建筑安装工程水系统中气压罐的运用

上海建工五建集团有限公司 上海 200063

1 气压罐工作原理及分类

1.1 气压罐的工作原理

利用波义耳（Robert Boyle）气体定律：PV/T=n（P为压力，V为气压罐气体体积，T为温度），即在一定温度下气体压力P与容积V的乘积等于常数的原理，利用水压缩性极小的性质，用外力将水储存在罐内，气体受到压缩压力升高，当外力消失，压缩气体膨胀可将水排出[1,2]。

1.2 气压罐的分类

气压罐分为补气式气压罐和隔膜式气压罐[3]。

补气式气压罐的特点是水气接触，经过一段时间后，部分空气溶入水中，使调节水量减少，所以需要定期进行补气；隔膜式气压罐的特点是水气分离，水进入橡胶囊的内部，橡胶囊的外部与罐体之间充满惰性气体，以氮气为多，由于水气分离，所以不会产生气体溶解于水的情况，可一次充气，长期使用。

2 工程气压罐的运用[4-7]

2.1 工程概况

上海市儿童医院普陀新院总建筑面积为72 512 m2。地上建筑面积51 612 m2，地下建筑面积20 900 m2。安装工程主要水系统包括给水系统、热水系统、消防喷淋系统、空调供回水系统，以上系统中均配有1 个或多个气压罐。

2.2 给水系统中气压罐的运用

本案例工程中，地下室采用市政给水管网直接供水。1～5层裙房采用生活水池→生活恒压变频供水设备供水（此供水设备中配有气压罐），6～13层采用生活水池→生活水泵→屋顶生活水箱供水，其中病房11～13层采用屋顶生活水箱→生活恒压变频供水设备增压供水（此供水设备配有气压罐）。

从以上系统介绍中可以看出，建筑安装工程给水系统中气压罐的运用通常是与变频泵配套的，当系统中水的压力大于气压罐内气体压力时，系统中的水会在压力的作用下被挤入气压罐的气囊内，罐内气体受到压缩，体积减小，根据波义耳气体定律，气体体积减小则压力增大，直到系统水的压力和罐内气体压力达到平衡才停止进水。当系统中水的压力开始流失时，气压罐内气体的压力大于系统水的压力，气压罐气囊内的水在罐内气体的压力下被排出，补充至系统内，根据波义耳气体定律，气体体积增大则压力减小，直到两者的压力再次达到新的平衡。

由于变频泵的启停包括功率大小通过压力传感器的指令进行，生活用水量的变化曲线较大，而且具有明显的时间特性，当变频泵处于停止状态，而系统中的水因小流量的使用或泄漏而致使管网中的压力少量流失，未配置气压罐的系统中，变频泵会因此类小流量的使用而频繁启动，而启动不多时又因压力回到设定值而停止，这样频繁的启停对水泵的使用寿命造成相当的影响。而设置了气压罐的系统中，此时气压罐就起到为整个系统补水的作用，调节系统压力的波动，减少变频泵启动频率，在减少用电的情况下，也间接延长水泵的寿命。

这里我们需要注意的是，气压罐选型的预存水量不是气压罐的有效容积，而是气压罐在稳压泵恒压值与压力下限（也就是起泵压力）范围内的调节容积。在给水变频系统中，要最大限度地利用气压罐的调节容积，我们可以把气压罐的预充压力值和变频泵的压力下限（起泵压力）调节为一致，按照理想状态，当气压罐内的水全部补充到系统中时，变频泵恰好起泵。例如，某个系统的恒压值为P1=0.3 MPa，而变频泵压力下限设置为P2=0.1 MPa，气压罐的选型体积为V=100 L，根据波义耳（Robert Boyle）气体定律：

式中：V1——0.3 MPa管网压力下气压罐内氮气的体积（L）；

V2——0.1 MPa管网压力下气压罐内氮气的体积（L）；

P——气压罐的预充压力值（MPa）；

当气压罐的预充压力值和变频泵的压力下限（起泵压力）相同时，气压罐的调节容积：ΔV=V－V1=50 L。

通过以上计算，在系统管网达到恒压状态，同时气压罐的预充压力值和变频泵的压力下限（起泵压力）调节为一致时，气压罐可以对系统的补水量为50 L。

另外，给水系统中的气压罐一般设置在水泵出口位置，由于水泵开启和停止时会对管网造成水锤冲击，气压罐可以通过其罐体与气囊之间的氮气吸收一部分冲击力，减少水泵启停时对管道及阀门的冲击，间接延长整个管网的工作寿命。

2.3 热水系统中气压罐的运用

本案例工程中，地下室（厨房）、1～5层裙房采用全日制供应热水，机械循环。病房楼采用定时供应热水，机械循环。热水采用闭式系统，管网敷设形式为6～13层、地下室、1～5层每层设置热水供回水管。供回水管同程设置，热水供水温度60 °C，冷水计算温度5 °C，管网末端热水供水温度不低于50 °C。地下室热交换器机房设置导流型容积式水-水热交换器、热水循环水泵、密闭式膨胀水罐。

从以上系统介绍中可以看出，热水系统一般采用的是闭式循环系统，而闭式循环系统为了保持整个系统中水力工况的稳定，必须设置定压装置，以保持热水系统中某一点的压力保持不变。众所周知，物质都存在着热涨冷缩的特性，水也不例外（当然，温度过低，水结成冰的情况下体积也会增大）。本工程热水系统是一个热交换的过程，水在升温的过程中，其密度减小，体积相应增大，由于水为不可压缩物质，随着管网中水的体积的增大，压力也随之增大，如果不能及时释放增大的那部分体积，系统会超出其额定工作压力，那对整个管网是一个相当大的风险，因此在热交换器的顶部通常都设有安全阀，当系统的压力超出安全值时，安全阀会自动打开排掉多余的那部分体积，压力下降恢复到正常值时，安全阀自动关闭。当系统温度变化频繁时，安全阀也相应频繁地启闭，对阀门的使用寿命造成一定的影响，同时出于节约用水的考虑，热水系统中引入的密闭式膨胀罐，同样利用了气体的可压缩性。当系统中水温升高，水的体积膨胀时，系统中的水的压力大于正常工作压力，同时也大于了膨胀罐内气体的压力，与膨胀体积相当的水被压入膨胀罐内，直到罐内压力与系统压力达到平衡；当系统中水温降低，水的体积缩小时，系统中的水的压力小于膨胀罐内气体的压力，膨胀罐内原先储存的水又被压回至系统中，直到两者达到新的平衡。在维持系统正常工作压力的同时，减少安全阀的开启次数，有效地达到了节水的功能。

2.4 消防喷淋系统中气压罐的运用

消防喷淋系统中稳压泵的运用其作用同给水系统稳压泵，案例工程中喷淋系统采用临高压系统（图1），屋面层高位水箱间设有喷淋稳压泵2 台（Q=1 L/s，H=24 m，N=1.1 kW）及气压罐1台（150 L），稳压泵启停泵压力分别为0.15 MPa和0.2 MPa。

图1 消防喷淋系统

根据相关国标中叙述，利用气压罐的P1、P2、Ps1、Ps2控制水泵允许工况，P1为最不利点喷头所需压力（同时也是气压罐初始充气压力）、P2为喷淋主泵启动压力，Ps1为稳压泵启动压力，Ps2为稳压泵停止压力。

式中：∑H——自动喷淋管道至最不利点喷头的沿程和局部压力损失之和（MPa）；

Ho——最不利点喷头规定的工作压力（MPa）；

Hr——报警阀的局部水头压力损失（MPa）；

Z——最不利点与高位水箱间的几何高度（m）。

式中：αb——气压罐的工作压力比。

案例工程中，稳压泵起泵压力为0.15 MPa，

即Ps1=0.15=P2+（0.02～0.03）取0.02，

P2=0.13=（P1+0.098）/αb－0.098 ，

气压罐体积为150 L，查阅相关国标，取αb=0.8则P1≈0.085 MPa=∑H+Ho+Hr+Z。

最不利点与高位水箱的几何高度为－6 m，Z取－0.06 MPa；

根据国标要求，每个喷头的流量1 L/s，最不利点喷头的沿程压力损失和局部压力损失分别取0.01 MPa和0.01 MPa；报警阀的局部水头损失取0.01 MPa。

最不利点喷头的工作压力Ho=0.115 MPa＞0.1 MPa（国标中规定最不利点喷头工作压力不小于0.1 MPa）。

通过以上计算，稳压泵启停设计值满足设计需要，气压罐初始压力设定值为0.085 MPa。

2.5 空调供回水系统中气压罐的运用

本案例工程中，冷冻水系统采用定压罐稳压、补水。热水锅炉系统采用定压罐稳压、补水。

在空调供回水系统中，结合了给水系统和热水系统的特点：补水和定压，空调供回水系统需要补水以保证系统中的水因少量流失而造成供冷、供热量的不足；需要定压以保证系统中的水温度的变化而造成系统中压力的波动，保证系统中不倒空、不气化。

补水，其原理与给水系统相同，当系统中的水因故少量流失时，气压罐内的水可以补充到系统中，达到补水的作用，同时也减少了补水泵频繁的启停，延长补水泵的工作寿命。

定压，其原理与热水系统相同，当空调供回水系统中的水因温度升高而体积增大时，气压罐吸收因受热膨胀多余的那部分水的体积，同时定压补水系统中设有电磁阀、安全阀，当压力超出额定值时，电磁阀、安全阀自动开启进行排水，保护整个系统工作安全；当系统中的水温度降低而体积减小时，气压罐补充因遇冷收缩的那部分水的体积补充系统的压降损失。

3 结语

气压罐因其具有一定的补水、定压的功能，可在建筑给水、热水供应、消防喷淋和空调回水等系统中运用，从而减少相关控制泵的启停次数，以此延长泵的工作寿命，并节约电能的使用，从而取得良好的社会效益和经济效益，可在类似工程中推广使用。