建筑給水二次增壓系統的選擇及設備安裝

張宗團

中鐵城建集團有限公司 湖南 長沙 410000

引言

在城市化進程不斷加快的過程中，為滿足人們對美好生活的追求，新建建筑不斷增多，基于土地資源的緊缺和工作生活的需求，現代建筑趨于高層化、密集化[1]，導致早初設計建設的城市供水管網處于高負荷狀態運行，因此出現用水高峰期水壓不足、斷流等現象，但人們對供水質量的要求卻在同步提高[2]，這兩者矛盾日益突出，然而調高市政供水管網壓力和增大市政管網輸水管徑將大大增加建設及運行成本，且會因城市道路開挖引起交通堵塞等棘手問題[3]，所以在不能滿足水壓要求的建筑內增設二次加壓設備，通過經濟技術比選和數據分析，按照實際情況擇優選擇二次供水方式不僅可以降低運行成本，也可避免引發以上社會問題。

1 工程概況

蘭州重離子醫學研究中心一期工程位于蘭州市城關區北面灘，是我國首臺重離子治癌設備的研發及調試中心，位置偏于市政供水管網末端，市政給水管網供水壓力白天高峰期最低值僅為0.08MPa，夜間最高為0.22MPa，設計供水壓力為0.35MPa，因此在項目投入使用后建設單位為確保設備的調試進度，要求新增一套二次供水增壓設備，初期設計方案為以氣壓罐+變頻調速泵聯合的無負壓二次供水方式[4]，設備安裝完成后，在調試中出現了變頻調速泵不啟動現象，造成了一起一般施工質量事故，后將二次供水方式變更為變頻泵+給水水箱方案。

2 建筑給水二次增壓系統類型

目前，建筑二次增壓供水主要有變頻泵+給水水箱方案和以氣壓罐+變頻調速泵聯合的無負壓供水兩種方式[5]。前者利用市政管網的壓力在水箱中蓄水，然后通過變頻泵向建筑給水系統加壓供水，優點在于有較大容積的蓄水水箱（池），可起到緩沖調節作用，在供水高峰期，不會對管網水壓造成不利影響，且安全穩定，建設成本低；弊端在于城市管網壓力沒有得到最大化利用，造成能量浪費，且需安裝體積較大的給水水箱，也會造成水質二次污染[6]，需加強后期水箱的清理保潔工作。后者以不銹鋼穩流調節罐作為進水儲水緩沖裝置直接與市政管網相連，通過監測市政管網壓力，微機自動控制子變頻器啟動，調節水泵轉速，直到管網壓力上升到用戶所需壓力，并控制水泵以一恒定轉速運行進行恒壓供水，設備直接串聯在自來水管網上，不用建水池[7]。夜間小流量供水及自來水管網壓力不能滿足要求時，氣壓罐可貯存并釋放能量，避免水泵頻繁啟動，弊端在于因為需要管道中必須有充足的水量，如市政給水管道水壓低于0.2MPa，氣壓罐中將會無法注入水，或者水量不足，導致系統無法啟動。

3 變頻泵+給水水箱的二次供水方式

變頻泵+給水水箱的二次供水方式除了水箱和變頻泵外還有進出水管、變頻控制柜、控制閥門、軟連接件等。在二次加壓供水系統設計時，因隨著水箱進水管的不斷減小，市政管網的壓力波動幅度就會變小，而且進水量也可以有效確保用戶的用水需要，因此應當將生活水箱進水管管徑進行適當減小。蘭州重離子醫學研究中心一期工程供水管為DN150，二次增壓水箱進水管設計為DN100。

3.1 給水水箱水位的控制

3.1.1 高水位控制措施：水位控制目前應用最多、最簡單的是在水箱進水管上設置一浮球閥，當水位到最高限位時，浮球依靠水的浮力向上浮起，帶動與其連接的杠桿抬起使得管路上的活塞往外推，活塞頂端安裝的密封橡膠墊圈堵住了管路進水，相應的水位最低時杠桿往里拉，密封橡膠墊圈打開，從而達到水位控制[8]。雖其成本低，但因杠桿與管路相連處易生銹，造成浮球閥失靈，安全可靠性較差，且僅可瞬間啟閉，對市政管網壓力產生影響，導致其壓力出現波動。遙控浮球閥可解決上該弊端，其主閥安裝于管網進水管上，小浮球安裝于水箱內（并非水箱進水管上），為防止其與水接觸導致生銹，將杠桿加長后使其高于最高水位以上，遙控式浮球閥工作原理相對比較復雜，小浮球與主閥間通過一管徑較小的管路相連，在工作時主要是基于小浮球壓力感應對主閥啟閉進行控制；該種啟閉方式表現出滯后性特點，在利用液壓水位控制閥時，尤其是在其啟閉過程中，水箱進水管上的壓力變化會在幾秒鐘的時間內緩慢的完成，可利用液壓水位控制閥能夠降低建筑二次供水對市政管網產生的壓力影響[9]；另外主閥一旦有雜質進入泵體，就會造成其失靈，所以在其前安裝一過濾器，過濾器必須按時清理，一般和水箱清洗為同周期。

3.1.2 低水位控制措施：低水位是為防止水箱內水位過低后造成變頻泵內形成真空，電機空轉后損壞水泵，因此其控制結果為在水箱內水位最低限時變頻泵自動停止運行，控制過程為：當水箱內水位達到最低限度時控制變頻泵啟動的接觸器斷開，控制工具為在水箱中安裝一個電纜浮球開關，電纜浮球開關是利用重力與浮力的原理設計而成，主要包括浮漂體，設置在浮漂體內的大容量微型開關和能將開關處于通、斷狀態的驅動機構，以及與開關相連的三芯電纜，當漂浮體的頭朝上（水位高于低水位最低限制點）時微型開關處于通的狀態（控制變頻泵的接觸器吸合），當漂浮體的頭朝下（水位低于低水位最低限制點）時就處于斷開狀態（控制變頻泵的接觸器斷開）。

3.2 給水水箱的安裝及維護

給水水箱常見有混凝土和不銹鋼類，前者是通過澆筑得到剪力墻式水箱壁，在澆筑時預埋進水管、出水管等柔性防水套管，所有其建設應與整體建設統一設計、統一建造，其技術比較成熟[10]。不銹鋼水箱是通過內部鋼架和不銹鋼鐵皮焊接組成，其防腐性能較好，且相比于混凝土水箱質輕60%以上，因其是后加工而成，形體可根據建筑隨意設計，盡可能不浪費建筑空間，安裝步驟如下。

3.2.1 計算水箱容積及尺寸。水箱容積應保證在一個正常工作周期內（一般為一天）的用水量正常供給，在實際計算時，考慮到外網供水流量小于該建筑物所需的設計秒流量且外網壓力不穩定，建筑給水排水設計規范明確說明此時應設置生活調節水池（即二次增壓水箱），二次增壓水箱有效容積應按水池進水量與用水量變化曲線計算確定，當資料不足時，按最高日用水量的20%～25%確定，最大不大于48h用水量。而最高日用水量在設計說明中會有明確的說明。這個計算結果可能有較大的誤差，導致水箱內的一些水沉積，水質惡化，詳細計算應按照建筑用水高峰期時的出水量和此時補水量間的關系來精確計算。其與兩者的流速緊密相關，在計算前需獲取準確的用水量和市政管網壓力，先設定一個計算水箱容積，計算得出一個周期內高峰期結束至下一個高峰期來臨前時水箱內實際水量，水箱的有效最小容積通過下式調整得出：

K=用水高峰期的用水量-（用水高峰期前水箱余水量+用水高峰期間需補水量）

式中，K為用來衡量預先設定水箱體積的準確性（L）

如計算得出的K值為負，則說明預先設定的水箱容積過小，可根據計算得到的水箱容積值的絕對值與設定值之間差值的大小來放大設定值，相反縮小設定的水箱容積，調整的最終結果為計算的水箱有效容積盡可能的接近設定值。但在實際中，每天用水高峰期用水量不盡相同，每天同一時刻的用水量與市政供水管網的供水壓力也并不同，因此求得差值并不是每天統一，可求得中位數可以作為水箱有效容積，計算過程工作量大，但結果可靠。

在確定了水箱容積后對水箱構造尺寸進行設計，為保證在市政供水管網壓力最低時依然可以向水箱補水，水箱進水管高度不得大于進水水平管處的供水壓力值，例如進水水平管處的供水壓力值為0.05MPa，水箱進水管與進水水平管的差值必須小于5m，水箱尺寸的高度為上述的差值再加上進水水平管與水箱支墩間的高度差（如進水水平管與水箱支墩間的高度差為負，就應該為差值再減去進水水平管與水箱支墩間的高度差）。水箱長寬的尺寸應該按照水箱間的有效利用面積確定。因此水箱的高度也是初步確定水箱間的依據。

3.2.2 水箱基礎的施工、水箱的安裝。為方便安裝和維修,水箱條形基礎應高出地面15～20cm，承載力按照水箱的尺寸、容積和滿水后有效重量，并依據地基與基礎相關設計及施工規范計算，注意事項在后面詳細說明，具體施工工藝不再贅述。待基礎凝固，達到承載要求后再安裝水箱，安裝時必須用水準儀或水平尺測量基礎表面水平度，避免因條形基礎之間存在高差、水箱滿水后條形基礎各受力點受力不均導致水箱傾斜，進而引發水箱側翻。調整水平度時嚴禁使用木屑等易變形、易腐蝕類材料，使用橡皮墊時定期進行檢查，也可以在水箱上安裝密封的水柱測量點，當水箱的傾斜度達到0.4%時采取調整措施。調平后再焊接水箱，水箱按照圖紙焊接完成清洗注水，檢查水箱的嚴密性。

3.3 管路系統組成

管路系統組成如圖1所示。

圖1 變頻泵+給水水箱的二次供水方式系統組成圖

說明：電路系統的變頻泵控制箱、與電纜浮球閥及變頻泵相連的接觸器等為變頻泵的配套部分，未在圖上標注。

4 氣壓罐+變頻調速泵聯合的無負壓供水方式

氣壓罐+變頻調速泵聯合的無負壓供水方式優點是無須大體積水箱，減少占地面積，是目前二次供水首選方式，另外還大大改善了因前期規劃不周全、無足夠可用空間安裝水箱間時引發的一系列問題，使用中可以利用市政管網的壓力，可大大降低成本。系統示意圖如圖2所示。

圖2 氣壓罐+變頻調速泵無負壓供水方式系統組成圖

另外氣壓罐上自帶有壓力感測傳感器、管道上安裝電解壓力表等，加上控制柜及控制信號線，這就構成了全部系統。目前市場上無負壓設備有兩種形式：一種是進氣式，即在發生負壓時，靠罐外空氣對罐內的補入來消除負壓，實際上就是一個吸排氣閥，這種形式未真正意義上做到與空氣隔離，存在二次污染；另一種是不進氣式，相對前者結構更加復雜，主要是在產生負壓時，以壓力罐內的壓縮氣體推動平衡裝置，避免了負壓的產生，在負壓消除后，再利用市政管網的壓力，通過回氣裝置，將氣體回進壓力罐內[11]。

得益于成套設備的發展，氣壓罐和變頻調速泵設備廠家在出廠時已經將其系統連接為一個整體，在設備選擇時，只需提供建筑給水系統水泵揚程、水泵流量及其管徑，設備廠家就會提供整套設備參數，設備進場后，再根據現場情況來安排布置設備基礎等，成套設備安裝也較為簡單。

在設備安裝時，基礎澆筑完成后無須調整基礎水平面平整度，只需將設備自帶的基礎完成安裝即可。設備間的連接因成套設備間的波浪振動必須安裝軟連接，最始端和最末端的管道必須用支架固定可靠。

當自來水壓力能滿足用戶用水要求時，增壓泵通過變頻控制處于休眠狀態，當自來水壓力達不到用戶需求壓力時，水泵可以在自來水原有壓力（一般為0.2MPa～0.35MPa）的基礎上疊加增壓，差多少補多少。另外選用此形式前，必須測量市政管網高峰期時的供水壓力并提供給設備廠家。

5 二次增壓系統安裝施工注意事項

下面根據蘭州重離子醫學研究中心一期工程二次供水安裝中出現的一些問題，來說明在建筑二次供水改造中設備安裝需要注意的問題：

在供水方式選擇前，先要測定用水高峰期市政供水管網進入建筑時壓力，如小于0.16MPa，直接采用變頻泵+給水水箱方式。在超高層或者用水量特別大的住宅區、商業區，應采用給水水箱+氣壓罐+變頻調速泵聯合的無負壓供水方式。

安裝電纜浮球開關時如對其不做專門固定，當水位上升時漂浮體隨之上升，其漂浮時因不銹鋼水箱內有支撐水箱的角鋼架體，漂浮體有可能掛在角鋼上，造成漂浮體的端頭一直朝上，當水位低于最低限制時泵卻一直運行，導致水泵燒壞等。為了避免上述狀況，下面介紹一種簡易的防止措施。

電纜浮球漂浮體安裝前先應確定水箱最高水位高度（遙控浮球閥控制）和最低水位限度的差值，這個差值即為電纜浮球閥在水箱內控制伸縮的有效距離，如將電纜浮球閥電纜線頂端固定，其可移動范圍比較大，被掛在水箱角鋼支架上的概率就大增，如將低端固定，電纜浮球閥的電纜線與漂浮體間連接處就會承受過大的拉力，導致浮球閥損壞，尋找最為合適的“黃金分割點”可降低上述兩種風險發生的概率，或者將拉力消除掉，在低端直接固定，相對來說第二種方案較為簡單，而第一種方式隨著環境變化必須詳細計算。第二種方案的基本原理如下：

在焊接水箱時，根據進出水管位置確定好最低水位，在這個位置以上部位焊接一個連通體（其底部必須等于或稍高于最低水位），即寬度為漂浮體長度6倍或6倍以上、高度為大于等于3倍漂浮體長度、底部敞開的容器，在連通體最高處將電纜固定可靠，當水位上升時，連通體內漂浮體隨著上升，上升至上側頂住連通體殼時，其不再上升，當水位下降時，漂浮體隨著下降，直至其頭朝下，控制泵的接觸器斷開。當連通體內電纜長度控制在和漂浮體長度一致時，漂浮體可以自由活動，但又受控制。

與泵連接處采用軟連接，一方面在安裝過程中可以調節因管道、設備安裝偏差引起的法蘭間、連接處的縫隙和偏離，另一方面在設備運行時，因變頻泵的啟停引起較大管道波浪，久而久之導致管道支架不牢固，設備固定處松弛等問題。應在管道與閥門相接處、泵體與管道相接處等安裝軟連接。

水箱基礎和設備基礎的施工，應統籌規劃。不銹鋼水箱底座是由角鋼焊接而成，水箱的重力是通過角鋼向混凝土基礎傳遞的，因此在混凝土基礎施工前，就應該明確水箱底座的設計圖，底座應該處于混凝土基礎正中間，避免錯位。設備的基礎應該提前根據設備大小來規劃位置。

水箱等的定期清洗。生活用水水箱應每年清洗一次，同時應該清洗水過濾器，在此期間，還應檢查遙控浮球閥的安全性，電纜浮球的固定穩固程度等。定期清洗不得大于1年。

6 結束語

二次供水直接關系到人民群眾的身體健康和正常的生活需要，它關系到整個城市的建設與居民日常生活所需，必須加強對二次供水工程的設計與管理，采取科學的設計方案與施工工藝，提高施工水平，不斷完善管理制度，確保二次供水的水體質量，為用戶提供最及時的水源供應，采用科學的設計工藝，全面確保二次供水工程的科學設計與科學管理[12]。加強施工過程主動控制和被動控制，嚴格控制施工質量程序和施工質量行為，落實好風險應對措施，保證二次供水系統安全、適用、穩定、可靠、經濟等性能。