建筑给水二次增压系统的选择及设备安装

张宗团

中铁城建集团有限公司 湖南 长沙 410000

引言

在城市化进程不断加快的过程中，为满足人们对美好生活的追求，新建建筑不断增多，基于土地资源的紧缺和工作生活的需求，现代建筑趋于高层化、密集化[1]，导致早初设计建设的城市供水管网处于高负荷状态运行，因此出现用水高峰期水压不足、断流等现象，但人们对供水质量的要求却在同步提高[2]，这两者矛盾日益突出，然而调高市政供水管网压力和增大市政管网输水管径将大大增加建设及运行成本，且会因城市道路开挖引起交通堵塞等棘手问题[3]，所以在不能满足水压要求的建筑内增设二次加压设备，通过经济技术比选和数据分析，按照实际情况择优选择二次供水方式不仅可以降低运行成本，也可避免引发以上社会问题。

1 工程概况

兰州重离子医学研究中心一期工程位于兰州市城关区北面滩，是我国首台重离子治癌设备的研发及调试中心，位置偏于市政供水管网末端，市政给水管网供水压力白天高峰期最低值仅为0.08MPa，夜间最高为0.22MPa，设计供水压力为0.35MPa，因此在项目投入使用后建设单位为确保设备的调试进度，要求新增一套二次供水增压设备，初期设计方案为以气压罐+变频调速泵联合的无负压二次供水方式[4]，设备安装完成后，在调试中出现了变频调速泵不启动现象，造成了一起一般施工质量事故，后将二次供水方式变更为变频泵+给水水箱方案。

2 建筑给水二次增压系统类型

目前，建筑二次增压供水主要有变频泵+给水水箱方案和以气压罐+变频调速泵联合的无负压供水两种方式[5]。前者利用市政管网的压力在水箱中蓄水，然后通过变频泵向建筑给水系统加压供水，优点在于有较大容积的蓄水水箱（池），可起到缓冲调节作用，在供水高峰期，不会对管网水压造成不利影响，且安全稳定，建设成本低；弊端在于城市管网压力没有得到最大化利用，造成能量浪费，且需安装体积较大的给水水箱，也会造成水质二次污染[6]，需加强后期水箱的清理保洁工作。后者以不锈钢稳流调节罐作为进水储水缓冲装置直接与市政管网相连，通过监测市政管网压力，微机自动控制子变频器启动，调节水泵转速，直到管网压力上升到用户所需压力，并控制水泵以一恒定转速运行进行恒压供水，设备直接串联在自来水管网上，不用建水池[7]。夜间小流量供水及自来水管网压力不能满足要求时，气压罐可贮存并释放能量，避免水泵频繁启动，弊端在于因为需要管道中必须有充足的水量，如市政给水管道水压低于0.2MPa，气压罐中将会无法注入水，或者水量不足，导致系统无法启动。

3 变频泵+给水水箱的二次供水方式

变频泵+给水水箱的二次供水方式除了水箱和变频泵外还有进出水管、变频控制柜、控制阀门、软连接件等。在二次加压供水系统设计时，因随着水箱进水管的不断减小，市政管网的压力波动幅度就会变小，而且进水量也可以有效确保用户的用水需要，因此应当将生活水箱进水管管径进行适当减小。兰州重离子医学研究中心一期工程供水管为DN150，二次增压水箱进水管设计为DN100。

3.1 给水水箱水位的控制

3.1.1 高水位控制措施：水位控制目前应用最多、最简单的是在水箱进水管上设置一浮球阀，当水位到最高限位时，浮球依靠水的浮力向上浮起，带动与其连接的杠杆抬起使得管路上的活塞往外推，活塞顶端安装的密封橡胶垫圈堵住了管路进水，相应的水位最低时杠杆往里拉，密封橡胶垫圈打开，从而达到水位控制[8]。虽其成本低，但因杠杆与管路相连处易生锈，造成浮球阀失灵，安全可靠性较差，且仅可瞬间启闭，对市政管网压力产生影响，导致其压力出现波动。遥控浮球阀可解决上该弊端，其主阀安装于管网进水管上，小浮球安装于水箱内（并非水箱进水管上），为防止其与水接触导致生锈，将杠杆加长后使其高于最高水位以上，遥控式浮球阀工作原理相对比较复杂，小浮球与主阀间通过一管径较小的管路相连，在工作时主要是基于小浮球压力感应对主阀启闭进行控制；该种启闭方式表现出滞后性特点，在利用液压水位控制阀时，尤其是在其启闭过程中，水箱进水管上的压力变化会在几秒钟的时间内缓慢的完成，可利用液压水位控制阀能够降低建筑二次供水对市政管网产生的压力影响[9]；另外主阀一旦有杂质进入泵体，就会造成其失灵，所以在其前安装一过滤器，过滤器必须按时清理，一般和水箱清洗为同周期。

3.1.2 低水位控制措施：低水位是为防止水箱内水位过低后造成变频泵内形成真空，电机空转后损坏水泵，因此其控制结果为在水箱内水位最低限时变频泵自动停止运行，控制过程为：当水箱内水位达到最低限度时控制变频泵启动的接触器断开，控制工具为在水箱中安装一个电缆浮球开关，电缆浮球开关是利用重力与浮力的原理设计而成，主要包括浮漂体，设置在浮漂体内的大容量微型开关和能将开关处于通、断状态的驱动机构，以及与开关相连的三芯电缆，当漂浮体的头朝上（水位高于低水位最低限制点）时微型开关处于通的状态（控制变频泵的接触器吸合），当漂浮体的头朝下（水位低于低水位最低限制点）时就处于断开状态（控制变频泵的接触器断开）。

3.2 给水水箱的安装及维护

给水水箱常见有混凝土和不锈钢类，前者是通过浇筑得到剪力墙式水箱壁，在浇筑时预埋进水管、出水管等柔性防水套管，所有其建设应与整体建设统一设计、统一建造，其技术比较成熟[10]。不锈钢水箱是通过内部钢架和不锈钢铁皮焊接组成，其防腐性能较好，且相比于混凝土水箱质轻60%以上，因其是后加工而成，形体可根据建筑随意设计，尽可能不浪费建筑空间，安装步骤如下。

3.2.1 计算水箱容积及尺寸。水箱容积应保证在一个正常工作周期内（一般为一天）的用水量正常供给，在实际计算时，考虑到外网供水流量小于该建筑物所需的设计秒流量且外网压力不稳定，建筑给水排水设计规范明确说明此时应设置生活调节水池（即二次增压水箱），二次增压水箱有效容积应按水池进水量与用水量变化曲线计算确定，当资料不足时，按最高日用水量的20%～25%确定，最大不大于48h用水量。而最高日用水量在设计说明中会有明确的说明。这个计算结果可能有较大的误差，导致水箱内的一些水沉积，水质恶化，详细计算应按照建筑用水高峰期时的出水量和此时补水量间的关系来精确计算。其与两者的流速紧密相关，在计算前需获取准确的用水量和市政管网压力，先设定一个计算水箱容积，计算得出一个周期内高峰期结束至下一个高峰期来临前时水箱内实际水量，水箱的有效最小容积通过下式调整得出：

K=用水高峰期的用水量-（用水高峰期前水箱余水量+用水高峰期间需补水量）

式中，K为用来衡量预先设定水箱体积的准确性（L）

如计算得出的K值为负，则说明预先设定的水箱容积过小，可根据计算得到的水箱容积值的绝对值与设定值之间差值的大小来放大设定值，相反缩小设定的水箱容积，调整的最终结果为计算的水箱有效容积尽可能的接近设定值。但在实际中，每天用水高峰期用水量不尽相同，每天同一时刻的用水量与市政供水管网的供水压力也并不同，因此求得差值并不是每天统一，可求得中位数可以作为水箱有效容积，计算过程工作量大，但结果可靠。

在确定了水箱容积后对水箱构造尺寸进行设计，为保证在市政供水管网压力最低时依然可以向水箱补水，水箱进水管高度不得大于进水水平管处的供水压力值，例如进水水平管处的供水压力值为0.05MPa，水箱进水管与进水水平管的差值必须小于5m，水箱尺寸的高度为上述的差值再加上进水水平管与水箱支墩间的高度差（如进水水平管与水箱支墩间的高度差为负，就应该为差值再减去进水水平管与水箱支墩间的高度差）。水箱长宽的尺寸应该按照水箱间的有效利用面积确定。因此水箱的高度也是初步确定水箱间的依据。

3.2.2 水箱基础的施工、水箱的安装。为方便安装和维修,水箱条形基础应高出地面15～20cm，承载力按照水箱的尺寸、容积和满水后有效重量，并依据地基与基础相关设计及施工规范计算，注意事项在后面详细说明，具体施工工艺不再赘述。待基础凝固，达到承载要求后再安装水箱，安装时必须用水准仪或水平尺测量基础表面水平度，避免因条形基础之间存在高差、水箱满水后条形基础各受力点受力不均导致水箱倾斜，进而引发水箱侧翻。调整水平度时严禁使用木屑等易变形、易腐蚀类材料，使用橡皮垫时定期进行检查，也可以在水箱上安装密封的水柱测量点，当水箱的倾斜度达到0.4%时采取调整措施。调平后再焊接水箱，水箱按照图纸焊接完成清洗注水，检查水箱的严密性。

3.3 管路系统组成

管路系统组成如图1所示。

图1 变频泵+给水水箱的二次供水方式系统组成图

说明：电路系统的变频泵控制箱、与电缆浮球阀及变频泵相连的接触器等为变频泵的配套部分，未在图上标注。

4 气压罐+变频调速泵联合的无负压供水方式

气压罐+变频调速泵联合的无负压供水方式优点是无须大体积水箱，减少占地面积，是目前二次供水首选方式，另外还大大改善了因前期规划不周全、无足够可用空间安装水箱间时引发的一系列问题，使用中可以利用市政管网的压力，可大大降低成本。系统示意图如图2所示。

图2 气压罐+变频调速泵无负压供水方式系统组成图

另外气压罐上自带有压力感测传感器、管道上安装电解压力表等，加上控制柜及控制信号线，这就构成了全部系统。目前市场上无负压设备有两种形式：一种是进气式，即在发生负压时，靠罐外空气对罐内的补入来消除负压，实际上就是一个吸排气阀，这种形式未真正意义上做到与空气隔离，存在二次污染；另一种是不进气式，相对前者结构更加复杂，主要是在产生负压时，以压力罐内的压缩气体推动平衡装置，避免了负压的产生，在负压消除后，再利用市政管网的压力，通过回气装置，将气体回进压力罐内[11]。

得益于成套设备的发展，气压罐和变频调速泵设备厂家在出厂时已经将其系统连接为一个整体，在设备选择时，只需提供建筑给水系统水泵扬程、水泵流量及其管径，设备厂家就会提供整套设备参数，设备进场后，再根据现场情况来安排布置设备基础等，成套设备安装也较为简单。

在设备安装时，基础浇筑完成后无须调整基础水平面平整度，只需将设备自带的基础完成安装即可。设备间的连接因成套设备间的波浪振动必须安装软连接，最始端和最末端的管道必须用支架固定可靠。

当自来水压力能满足用户用水要求时，增压泵通过变频控制处于休眠状态，当自来水压力达不到用户需求压力时，水泵可以在自来水原有压力（一般为0.2MPa～0.35MPa）的基础上叠加增压，差多少补多少。另外选用此形式前，必须测量市政管网高峰期时的供水压力并提供给设备厂家。

5 二次增压系统安装施工注意事项

下面根据兰州重离子医学研究中心一期工程二次供水安装中出现的一些问题，来说明在建筑二次供水改造中设备安装需要注意的问题：

在供水方式选择前，先要测定用水高峰期市政供水管网进入建筑时压力，如小于0.16MPa，直接采用变频泵+给水水箱方式。在超高层或者用水量特别大的住宅区、商业区，应采用给水水箱+气压罐+变频调速泵联合的无负压供水方式。

安装电缆浮球开关时如对其不做专门固定，当水位上升时漂浮体随之上升，其漂浮时因不锈钢水箱内有支撑水箱的角钢架体，漂浮体有可能挂在角钢上，造成漂浮体的端头一直朝上，当水位低于最低限制时泵却一直运行，导致水泵烧坏等。为了避免上述状况，下面介绍一种简易的防止措施。

电缆浮球漂浮体安装前先应确定水箱最高水位高度（遥控浮球阀控制）和最低水位限度的差值，这个差值即为电缆浮球阀在水箱内控制伸缩的有效距离，如将电缆浮球阀电缆线顶端固定，其可移动范围比较大，被挂在水箱角钢支架上的概率就大增，如将低端固定，电缆浮球阀的电缆线与漂浮体间连接处就会承受过大的拉力，导致浮球阀损坏，寻找最为合适的“黄金分割点”可降低上述两种风险发生的概率，或者将拉力消除掉，在低端直接固定，相对来说第二种方案较为简单，而第一种方式随着环境变化必须详细计算。第二种方案的基本原理如下：

在焊接水箱时，根据进出水管位置确定好最低水位，在这个位置以上部位焊接一个连通体（其底部必须等于或稍高于最低水位），即宽度为漂浮体长度6倍或6倍以上、高度为大于等于3倍漂浮体长度、底部敞开的容器，在连通体最高处将电缆固定可靠，当水位上升时，连通体内漂浮体随着上升，上升至上侧顶住连通体壳时，其不再上升，当水位下降时，漂浮体随着下降，直至其头朝下，控制泵的接触器断开。当连通体内电缆长度控制在和漂浮体长度一致时，漂浮体可以自由活动，但又受控制。

与泵连接处采用软连接，一方面在安装过程中可以调节因管道、设备安装偏差引起的法兰间、连接处的缝隙和偏离，另一方面在设备运行时，因变频泵的启停引起较大管道波浪，久而久之导致管道支架不牢固，设备固定处松弛等问题。应在管道与阀门相接处、泵体与管道相接处等安装软连接。

水箱基础和设备基础的施工，应统筹规划。不锈钢水箱底座是由角钢焊接而成，水箱的重力是通过角钢向混凝土基础传递的，因此在混凝土基础施工前，就应该明确水箱底座的设计图，底座应该处于混凝土基础正中间，避免错位。设备的基础应该提前根据设备大小来规划位置。

水箱等的定期清洗。生活用水水箱应每年清洗一次，同时应该清洗水过滤器，在此期间，还应检查遥控浮球阀的安全性，电缆浮球的固定稳固程度等。定期清洗不得大于1年。

6 结束语

二次供水直接关系到人民群众的身体健康和正常的生活需要，它关系到整个城市的建设与居民日常生活所需，必须加强对二次供水工程的设计与管理，采取科学的设计方案与施工工艺，提高施工水平，不断完善管理制度，确保二次供水的水体质量，为用户提供最及时的水源供应，采用科学的设计工艺，全面确保二次供水工程的科学设计与科学管理[12]。加强施工过程主动控制和被动控制，严格控制施工质量程序和施工质量行为，落实好风险应对措施，保证二次供水系统安全、适用、稳定、可靠、经济等性能。