成水資源的浪費。如果將試水水資源隨意排放到室外的雨水井之中，可能會因為水壓過高對雨水井產(chǎn)生破壞。即便對其采取減壓措施，還可能會增加不安全因素。

除此之外，對合建的屋頂水箱進(jìn)行消防試水的過程中，如果生活水箱和消防管道的止回閥出現(xiàn)質(zhì)量問題，會導(dǎo)致消防管路中的殘余剩水回流，導(dǎo)致生活用水質(zhì)量下降。尤其是消防管路連接多處水箱的這類情況，會嚴(yán)重影響供水效率和供水穩(wěn)定性。綜合來看，對高層建筑來說，如果采用生活水池和消防水池合建，無論給水管路如何設(shè)計，均會導(dǎo)致水質(zhì)污染。由此可見，相關(guān)的設(shè)計單位在設(shè)計的過程中，可以將生活水池和消防水池分開建設(shè)，這樣才能不影響給水水質(zhì)。同時，即便需要消防試水，也可以將試水排水回流到消防水池之中。在高層建筑建設(shè)的過程中，受到地形等因素的影響，導(dǎo)致地下室的形狀是非常不規(guī)則的。而這類設(shè)備用房往往會布置在不影響地下車庫停車的區(qū)域，采用分層建設(shè)的方式對生活水池和消防水池進(jìn)行構(gòu)建，僅僅需要劃分出一塊面積較小且上部條件穩(wěn)定的區(qū)域即可。此外，在建設(shè)消防水池的過程中也可以將地下室的側(cè)板以及底板作為水池的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，雖然看似整體的造型復(fù)雜，但是結(jié)合整體的施工情況來看，卻可以有效節(jié)約建設(shè)成本，可以大幅提升建設(shè)單位的經(jīng)濟效益。

3.4 針對小高層建筑，采用無負(fù)壓給水方式

在一些高度不高的高層建筑中，建議應(yīng)用無負(fù)壓的給水方式進(jìn)行給水。即依靠穩(wěn)流補償器、真空抑制器、水泵、控制柜、控制儀表、管道、閥門等組件構(gòu)成的無負(fù)壓設(shè)備進(jìn)行給水。該設(shè)備可以通過負(fù)壓處理和變頻調(diào)速來實現(xiàn)對自來水管網(wǎng)水流速和水壓的自動化調(diào)節(jié)，在提升供水穩(wěn)定性的同時減少給水能耗損耗。在無負(fù)壓給水設(shè)備中，穩(wěn)流補償器屬于非常關(guān)鍵的組件之一，該設(shè)備不僅承擔(dān)著自來水管網(wǎng)和水泵直接的封閉作用，同時也可以較好地和真空抑制器進(jìn)行配合，實現(xiàn)對給水管網(wǎng)的無負(fù)壓和全密閉穩(wěn)定調(diào)節(jié)。而真空抑制器主要承擔(dān)著水流信號、水量、水壓等信號數(shù)據(jù)的反饋和處理工作，根據(jù)相關(guān)的數(shù)值，可以很好地平衡穩(wěn)流補償器的壓力，確保其不產(chǎn)生負(fù)壓。在無負(fù)壓設(shè)備正常運轉(zhuǎn)下，如果給水系統(tǒng)的進(jìn)水流量低于用水流量，此時穩(wěn)流器和真空抑制緊密配合，形成抑制負(fù)壓的狀態(tài)同時，穩(wěn)流補償器的儲備用水會在平衡力的作用下及時進(jìn)行供水，確保用戶正常用水。在穩(wěn)流補償器的作用下可以確保壓力處于穩(wěn)定閾值范圍之內(nèi)。在用水量降低進(jìn)水量充足的情況下，該裝置能夠充分利用管網(wǎng)的壓力，對供水系統(tǒng)的要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a償，以達(dá)到節(jié)約能源的目的。在裝置的進(jìn)水壓力大于或等于設(shè)置壓力的情況下，水泵就會停止工作，通過旁路管道將水供給到給水點；在不使用水或較低流量的情況下，根據(jù)所檢測的電流、電壓、頻率、水量等信號，自動將運轉(zhuǎn)的水泵調(diào)至“停泵保壓”狀態(tài)，再通過小流量的保壓管將水送到給水點，達(dá)到更高的節(jié)能效果。

4 結(jié)束語

綜上所述，在高層建筑進(jìn)行給水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的過程中，需要根據(jù)實際情況和該區(qū)域的用水特點，選擇科學(xué)合理的優(yōu)化設(shè)計方案。除了應(yīng)用變頻+恒速泵組合給水的方式之外，還可以通過分建消防水池和生活水池，采用無負(fù)壓設(shè)備供水等方式進(jìn)行給水，不僅可以確保高層建筑的穩(wěn)定供水，同時也可以起到良好的節(jié)能減排效果，符合我國的可持續(xù)發(fā)展政策和目標(biāo)。