叠压供水设备对管网影响的评价探讨

何 鹰

（广东科学技术职业学院建筑工程学院，广东珠海 519090）

引言

《管网叠压供水设备》（GB/T 38594-2020）对叠压供水设备或者叫管网叠压供水设备的定义为：与供水管网直接加压串联供水，利用供水管网压力并保证满足用户水压、水量、水质，且保证不会影响供水部门规定的最小服务水头的加压供水装置。按调蓄装置的不同，叠压供水设备可分为无调蓄式、罐式、低水箱式和高水箱调蓄式四种类型。关于供水管网直接加压串联供水方式，我国最早在1964年实行的《室内给排水和热水供应设计规范》（GBJ 15-64）中已有条文规定。后来《建筑给排水设计规范》GBJ 15-88和1997年版都有相关条文。但由于没有解决回流污染和水压局部下降的问题，实际应用很少[1]。二十世纪八九十年代，日本率先研发和应用叠压供水技术，随后美国和欧洲也开始应用[2]。1997年，青岛三利集团第一台叠压供水设备问世，当时称为无负压供水设备。但这种技术并没有引起业内的重视，叠压供水设备也没有大量应用。直到非典型肺炎出现后，这种全封闭、安全卫生的供水方式才引起业内的关注[3]。2003年，建设部将叠压供水技术作为科技推广项目[1]，叠压供水设备在我国开始广泛应用。由于厂家对叠压供水设备优点的夸大宣传[4]，以及用户对叠压供水技术的陌生，使得叠压供水设备在使用中存在较大的盲目性。叠压供水设备使用较多的地区出现水压波动加剧、高峰用水不正常、水表空转等问题，用户投诉增多[5]。于是，相继有很多地区对叠压供水设备出台限制措施[3]。最具代表性的是天津市2007年出台《天津市管网叠压供水技术规程》，规定六种情况严禁采用叠压供水方式[6]。随后《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003，2009 年版）、《叠压供水技术规程》（CECS221：2012）对管网叠压供水设备的设置提出了要求[7]。《管网叠压供水设备》（CJ/T 254-2014）、《管网叠压供水设备》（GB/T 38594-2020）等行业和国家规范也相继出台。但这些要求和规定除了引入管流速及管径选择给出了详细的方法外，流量、压力等参数仅给出了原则性规定。具体到每个区域到底应不应该装，可以装多少台仍无法确定。下面将通过理论分析和实际使用数据来探讨叠压供水设备对管网整体的影响，给出叠压供水设备对管网影响的全面评价方法。

1.叠压供水设备对供水管网的影响分析

建筑给水方式对城市供水管网的影响主要体现在水质、水量和水压三个方面[8]。本文分析叠压供水设备在水质、水量和水压三个方面对管网的影响。

1.1 水质

相对于水箱（水池）加水泵供水方式而言，叠压设备因不设水池而减少了二次污染。但并不等于在卫生方面，叠压设备就可以高枕无忧。第一，由于叠压设备都是通过倒流防止器和管网连接，只要倒流防止器出现问题，用户端的水就有可能对管网形成回流污染。因此，医院、化工等可能造成回流污染的企业不宜使用叠压供水设备[9]。第二，叠压设备正常工作时其稳流罐相当于一段横断面突然扩大的大直径管路[10]。管网由于压力的波动会使沉积在管壁的污垢进入水中形成“黄水”。当“黄水”进入稳流罐时，过水断面突然增大，流速突然降低，污垢便在罐壁上沉积，即产生管网污垢迁移现象。甚至会因为部分水流长时间停留而造成细菌滋生[6]。因此叠压设备也要进行定期清洗和消毒。这一点往往没有引起足够的重视，很多设备使用多年没有清洗，而且还有不少人把不用清洗和消毒作为无负压设备的优点。第三，稳流罐分为带囊式和不带囊式。不带囊式的稳流罐利用进排气阀使得稳流罐和外界环境相通[11]，罐内水就有被污染的可能。至于低水箱式和高水箱调蓄式实际上是对传统二次供水的简单改进[3]，同样存在二次污染的可能。

1.2 水量与水压

水量和水压是直接相关的，水量增大时水压下降，水量减小时水压上升。因此下面一起来分析水量和水压。叠压供水设备是靠调蓄水罐（箱）来平衡水量与水压的。当管网水量、水压在短时间内不够时，由调蓄水罐（箱）进行补偿。当管网水量、水压不够的时间继续延长，超过调蓄水罐（箱）补偿极限时，水泵减速直至停机以维持管网最低水压要求[9]。当管网水量、水压在任何时候都足够时，调蓄水罐（箱）不工作。在管网水量、水压足够时似乎并没有什么问题，但情况并非如此，现讨论如下。管网设叠压设备供水的模式如图1所示。为方便讨论，假设用户全部装叠压供水设备，即Q1=Σqn。

图1 叠压设备供水模式图

如前所述，当管网水量、水压在任何时候都足够时，调蓄水罐（箱）不工作，稳流罐只相当于一段横断面突然扩大的大直径管路[10]，用户的需水量是多少，管网的来水量就是多少，即qn=qn1（n=1,2,3,···n）。用水低峰时，qn=qn1（min）（n=1,2,3,···n），此时水厂供水量Q1等于Σqn1（min）。用水高峰时，用户用水量qn1（max）也等于管网来水量qn。相应地，用户最高日最大时用水量qhn1也等于管网最高日最大时来水量qhn。此时水厂供水量Q1等于Σqn1（max）。相应地，管网最高日最大时供水量Qh1=Σqhn1。即在任何时候有：

式中：qn1（min）——用水低峰时用户的需水量，m3/h；

Q1——叠压设备供水模式下的水厂供水量，m3/h；

qn1（max）——用水高峰时用户的需水量，m3/h。

叠压设备供水模式下的供水时变化系数：

式中：Kh1——叠压设备供水模式下的供水时变化系数；

Qh1——叠压设备供水模式下的最高日最大时供水量，m3/h；

qhn1——用户最高日最大时用水量，m3/h；

Qd——最高日供水量，m3/d。

管网不设叠压供水设备而采用传统二次供水模式有两种情况，一是用户单设高位水箱，供水模式如图2所示。另一种是设低位储水池，再用水泵从低位水池抽水，供水模式如图3所示。先来讨论单设高位水箱的情况，为方便讨论，假设用户全部单设高位水箱，即Q2=Σqn。

图2 单设高位水箱供水模式图

对单设水箱供水模式而言，用水低峰时，用户用水量减少，管网压力升高，但管网可以继续向水箱供水，水箱水位上升，实际上是管网向水箱和用户同时供水。管网来水量qn（n=1,2,3,···n）等于用户用水量qn1（min）和水箱净进水量qjn2之和。此时水厂供水量Q2=Σqn1（min）+Σqjn2。用水高峰时，水箱水位下降，实际上是管网和水箱同时向用户供水。用户用水量qn1（max）等于管网来水量qn和水箱净出水量qcn2之和。相应地，用户最高日最大时用水量qhn1也等于管网最高日最大时来水量qhn和水箱净出水量qhcn2之和。此时水厂供水量Q2=Σqn1（max）-Σqcn2。相应地，管网最高日最大时供水量Qh2=Σqhn1-Σqhcn2。即在任何时候有：

式中：qjn2——水箱净进水量，m3/h；

Q2——单设水箱供水模式下水厂供水量，m3/h；

qcn2——水箱净出水量，m3/h。

单设水箱供水模式下的供水时变化系数：

式中：Kh2——单设水箱供水模式下的供水时变化系数；

Qh2——单设水箱供水模式下的最高日最大时供水量，m3/h；

qhcn2——单设水箱供水模式下的最高日最大时水箱净出水量，m3/h。

再来讨论设低位储水池的情况，为方便讨论，假设用户全部设低位储水池，即Q3=Σqn。供水模式如图3所示。

图3 设低位储水池供水模式图

对低位储水池供水模式而言，不管是用水低峰还是用水高峰，管网只向水池供水，即水池的进水量等于管网供水量。用户仅由水池供水，用户的用水量等于水池的出水量。用水低峰时，用户用水量减少，水池的出水量也减少，水池的进水量大于水池的出水量，水池水位上升。管网来水量qn（n=1,2,3,···n）在数值上还是等于用户用水量qn1（min）和水池净进水量qjn3之和。此时水厂供水量Q3=Σqn1（min）+Σqjn3。用水高峰时，用户用水量增大，水池的出水量也增大，水池的进水量小于于水池的出水量，水池水位下降。用户用水量qn1（max）在数值上还是等于管网来水量qn和水池净出水量qcn3之和。此时水厂供水量Q3=Σqn1（max）-Σqcn3。即在任何时候仍然有：

式中：qjn3——水池净进水量，m3/h；

Q3——低位储水池供水模式下水厂供水量，m3/h；

Qcn3——水池净出水量，m3/h。

同理，也可得出低位储水池供水模式下的供水时变化系数：

式中：Kh3——低位储水池供水模式下的供水时变化系数；

Qh3——低位储水池供水模式下的最高日最大时供水量，m3/h；

qhcn3——低位储水池供水模式下的最高日最大时水池净出水量，m3/h。

比较（1）式和（3）、（5）式，对于同一管网，Σqn1（min）和Σqn2（max）不变，那么，叠压设备供水模式水厂总供水量Q1的变化幅度大于单设水箱供水模式水厂总供水量Q2的变化幅度，也大于设低位储水池供水模式水厂总供水量Q3的变化幅度，其幅度差额就是用户水箱（池）的调节容量。根据水泵特性曲线，出厂水压H1的波动幅度大于H2、H3的波动幅度。也就是说叠压供水设备的大量使用将增大管网压力的波动幅度。比较（2）式和（4）、（6）式，叠压设备供水模式下的供水时变化系数Kh1大于单设水箱供水模式下的供水时变化系数Kh2，也大于设低位储水池供水模式下的供水时变化系数Kh3。

以上分析可知，当用水高峰时，管网供水量小于用户需水量，水箱（池）供水模式中的水箱（池）可以补充管网供水量的不足，而叠压供水设备流量储备有限，无法补充管网供水量的不足。为满足用户需求，供水厂二级泵房只能从清水池抽取更多的水量。即叠压供水最大时供水量Qh1大于水箱（池）供水模式最大时供水量Qh2和Qh3。当用水低峰时，用户需水量小于管网供水量，水箱（池）供水模式中的水箱（池）可以容纳管网供水量的富余，而叠压供水设备无法容纳管网供水量的富余。那么，清水池需要更多的容积来储存富余水量。因此供水厂的清水池将需要更大的调节容积。也就是说，叠压供水设备所缺少的调节容积需要清水池来填补。

南方某市自2006年开始在新开发小区使用叠压供水设备，至2012年整个市区已有近百个小区安装了近一百多台叠压供水设备。经过几年的使用，从2010年开始，清水池的调节容积满足不了供水需求，甚至二级泵房要被迫停泵蓄水。说明清水池调节能力降低与叠压供水设备大量使用有关。另外“黄水”、“黑水”的投诉也增加。该市安装叠压供水设备前后市区典型水压监测点的水压变化情况见表1。

从表1可以看出，2012年整个管网平均压力波动范围比2005年增加43.9%。监测点1为旧城区，由于基本没有安装叠压供水设备，压力波动范围增加较小（26.4%）。监测点4为新区，叠压供水设备安装较多，压力波动范围增加较大（64.9%）。说明叠压供水设备大量使用确实使管网水压波动幅度增加。并导致沉积在管壁的水垢被冲刷而重新进入水中，于是“黄水”、“黑水”现象增多。

表1 南方某市典型水压监测点的水压变化情况对比表 （单位：MPa）

2.叠压供水设备对供水管网的影响评价

叠压供水设备对城市供水管网的影响主要体现在水质、水量和水压三个方面。那么评价也是在这三个方面进行。

2.1 水质

相对于传统供水方式而言，叠压供水设备因不设水池而减少了二次污染已经得到业界的广泛认可。根据上述分析，仍然需要在以下几个方面做好防污染工作：

不得用于研究、制造、加工、贮存有毒物质、药品等危险化学物质的场所[1]，并根据回流污染的危害程度选择倒流防止器。回流污染的危害程度低的可选用减压型或低阻力倒流防止器，背压回流可选用双止回阀倒流防止器。倒流防止器应能实现在线检修，且每年在线检修不少于一次。

设备中所有过流部件材质的卫生要求应符合GB/T 17219的规定。

调蓄罐宜采用带囊式，采用不带囊式的要在进排气处安装空气过滤装置。

调蓄罐应预留消毒设施接口，Φ1400mm及以上的应设清洗人孔。带水箱调蓄的应配置消毒设施。水箱储水的停留时间不宜大于12小时，当停留时间大于12小时，应有强制循环控制功能并应设置持续消毒设备[1]。

2.2 水压

单台叠压供水设备启泵及运行对管网局部水压的影响并不大[12]，各地已经出台取水管路压降限制、水泵吸入口最低压力限制、管网接入最低压力限制、管网压降限制等水压限制措施[3]。但要注意叠压供水设备停泵对管网局部水压的影响，主要应对措施是变频减速停泵和安装水锤消除装置[12]。可以说叠压供水设备对管网局部水压的影响评价措施已经比较成熟。对于整个管网来说，根据前面的分析，叠压供水设备的大量使用增大管网整体压力的波动幅度，引起沉积在管道壁的污垢重新泛起而影响水质。由于水压与水量密切相关，可由水量的控制来控制水压。

2.3 水量

在局部范围内，业界已明确叠压供水设备不能超量从管网取水，各地也相继出台吸水管管径及流速限制、装机流量限制和叠压供水小区建筑面积限制等水量限制措施[3]。但对于整个管网来说，仍没有提出可行的评价标准。前述分析可知，叠压供水设备通过增大管网供水时变化系数而增大水厂清水池的调节容积。因此，水厂清水池的调节容积就决定了叠压供水设备的安装规模。管网所有叠压供水设备所缺少的调节容积之和不得大于清水池的调节容积富余量，即：

式中：Vn——叠压供水设备安装地点所需要的调节容积，m3；

Vtn——叠压供水设备的调蓄容积，m3；

W1f——清水池的调节容积富余量，m3；

S——清水池的面积，m2；

Hyd——清水池的实际运行最低水位，m；

Hsd——清水池包含消防储备水量、水厂生产用水量的设计最低水位，m。

3.结论

叠压供水设备对城市供水管网的影响主要从水质、水量和水压三个方面进行评价。水质方面来说，主要是设备的配置要符合相关卫生要求，按规定进行检修和消毒。水量和水压方面，叠压供水设备对管网局部的影响已经得到业界的重视，各地已经出台相关评价及限制措施。对整个管网水量的影响进行评价可以根据（7）、（8）式来确定每个具体的管网安装叠压供水设备的数量及规模。