稳压补偿式无负压供水技术在高层住宅的应用

陈 胜

（南宁局集团公司建设部，工程师，广西 南宁 530029）

随着我国城镇化建设步伐不断加快，土地资源日益短缺、高层住宅数量骤增的现象将会成为常态。由于高层住宅住户集中、用水量大，需要采用二次供水设施才能保障他们日常用水。鉴于目前二次供水设备产品类型繁多，且城市二次供水现状存在诸多问题，选择何种稳定性经济性俱佳的二次供水方式已然成为相关企业亟待破解的课题。笔者认为应用稳压补偿式无负压供水技术可以推动高层建筑二次供水向既可靠又节能的方向发展，并试从理论与实践结合的角度略陈管见。

1 城市二次供水主要模式分析比选

城市二次供水方式主要有：低水位水池和变频恒压设备联合供水、低水位水池和工频加压设备和高水位水箱联合供水、无负压设备直接供水等多种模式，本文择其主要三种模式作如下分析比选。

1.1 水箱变频供水模式 水箱变频供水的基本原理是先将有压力的自来水放入低位水箱变成零压力的静水，再由变频设备将其加压至用水网点。这种供水模式虽具有用水压力稳定和可靠的特点，但自来水原有压力未能充分利用，导致能源浪费。加之，置于地下室的低位水箱为敞开式结构，各种杂质、污染物极易进入水中，容易造成二次污染。水箱变频供水方式自80年代末投入至今，耗能不环保成为其主要发展障碍，与如今人们提倡的节能环保理念背道而驰，被新的供水模式取代已成必然。

1.2 传统无负压供水模式 无负压供水设备直接与供水管网连接，通过全自动微机智能控制实现稳流调节器和负压抑制器动作执行部件实时自动调节，使稳流调节器内压力平衡，抑制管网内负压的产生，确保供水本设备不对供水管网产生负压。这种供水模式可以充分利用自来水原有压力，进行叠压节能供水，加之，采用变频调速和微机控制后，可以根据自来水的压力对电机转速予以调节，并对对自来水的压力及所需压力的差进行补压，差多少补多少，不做无用功，节能效果显著，与水箱变频供水相比节电可达20%～90%。

目前，应用最广泛的无负压供水设备主要求有如下两种：吸排气式无负压设备、机械活塞式无负压设备。第一种吸排气式无负压设备主要由密封水罐（调节罐）、真空消除器（吸排气阀）、水泵机组、管件阀组及其控制仪表等构成，其工作原理是罐体上的真空消除器，根据罐内液位的变化，通过开启和闭合、进入和释放空气方式来消除真空，当液位下降到一定水位时，设备自动停机保压或降低转速或降低给定，牺牲用户用水利益。无负压实现是靠真空消除器（即呼吸阀）的进气和排气来完成的，无负压技术不参与控制，只靠液位的变化来控制水泵的启停。该产品并没有达到全密闭运行，需与空气接触，与传统的水箱（池）并没有什么区别，易对水质产生污染。第二种机械活塞式无负压设备主要由密封水罐（内置弹簧或气体）、水泵机组、管件阀组及其控制仪表等构成。其工作原理是当用水处于高峰时通过设备中的弹簧的弹力（气体压力）推动档板把水补偿到用户，防止产生负压，由于其工作状态形似活塞，故又称之为“机械活塞式无负压”。档板要在罐体内滑动，罐内壁与档板肯定存在润滑剂，与水接触产生二次污染，弹簧弹力使用一定时间弹力减退，影响水的补出量，同时两个弹簧腔式占用罐的较大空间，真正补到用户中的水有限，水也容易流入弹簧腔室，致使弹簧生锈。这两种类型的无负压供水设备因无法充分利用市政管网压力，耗电高，节能效果不明显，存在一定程度的二次污染，因而在正常供水时造成水泵低效运转有违节能和环保的初衷。

1.3 稳压补偿式无负压供水模式 随着二次供水技术不断发展，稳压补偿式无负压供水技术应运而生，该技术系统利用无负压流量平衡补偿罐的高、低压室储存所需带压的自来水，同时将惰性气体压回到储能罐中，通过无负压流量调节平衡补偿罐的高压腔对系统实施稳压的作用，在小流量时不启动水泵，避免水泵的频繁启动所产生的运行能耗，节能节电。整套设备为全密闭结构，保证水与空气的完全隔离，避免对水产生任何污染。确保达到无负压二次供水节能环保要求，全面提高了高层住宅供水可靠性。

1.4 比选结论 水箱变频供水模式耗能、污染严重，传统无负压供水模式未能达到完全杜绝污染、高效运转要求，稳压补偿式无负压供水模式能有效弥补上述两种模式弊端，具有推广使用的现实意义和广阔前景。

2 稳压无负压供水设备结构及工作原理

2.1 设备结构 稳压补偿式无负压供水设备主要由水泵、控制柜、稳压补偿罐、能量储存器、流量控制器、压力送变器、双向补偿器和管路等组成。其结构如图1所示。

图1 稳压补偿式无负压供水设备构成示意图

2.2 基本工作原理 稳压补偿式无负压供水设备工作原理主要涵盖以下方面。

2.2.1 确保供水压力稳定的工作原理 在市政供水管网压力正常情况下，水经过恒压腔通过泵组加压后进入用户管网；当用水出现高峰时会导致市政供水管网压力下降，此时，能量储存器释放带压气体进高压腔挤压高压腔的水向恒压腔管网补水，汇同恒压腔的市政水向用户补水；同时高压腔具有小流量供水保压功能。当用户低峰期供水时，管网利用双向补偿器将泵出水口端的高压水引向高压腔补水，随着液面不断上升不溶于水的惰性气体，被挤压回能量储存器内，随时准备下一个用水高峰期的到来。

2.2.2 确保无负压的工作原理 稳压补偿式无负压供水设备具备两种运行模式，一种是正常的供水模式，当市政水压高于最低供水压力保障值时，采用这种模式，此时设备中的稳压补偿罐起一个稳压罐的作用；另一种供水模式为稳压补偿式供水，当市政水压低于最低供水压力保障值时，流量控制器控制进水量，保持市政管网的压力，因而可以稳定市政水压力的波动。流量控制器采用微积分控制原理，对于市政压力微小波动进行控制，调节阀门的启闭大小，进而控制进水量，使进水压力始终保持在最低保障值之上，即能达到不会产生负压，其控制精度非常高而且非常稳定。

2.2.3 实现差量补偿的工作原理 在用水最高峰时设备既要保护市政管网的压力，同时也要满足用户安全持续供水的要求。当用水高峰期自来水管网输出的水量与用户所需的水量产生差量时，稳压补偿式无负压供水设备通过流量控制器、双向补偿器、能量储存器、分腔式无负压罐全方位地进行水量差量补偿，并且在补偿水量时完全杜绝与空气接触，真正实现水质无二次污染。市政压力不足时，市政水压低于最低供水压力保障值，无负压设备采用稳压补偿式供水，流量控制器控制进水量，保持市政管网的压力，稳压市政压力的波动，但是由于控制了进水量，造成进水量与用户用水量的流量差，此时双向补偿器会同时动作，将出水总管与稳压补偿罐断开，同时连通进水总管与稳压补偿罐，此时利用能量储存器内高压惰性气体的膨胀，释放预充的一定压力的气体，把稳压罐高压腔内的带有一定压力的水补偿到恒压腔中，形成双路供水，进行差量补偿，差多少补多少，以补充进水量的不足。通过以上控制模式，可以使设备既能保证管网不产生负压又能满足不间断用户的供水要求。

2.2.4 实现节能的工作原理 稳压补偿式无负压供水设备在正常工作时，通过双向补偿器对稳压补偿罐进行蓄能，当夜间小流量用水时，利用稳压补偿罐中高压腔内所存的水是带有一定压力的高压水，同时通过能量储存器，双向补偿器实现既对用户管道保压，又在用户小流量用水时对自来水管网起到保压、稳压作用，充分利用了市政管网的压力，有效避免了水泵频繁启动浪费电能和影响水泵寿命现象发生。系统采用的压力变送器精确量取水压，并将水压信号发送到电控柜，通过变频器计算、调节、输出相应频率的电源，使水压始终稳定在设定的压力值上，精确度极高。当输出频率稳定在一个很低的状况时，经过一段时间后，变频器转为小流量工作模式。

2.2.5 防止二次污染的原理 稳压补偿式无负压供水设备在运行时与自来水管网全密闭联接，在用水高峰期进行补偿时不接触空气，保证水质不产生二次污染。设备当市政供水量不足，在一段时间内能进行差量补偿的情况下，补偿罐内的能量储存器内预先充有一部分高压氦气，补偿时通过释放此部分气体，使罐内的水流入进水总管，由于稳压补偿罐与出水总管相通，补偿结束后，罐与出水总管相连通，气体被出水管的高压压回能量储存器，因此只有罐内的氦气被反复压缩与膨胀，而与外界的空气完全隔绝，这就完全杜绝了二次污染，真正实现全密闭供水。

3 稳压补偿式无负压供水设备应用

3.1 工程概况 广西柳州鹅岗一区职工住宅综合楼位于柳州市鹅岗路柳铁中心医院对面，本小区共有一栋20层两栋24层共3栋高层住宅，总建筑面积42027.55 m2，其中住宅建筑面积35582.84 m2共390户。当地自来水原有压力为0.2～0.3 MPa，最低保障供水压力为0.15 Mpa。根据供水分区原则，将小区划分三个区供水，其中2-9层为低区供水，建筑高度为25 m；10-17层为中区供水，建筑高度为47.4 m；18层以上为高区供水，建筑高度含楼顶水箱73.3 m；三区均采用全自动无负压供水，加压总户数390户。其中：低区加压户数：144户，中区加压户数：144户，高区加压户数：102户。

3.2 设备参数计算

3.2.1 流量计算 根据《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003）第3.6.4-3条款的规定确定住宅楼生活给水设计流量。

以下计算的建筑均为1卫1厨，按低区、中区和高区分别计算。

1）低区加压总户数为144户，每户的卫生器具及当量为：洗涤盆1只（N=0.75），坐便器1具（N=0.5），洗手盆1只（N=0.5），淋浴器1具（N=0.75），洗衣机水嘴1个（N=1.0），其他（N=0.5）。户当量为4，总当量为576。

用水定额：250 L/人·d，户均人数：3.5人。

用水时数：24 h，时变化系数Kh=2.5。

最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率为：

式中U0——生活给水管道的最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率（%）；

q0——最高用水日的用水定额；

m——每户用水人数；

Kh——小时变化系数；

Ng——每户设置的卫生器具给水当量数；

T——用水时间；

0.2——一个卫生器具给水当量的定额流量

其中，1卫1厨流出概率的U0=0.031取3.0

查表得Q（流量）值：

低区Q=7.08L/S≈26 m3/h

2）中区加压总户数为144户，每户的卫生器具及当量为：洗涤盆1只（N=0.75），坐便器1具（N=0.5），洗手盆1只（N=0.5），淋浴器1具（N=0.75），洗衣机水嘴1个（N=1.0），其他（N=0.5）。户当量为4，总当量为576。

用水定额：250 L/人·d，户均人数：3.5人。

用水时数：24 h，时变化系数Kh=2.5。

最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率为：

给水当量计算：其中1卫1厨流出概率的U0=0.031，取3.0

查表得Q（流量）值：

中区Q=7.08 L/S≈26 m3/h

3）高区加压总户数为102户，每户的卫生器具及当量为：洗涤盆1只（N=0.75），坐便器1具（N=0.5），洗手盆1只（N=0.5），淋浴器1具（N=0.75），洗衣机水嘴1个（N=1.0），其他（N=0.5）。户当量为4，总当量为408。

用水定额：250 L/人·d，户均人数：3.5人。

用水时数：24 h；时变化系数Kh=2.5。

最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率为：

给水当量计算：其中1卫1厨流出概率的U0=0.031，取3.0

查表得Q（流量）值：

高区Q=5.63 L/S≈21m3/h

3.2.2 水泵扬程计算 按照《建筑给水排水排水设计规范》的规定，水泵直接供水时所需扬程进行计算，（以满足最不利用水点要求时水泵所需扬程为计算依据）：

Hb≥1.1（Hy+Hc+∑h）-H0

其中：

Hb—水泵满足最不利点所需水压；

Hy—最不利配水点与引入管的标高差，取低区25 m，中区47.4 m，高区73.3 m；

Hc—最不利配水点所需流出水头，取6 m；

H0—市政自来水管网的最小供水压力，取0.10 Mpa=10m；

∑h—泵房与最远建筑物间管线的水力损失，含沿程水头损失hf和局部水头损失hd，取8m；

1.1—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而考虑的系数。

通过上述计算，采用无负压供水时用水高峰时水泵满足最不利点所需的水压低区Hb≥33 m，中区Hb≥58 m，高区Hb≥87 m。

采用丹麦格兰富水泵选型：

低区：Q=26m3/h Hb=33 m

选泵的型号为：

主泵：CR15-4 N=4KW（2台）

无负压罐型号为：GW600-150

设备总型号：150ZWG2/CR15-4

中区：Q=26m3/h Hb=58 m

选泵的型号为：

主泵：CR15-6 N=5.5 KW（2台）

无负压罐型号为：GW600-150

设备总型号：150ZWG2/CR15-6

高区：Q=21m3/h Hb=87m

选泵的型号为：

主泵：CR15-7 N=5.5 KW（2台）

无负压罐型号为：GW600-150

设备总型号：150ZWG2/CR15-7

3.3 设备耗电量计算

低区：水泵功率N=4 KW×2=8 KW，8 KW/26m3/h=0.3 Kwh/m3

中区：水泵功率N=5.5 KW×2=11 KW，11KW/26m3/h=0.42 Kwh/m3

高区：水泵功率N=5.5 KW×2=11 KW，11KW/21 m3/h=0.52Kwh/m3

该设备投用五年来的实际耗电量与计算结果基本吻合，实践证明稳压补偿式无负压供水设备加压每方米水所需耗电量为0.3至0.6 Kwh之间。

4 结束语

广西柳州鹅岗一区职工住宅综合楼项目采用稳压补偿式无负压供水设备的实例证明，由于无需修建蓄水池或水箱，节省了土建费用；充分利用自来水管网压力，不仅能选用扬程较小的加压泵，减少设备投资，还使每立方水的加压耗电量降至为0.3～0.6 Kwh，节能效果明显；设备全密封运行，消除了空气及异物进入管网系统导致的污染问题；设备智能化控制全自动运行，管理维护方便，运营成本降低；全面提高了供水可靠性。

目前，南宁局集团公司已在桂林市的高层住宅项目中推广使用这一供水模式及设备。