某农村住宅给水、消防及其附属配电系统改造

2018-06-19仇丽娉王清勤吴伟伟何春霞赵健仁王博雅吕行

建筑热能通风空调 2018年12期

仇丽娉王清勤吴伟伟何春霞赵健仁王博雅吕行

1哈尔滨工业大学建筑学院

2中国建筑科学研究院

“十二五”时期，我国农村集中式供水受益人口比例由2010年底的58%提高到2015年底的82%，农村自来水普及率为76%[1]。但是仍有部分地区尤其是贫困农村地区受限于自然条件和经济条件的制约，公共配套设施如给水设施、消防设施水平将无法全部普及，部分农村在较长一段时间内仍需维持采用井水等分散式供水的方式。

但是这种供水方式安全防护措施差，存在坠井风险。雨水、扬尘、垃圾、污物易于进入井中，井水水质难以保障。人力取水用水，便利性差。冬季路面结冰，易造成摔伤事故。此外，农村地区消防隐患突出，可燃物资堆放较多，一旦发生火灾，井水不足以作为灭火的及时性水源，缺乏自救能力。

用水、消防安全关系千家万户的福祉，2016年，我国已启动实施农村饮水安全巩固提升工程，对已建工程进行配套、改造、升级。响应国家号召，采用适宜改造技术，解决农村用水、消防隐患，对于改善农村生活条件，促进农村社会与经济发展意义重大意义。

1 改造案例背景

为解决上述井水用水安全性、便利性问题，以河北省遵化市西留乡东留村某户为例进行给水、消防、配电改造。此庭院建于1990年，为坡屋顶单层建筑（平面图见图1），属于这一地区代表性的农房建筑。

图1 改造区域平面图

改造前，该住宅采用水泵抽水加室内储水缸的用水方式取水费力且冬季取水地上易结冰，影响出行安全；且建立初期未设置任何消防设施，村民消防意识淡薄，农忙时院前院后会有作物秸秆堆积，极易引起火灾。

基于此，对住宅的改造目标有：

1）设置符合住宅家庭需求的给水系统，取代之前老旧的人力水井，为生活用水带来便利的同时也减少了安全隐患，保障了水质安全。

2）建立消防系统，配置消防设施，火灾发生时可正面出击，直接消灭火点，迅速出水，缓解火情。

3）针对消防用水系统进行配电改造，避免室内停电时，给水、消防系统用电问题。

2 改造设计

2.1 给水设计

2.1.1 水量计算

根据《农村给水设计规范》 CECS82:96中的要求（见表1）计算用水量。

按表1，改造住宅属于“户内有给水排水和卫生设备、无淋浴设备，地区类型为村庄”，最高日用水量为40～100L/人，小时变化系数为2.5～1.5。保守计算选择最高日用水量100L/人。因为住宅主要用水为炊事和清洗，用水集中，最大时用水量与平均时用水量差别会比较大，为了保证管道在高峰用水时能满足要求，小时变化系数按2.5计算。

表1 农村生活用水定额

以该住宅内有5人居住为例计算，规范[2]要求分散型的住宅采用设计秒流量的计算方法，得到设计秒流量为0.5L/s。

2.1.2 管径及水力计算

根据规范[2]对生活给水管道水流速度的要求（见表2），以及计算得到的给水量推算出给水管径。

表2 生活给水管道的水流速度

经计算，给水系统的给水管径均为DN15。

2.1.3 给水压力

由规范[3]可知，农村给水系统给水干管最不利点的最小服务水头单层建筑可按5～10m计算，即0.05～0.1MPa。

2.2 消防设计

针对我国农村现有消防基础设施和传统消防管理机制薄弱的特点，综合考虑住宅用水量及周边环境，基于村内没有自来水及水库的现状，农村住宅消防装置设计的原则为：消防设施主要用于阻止户内小火势的蔓延，大型火灾需由消防队灭火。因此户内建造地下室储水罐兼作消防水源（图2），建立地下阀门井，设置泄水阀，且在室外墙上设置消火栓[4]。

图2 给水、消防系统图

1）消防水量。农村不具有给水管网条件，消防用水只能与生活用水合并，配置一支消防水枪，根据规范[4]，消防水量为5L/s，消防给水管径不小于100mm，消防给水压力最小为0.1MPa，按照小火势10分钟计算，所需消防水量为3m3。

2）消防距离。消防水带的长度需要满足火灾发生时，消防水枪可以顾及到建筑中各个角落，经测量，消防水枪设置点到户内最远点的距离是33m，消防水枪射程远、水量大，因此选择消防水带长度为30m。

3 给水、消防系统改造

3.1 浇筑地下室

为保证使用人员安全问题，避免村民掉入井中，在井口周围浇筑地下室，将取水口置于地下室，井中放置潜水泵用来提水，并将水存放于地下室中的储水罐，再经由储水罐配送至用水点。地下室有一定保温防冻作用，使得储水罐中的水不至于结冰，可以保证常年使用而不冻。还可以储存蔬菜，一室多用。

3.2 设备选型

基于当地农村用水分散、家家都有水井的特点，以原有取水方式（水泵抽水加室内储水缸）进行改造，需要选型的设备为潜水泵、储水罐。

1）储水罐。经计算，给水设计流量为0.5L/s，住宅中用水零散，主要用在卫生间与厨房，一般没有大量用水的可能，储水罐按照1小时用水量来计算则需要1.7m3的容量；消防水量为5L/s，消防给水管径不小于100mm，消防给水压力最小为0.1MPa，按照小火势10分钟计算，所需消防水量为3m3。综上选择家用压力储水罐容积为5m3，尺寸Φ1800×2000mm。

图3 潜水泵位置图

2）潜水泵。将潜水泵置于井水下距地下室地面3m处（图3），则潜水泵将井水送至储水罐入口，所需扬程为5m，选择水泵扬程时考虑1.2倍的保证系数，经过选型潜水泵参数为扬程7m，流量7m3/h，电压220V，尺寸19cm×19cm×47cm，转速2900r/min。

3）消防水枪。消防水枪设置于前院便于取用的位置，其保护半径约为10～12m，枪头部设置可旋转的喷水调节头，以应对不同的火灾类型，增强灭火效果。

3.3 自控系统

将水泵与储水罐统称为提水装置，其主要功能是将井水提至储水罐中。为此系统设置自动控制系统（图4），由压力传感器与电控箱控制储水罐水位，解决了人工提水的不便。

图4 自动控制示意图

以储水罐内压力作为控制对象，电控箱作为控制器，潜水泵作为执行器。通过反馈储水罐内空气压力来控制潜水泵的启闭。当储水罐内空气压力低于设定参数时，潜水泵工作。当储水罐内空气压力高于设定参数时，潜水泵停止工作，从而达到控制储水罐内水位的功能。

1）储水罐压力设定值。由前文可知生活用水点压力最小为0.05～0.1 MPa，消防用水点最小给水压力为0.1 MPa，因此用水系统最小给水压力为0.1 MPa，若不设置给水泵，则需要储水罐中保持一定压力从而保证系统中用水点压力满足规范要求。综上，储水罐中空气压力应大于1.54 MPa。

2）控制系统。储水罐中空气压力为控制参数，为保证系统水压要求自控系统的设定参数为0.3～0.4 MPa。压力传感器反馈储水罐内空气压力，压力传感器反馈值与设定值经过控制器计算比较，控制潜水泵运行或停止工作，从而控制储水罐内的空气压力。即当水罐内空气压力低于设定值0.3 MPa时，潜水泵工作；当储水罐内空气压力高于0.4 MPa时，潜水泵停止工作。压力在 0.3 MPa 与0.4 MPa 时分别代表最低水位与最高水位。

3.4 阀门井

由图5，阀门井中设置泄水阀与截止阀。阀门井位于地下 2 m，井有保温防冻作用，井内管道、阀门在冬季不冻坏，均可正常使用。在火灾发生时，抽取储水罐中的水配以简单的消防水枪，达到灭火的目的。截止阀在灭火后需关闭，防止消防水枪因人为或其他原因损坏而导致非火灾期间出水工作。并且打开泄水阀，将消火栓竖管内的水放尽，避免积水在管中导致管道侵蚀、冬季时冻坏竖管的情况。达到双重保障效果。

图5 阀门井

4 配电改造

1）配电现状。农村用电通常是从室外总闸箱将电引入室内配电箱，再将电配置给各个用电设备，现改造的给水及消防水系统中的潜水泵及控制系统也将在户内取电。

2）现有需求。若户内非正常断电时（火灾、保险丝损坏等），潜水泵与控制系统将因断电而无法正常工作，导致系统瘫痪而停止供水，会严重影响住宅的正常生活用水，更甚者将造成消防系统无法运行、火情无法控制缓解从而蔓延的后果，对人身财产安全造成巨大威胁。因此，现有农村配电方式存在室内用电发生异常时给水消防系统也将不能正常运行的问题。

图6 配电改造后

3）改造方式。为解决以上问题，给水及消防系统的配电将单独从户外引入。户内设置两个用电箱，一个负责给水及消防系统，保证其正常工作。另一个负责室内其他设备的供电，从而解决户内断电时给水及消防系统无法工作的问题。将用水系统的配电改造为直接从室外总闸箱接线，如此，在户内断电时，给水及消防系统仍旧可以保持正常运作，保证了消防和生活用水（图6）。此时每户要配置两块电表，文明取电。

5 实施效果

1）给水系统改造效果。改造后，户内用水在安全性、便利性上得到了很大的提高。取水口置于地下室，人员掉入井中几率大大降低。井水污染途径渐少，提高井水水质。无需人力提水，用水十分便利。不会在冬日路上漏水成冰，妨碍出行。浇筑的地下室保温防冻、一室多用，不仅作为用水系统储水罐的设备间，且还可以放置瓜果蔬菜，做储备用。

2）消防改造效果。此住宅最初无灭火措施，而消防系统的建立为生命和财产安全提供了重要保障，有助于减少农村火灾事故，降低死伤和重大财产损失，提高农村总体安全水平，进一步充实了农村的灭火力量，保证了在消防人员到来之前能够有效开展扑救。

3）配电改造效果。配电改造解决了给水及消防系统的使用连续性、安全性问题，保障用户在停电时的用水需求。且在火灾发生时，消防水系统可正常运行，及时控制火势。配电改造结合以上两项技术共同改造对住宅确有实效。