给水减压阀在工程中应用探讨

傅星帏

(福州城建设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年来，随着高层建筑越来越多，建筑高度越来越高，给水减压阀及减压分区在建筑设计中也越来越常见。在给水及消防系统中，合理地选用减压阀及设置减压分区以保证给水及消防系统的安全性及稳定性，是我们设计上需要研究及探讨的课题。本文主要介绍了给水减压阀分类、具体使用范围以及设计过程需要注意的一些细节。

1 给水减压阀分类[1]

减压阀根据工作原理可以分为3种：比例式减压阀、可调式减压阀及双级减压阀。

其中可调式减压阀根据工作原理及结构形式又可以分为4种：直接作用式稳压减压阀、先导式稳压减压阀、直接作用式压差减压阀及先导式压差减压阀。

2 各类型给水减压阀特点

2.1 比例式减压阀

比例式减压阀，阀后压力与阀前压力呈一固定比例。其减压效果好、阀体体积小、不需人工调节、维护安装便捷、价格低、使用寿命长，适用于进口压力稳定、出口压力值稳定性要求不高的场所。

2.2 可调式减压阀

稳压式减压阀出口的压力相对稳定，适用于进口有一定变化，但是对出口压力值的稳定性要求较高的场合。当设置减压分区需采用可调式减压阀时应选用稳压式减压阀。

压差式减压阀进口与出口的动态减压差相对稳定，适用于进口压力稳定，且动态减压差小于0.15MPa场所，一般在减压分区内供水压力超过0.2MPa进户管上设置，不能作为分区减压阀使用。

直接式减压阀结构相对先导式减压阀更简单，体积更小，但对应的减压管道口径较小(DN<50)；通常多用于减压分区内供水压力超过0.2MPa进户管、单个用水区域及减压管径小于DN50管道上。

先导式减压阀相比直接作用式减压阀增加了先导阀，利用水力控制主阀实现减压效果。其精度比直接作用式减压阀更高。在压力值精度要求较高的场合，或需减压管道管径较大(DN≥50)，建议采用先导式减压阀。

相比比例式减压阀，可调式减压阀运作反应灵敏，但是阀门构造相对比例式减压阀更加复杂，阀体体积较大，价格相对较高。

2.3 双级减压阀

双级减压阀是由两级串联减压装置组合而成的减压阀。用于单个减压阀减压比无法满足设计要求的情况。一般前级为比例式减压，后级为稳压式减阀。单级减压的性能与同类型单级减压阀相同。

3 给水减压阀主要技术参数(表1)

表1 给水减压阀主要技术参数[1]

注：减压比是减压阀进出口压力的比值，分为动压比及静压比。特别需要注意的是所有类型的减压阀(除了双级减压阀)减压比均不宜大于3∶1。对于比例式减压阀设计人员通常都会复核减压阀减压比，使减压比满足设计要求；但是在使用可调式减压阀时设计人员常常只根据国家标准《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003(2009年版)第3.4.9条，第1款“可调式减压阀的阀前与阀后的最大压差不宜大于0.40MPa，要求环境安静的场所不应大于0.3MPa。”[2]核对阀前与阀后的最大压差，忽略了若可调式减压阀减压比大于3∶1同样有可能会出现气蚀现象，导致系统工作的不稳定。例如减压阀出口压力为0.1MPa时，即使减压差小于0.4MPa，仍然有气蚀的可能。

4 生活给水系统案例分析

该案例为高层公共建筑，建筑高度小于100m，其中17F至24F为酒店。17F楼面相对标高66.15m(相对本楼±0.00，以下标高同)，24F楼面相对标高为91.7m。酒店设置集中热水系统，考虑冷热水压力平衡，冷热水系统采用相同的分区，且冷热水压力差不宜大于0.02MPa。如分别采用两组变频泵组供给冷水及开式热水系统用水，考虑到变频泵组出口压力波动值通常≥0.05MPa，因此两套变频泵组分别供给冷水及开式热水系统用水无法有效地保证冷热水压力值平衡。若采用一台变频泵组，同时供给冷水及闭式热水系统用水，虽然可以保证冷热水压力平衡，但闭式热水系统的维护运营相对复杂，且投资造价相对大于开式热水系统。

在该楼屋面有条件设置冷热水箱的基础上，设置冷热供水箱。冷水及热水箱底相对标高相同，均为104.75m。由地下室工频进水泵供水。水箱进水泵停泵水位相对标高106.95m。

因生活热水分区与冷水分区相同，同时热水系统较冷水系统增加了循环回水管道，所以仅以热水系统进行比选分析。

4.1 热水方案一

由于21F楼面相对标高80.75m与水箱停泵水位最不利相对标高106.95m相差26.20m，致使21F及以下各用水点的供水压力(扣除水损后的动压)大于规范0.20MPa限定值，需设置减压阀减压。方案一考虑采用集中减压方式，在17F至20F设置了减压分区。因为并联减压的方式适用于干管和总管减压，而且增加了供水的保证率，综合热水管道的设置方式，在21F(相对标高80.75m)楼板下并联设置先导式稳压减压阀组，阀后压力值0.09MPa，同时在17F设置热水循环泵，如图1所示。

图1 热水方案一系统示意图

根据方案一的减压分区，扣除水损后， 17F及21F供水压力(动压)依然大于0.2MPa。对照表1，比例式减压阀、稳压减压阀最小的动态减压差△P≥0.15MPa，供水压力扣除动态减压差后，供水压力值不足。为了确保减压阀在设计流量时出口压力稳定且考虑到供水支管管径均不大于DN50。所以采用单阀直接作用式压差减压阀作为支管减压，控制供水压力不大于0.2MPa。

4.2 热水方案二

因21F及以下各用水点的供水压力值大于0.20MPa需要配置减压，方案二考虑热水支管上设置减压阀，在各热水配水管上配置分支减压阀，为了尽可能保证减压阀后出水压力稳定，17F至20F设置单阀直接作用式稳压减压阀，21F设置单阀直接作用式压差减压阀，将压力值减压至0.20MPa以下。同时，屋面上设置热水循环泵，如图2所示。

图2 热水方案二系统示意图

4.3 两种方案的比选

热水方案一采用分区设置减压阀组，相比热水方案二的各支管减压阀在土建造价方面具有优势。

但因减压阀设置在热水供水干管上，导致17F至20F在阀后回水主管的压力小于20F以上的管网回水压力，所以需设置两套热水循环泵增压，两个热水分区的回水分别循环至热水箱。相对方案二的热水系统方案一增加能耗和设施(多设置了一套循环泵；17F～20F减压分区的热水循环泵扬程还需考虑减压阀减压损耗)。

其次，根据国家标准《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003(2009年版)第5.5.10条，第3款“循环水泵应选用热水泵，水泵壳体承受的工作压力不得小于其所承受的静水压力加水泵扬程。”[2]在热水系统减压阀仅设置于非循环管上(方案一21F～24F及方案二)，为了减少泵壳承受的静水压力；节省酒店楼层使用空间；在水泵气蚀余量满足水泵负压吸水的情况下，优先设置热水循环水泵于大屋面。但是设置分区减压阀组后(方案一17F～20F)降低了减压分区的静压及动压，为了避免热水循环泵负压吸水时，汽蚀余量无法提供足够的吸水高度，导致无法形成循环，需降低热水循环泵设置高度，在17F增设设备用房，该系统增加了循环泵泵壳压力，占用酒店楼层使用面积且存在噪音隐患。

综合节能、减少循环泵能耗和投资、建筑布局合理性等因素，设计上考虑采用热水方案二的热水系统。

若该工程仅有冷水系统，未设置热水系统，不需要考虑热水循环回水泵时，采用方案一可以减少减压阀数量，也便于后期的维护，方案一是较好的解决方式。

另外，热水系统设置的减压阀应注意采用热水型减压阀，因为不论是比例式减压阀还是可调试减压阀，它们的密闭部件、阀腔的隔膜等均有橡胶制品。热水系统中的供水温度一般都大于50℃，而普通型的橡胶制品若是长期处于高温环境下工作，会导致减压效果下降、密封性能降低。为了保证密闭性及减压效果，则需频繁地更换相应的零部件，这对系统运行及维修成本都带来不便和负担。设计人员应根据系统的运行温度，按国家标准《橡胶密封件给、排水管及污水管道用接口密封圈材料规范》HG/T3091-2000(适用于水介质温度达50℃管道所使用的橡胶密封件)及国家标准《橡胶密封件-110℃热水供应管道的管接口密封圈-材料规范》HG/T 3097-2006(2012)(适用于水介质温度达110℃管道所使用的橡胶密封件)的要求选择相应材质的减压阀组件。

5 消防给水系统案例分析

工程为高层公共建筑(建筑高度小于100m)，最高层25层楼面相对标高95.35m，消防水箱底相对标高106.6m，消防水箱最高水位相对标高108.1m；地下室底面相对标高-5.0m，低区减压阀组安装位置相对标高-1m，地下室消防水池最高水位相对消防水泵吸水口高度为2m。裙房共6层，6层楼面相对标高23.2m。

室内消火栓系统分为高低两区，每区最大静水压力均小于100m。裙房6层及以下为低区，7层以上为高区，低区环网的供水由高区环网经减压后供给，如图3所示。

图3 消火栓系统示意图

消火栓栓口动压不应小于0.35MPa，经计算消火栓低区环网所需压力值0.70MPa(位于低区减压阀出口处压力值)。该楼消防用水量40L/S。消防泵扬程1.6MPa(40L/S工况时)，对应零流量扬程为2.03MPa。

5.1 消防方案一

经计算水泵至低区减压阀组处动压P1=1.51MPa(在系统流量为40L/S时，扣除减压阀与消防水泵的高差及管道水损)。当消防系统减压阀进口压力超过1.20MPa时宜采用先导式减压阀，但若采用先导式减压阀，其阀前与阀后的最大压差不宜大于0.40MPa，而低区消火栓环网所需的压力值为0.70MPa。若考虑仅并联设置4组减压阀组时(根据规范要求，每一供水分区应设不少于两组减压阀组，每组减压阀组宜设置备用减压阀)[3]，先导式减压阀组无法满足需要，所以考虑并联设置四组比例式减压阀组。

比例式减压阀组的出口静压及动压采用下面的公式计算：

静压：P2j=P1/Bj

动压：P2=K×P1/Bj

式中：P2j——出口静压(MPa)；

P2——出口动压(MPa)；

P1——进口压力(MPa)；

Bj——静压比；

K——动压折减系数，K=0.7～0.9，该工程K采用0.9。

Bj=K×P1/P2=0.9×1.51/0.7=1.94，小于2∶1，故，低区减压阀组采用静压比为3∶2比例式减压阀组。3∶2比例式减压阀组阀后压力值P2=K×P1/Bj=0.9×1.51×2/3=0.906MPa。

校核消防系统最大工作压力(取消防水泵零流量时的压力、消防水泵吸水口最大静压之和)低区减压阀组进口处工作压力P1max=2.03(消防水泵零流量扬程)+0.02(消防水泵吸水口最大静压)-0.03(减压阀与消防水泵出水口标高高差)=2.02MPa。低区减压阀后比例式减压阀组出口处工作压力P2max=K×P1max/Bj=0.9×2.02×2/3=1.212MPa。

校核屋面消防水箱稳压。考虑减压阀出口静压为减压阀密封关闭后(无流量通过时)的出口压力，在减压阀接近封闭时，流量很小，水损忽略不计，则低区减压阀组进口压力P1x=1.066(消防水箱关阀水位)+0.01(减压阀组相对±0.00高差)=1.076MPa，低区减压阀组后静压P2j=P1x/Bj=1.076×2/3=0.717MPa。满足水灭火设施最不利点处的静水压力。

5.2 消防方案二

方案一为并联设置4组比例式减压阀的情况，现考虑设置4组串联在一起的减压阀。因为串联减压的减压阀，宜采用不同类型的减压阀；且第二级减压阀宜采用先导式减压阀。所以在方案一的3∶2比例式减压阀组后再串联一组先导稳压式减压阀组，阀后压力设置为P3=0.70MPa。

在40L/S的工况下，

△P=P2-P3=0.906-0.70=0.206MPa，满足稳压减压阀动态减压差。且减压比小于3∶1。

校核消防系统最大工作压力，低区减压阀组3∶2比例式减压阀出口处水压P2max=1.212MPa；先导稳压式减压阀组阀后水压P3max=0.70MPa,减压比小于3∶1。虽然规范要求可调式减压阀阀前与阀后的最大压差不宜大于0.40MPa，要求环境安静的场所不应大于0.3MPa，但考虑到水泵零流量工况持续时间很短，平时减压阀组仅处于准工作状态，气蚀和噪音不是首要考虑因素，该减压阀符合设计要求。

校核屋面消防水箱稳压，低区减压阀进口压力P1x=1.076MPa，P2x=K×P1/Bj=0.9×1.076×2/3=0.645MPa，由于先导稳压式减压阀设置的压力值为0.70MPa，故不能满足先导式稳压减压阀动态减压差，所以考虑独立设置低区稳压管道，供给低区消火栓环网稳压。

当系统设置有消防稳压设备时，也可以考虑相应提高消防稳压设备的设计压力，使稳压压力值提高，满足先导式稳压减压阀动态减压差。

5.3 两种方案比选

方案一虽然比方案二少设置了4个串联的先导式稳压减压阀及独立的低区稳压管道，但是方案一的最大工作压力P2max=1.212MPa大于P3max=0.70MPa。若采用方案一，低区消火栓环网管道系统工作压力值需抬高，系统承压能力加大，对造价的影响较大，所以设计上考虑采用方案二的消火栓系统。

6 结语

随着给水减压阀在高层建筑的生活给水及消防给水系统中的广泛应用，减压阀的选型、减压值的设定对生活及消防给水系统的运行起着至关重要的作用。

在实际工程应用中采用循环回水的热水系统宜位于非循环热水支管上设置减压，能有效节能、减少循环泵能耗并且循环泵的设置位置更加灵活；而非循环给水系统中分区集中设置减压阀则能有效节约初始投入资金，且便于后期维护。

而在消防给水系统的实际运用过程中，应根据各运行工况下不同减压阀的压力值状态，选取合适的减压阀用于降低减压分区的工作压力、节省工程造价。针对部分减压阀导致稳压压力值不能满足设计需要的情况，可以采用增加稳压压力值或对该分区独立设置减压，使消防系统满足计要求。

根据不同工程情况核对减压阀的要求及减压阀使用的局限性，合理地选用减压阀和设定减压值，使生活及消防给水系统达到稳定、节能、安全可靠等目标，是设计人员义不容辞的责任。

参考文献

[1] CECS109-2013 建筑给水减压阀应用技术规程[S].2013.

[2] GB50015-2003(2009年版)，建筑给水排水设计规范[S].2009.

[3] GB50974-2014 消防给水及消火栓系统技术规范[S].2014.