高层无负压供水设备选型和容量的计算

刘慕双，杨荣章，安东升

(1.承德石油高等专科学校 机械工程系，河北 承德 067000;2.承德华远自动化设备有限公司，河北 承德 067000)

近年来，从市政供水管网直接接管加压以降低能耗、避免水质二次污染得到广泛的应用，泵站通过智能化设备达到安全可靠的自动控制。基于智能化供水加压设备的优点，及当前国内各大城市向国际化、现代化发展的大好形势，为市政智能化泵站的推广应用创造了良好的机遇，也提出了新的课题。无负压智能化供水加压设备是目前最为理想的解决方案，也有着广阔的空间得以推广应用。

1 无负压供水设备的工作原理及系统组成

1)无负压供水设备的工作原理:采用微机变频控制来调节泵的转速达到所需压力。根据实际情况设定用水压力，当供水压力低于用户用水所需压力时，微机自动控制自动变频器启动，使水泵提高转速，从而达到用户所需的供水压力，并维持此压力进行恒压供水，当供水压力高于用户用水所需压力值时，变频器控制水泵降低转速，保证用户用水压力的恒定和稳定，当自来水管网的自身压力不小于用户所需用水的压力时，这时水泵停止工作。设备充分利用了自来水管网的原有压力和系统的压力，并通过真空抑制器来抑制负压的产生，不会对市政的自来水管网产生任何不良影响，而且还保证了用户用水的安全性。

2)无负压设备系统的组成

设备主要由微机变频控制系统、负压检测及处理系统、水泵机组、稳流补偿器、真空抑制器、各种管件、阀门等构成。如图1 所示设备系统图。

2 无负压供水系统工作原理与特点分析

2.1 系统工作原理

通常在设计中，用户水泵都以系统最大压力和流量来设计选型，比实际需要的压力和流量要高，这样系统存在“大马拉小车”现象，导致电能的严重浪费，而且用户也无计可施，但利用变频器可以适当降低水泵运行频率从而降低转速，使供水压力恰到好处地与系统需要实时匹配，从而轻而易举地将部分电能节约下来，并使设备长期处于最优状态工作。

本系统主要以恒压力为目的，当管网供水压力高于设定压力时，水泵机组就会停止运转，自来水便可通过连通管网直接对用户供水，当管网供水压力低于设定压力时，设备自动进入接力升压状态，机组通过压力传感器、水泵及变频控制柜组成的闭环控制系统，随着用水量变化，不断调整水泵转速及投入台数，以保持供水压力。

如果一台水泵出现故障，系统可自动切换到备用水泵运行。如果变频器一旦出现故障，系统可切换到手动工作状态运行，即满足系统自动调节的稳定性和运行的经济性，又能保证一旦系统出现故障仍能保证运行的可靠性，如图2 所示。

2.2 系统特点分析

无负压供水设备与传统供水设备不同，其不用建水池或水箱，而且占地面积小，全封闭的结构杜绝了跑、冒、滴、漏、渗等浪费水资源现象.设备可充分利用市政管网自来水管道原有压力，来维持用户用水的压力恒定，其节能效果非常明显。无负压设备的结构为全封闭的，纯净的自来水经过设备加压后直接供到用户，密封连接，避免水质二次污染。无负压供水设备的变频器采用的是软启动方式，启动电流从零逐渐上升到额定电流值，电机在启动时及运转过程中均无冲击电流。其简单的操作，维护方便也使得设备的自动化程度大大提高。

3 设备参数计算

3.1 最大用水时卫生器具给水两平局出流概率U0(%)

根据住宅配置的卫生器具给水当量、使用人数、用水定额、使用时数及小时变化系数，计算出最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率［1］:

式中:从式中可以看出卫生器具给水当量平均出流概率U0由最高用水日的用水定额q0(按GB50015－2003 中表3.1.9 取用)，每户用水人数m(一般取4 人)，小时变化数Kh(按GB50015－2003 中表3.1.9 取用)每户设置的卫生器具给水当量数NR，用水时数T(24 h)决定。

(注:GB50015－2003 普通住宅Ⅱ型参考值为0.025 ～0.035)

3.2 管段卫生器具给水当量同时出流概率U(%)

计算管段上的卫生器具给谁当量总数，按3.6.4－2 式计算得出该管段的卫生器具给水当量的同时出流概率［2］:

式中:U 为管段卫生器具给水当量同时出流概率，αc是对于U0的系数(查表GB50015－2003 中附录表C)，Ng是管段的卫生器具给水当量总数。

3.3 根据计算管段上的卫生器具给水当量同时出流流量概率

按下式计算得计算管段的设计流量［3］:

从式中可以看出，管段的设计秒流量Qg是由管段卫生器具给水当量同时出流概率U 和管段的卫生器具给水当量总数Ng决定。

注:1)为了简捷快速的计算，在计算出U0后，然后再根据计算出的管段的Ng值，就可以从GB50015－2003 的附录表D 中查得给水设计秒流量。

2)如果计算出的管段的卫生器具给水当量总数超GB50015－2003 表D 中的最大值时，这时流量应取最大用水时的平均秒流量，计算公式［4］:

3.4 设备扬程

按照《建筑给水排水设计规范》(GB50015－2003)的规定，水泵直接供水时所需扬程按下式进行估算(以满足住宅楼最不利点用水要求时水泵所需扬程为计算依据):

设备扬程是水泵将水从水面扬至最高点的高度，水泵的扬程是选取泵的型号的一个重要参数，所以在选取泵的型号时，必须以这些参数为参考其中包括1)水泵满足最不利点的水压Hb;2)室内的最不利用水点的用水高度Hy;3)最不利配水点所需流出的水头Hc(一般情况去4 ～5 m);4)泵房距离最不利用水点的地势Hz。

式中的系数1.2 是给水管网在最不利点流量分配情况下，克服水泵出口至最不利点用水间的水头损失的系数。

∑H 水头损失计算:

根据《建筑给水排水设计规范》(GB50015－2003)第3.6.10 条款计算给水管道水头损失，如下式:给水管道的严惩水头损失i:

供水系统中水会在管道内有一个压头损失，也就是沿程损失，为了选取合适型号的泵，沿程损失也必须得考虑进来，而影响沿程损失的包括管道的计算内径dj，给水设计流量qg，还有海澄－威廉系数Ch。(注:各种塑料管、内衬(涂)塑料管Ch=140;钢管、不锈钢管Ch=130;内衬水泥、树脂的铸铁管Ch=130;普通钢管、铸铁管Ch=100)

4 结论

1)通过科学合理的无负压设备容量的设计和计算，可以避免城市供水管网产生负压的可能性，避免供水管路产生负压造成的水质二次污染。

2)通过计算无负压设备的扬程和流量可以有效的确保高层的水用户生活质量和用水安全。

［1］ 唐小猛.无负压供水设备技术分析［J］.广州大学学报(自然科学版)，2006(8):75－77.

［2］ 姜文源.建筑给排水技术现状及发展［J］.给水排水(增刊)，2007(5):15－17.

［3］ 张吉申.浅谈管网叠压(无负压)供水设备分类及工作原理［J］.给水排水(增刊)，2009(9):31.

［4］ 陈然，徐浩.无负压变频恒压供水分析探讨［J］.四川建筑，2014(2):217－219.