城市二次供水装置发展现状和展望

林吉赐，王耀红，邱 熙

（广州水泵机械设备有限公司，广州 510375）

0 引言

随着生活水平和生活质量的提高，人们对饮用水的安全卫生的要求越来越高，对节能环保越来越重视。然而城市现代化水平的也在不断提高，城市人口居住密度与高层建筑的不断增加，一次供水从技术、经济可行性上，都已经无法独自满足城市工业生产和居民的生活要求，因此城市二次供水装置就变得必不可少，对这种供水进入千家万户的城市二次供水装置也提出了更高的要求[1-3]。

由于人们对这种城市二次供水装置存在着严重的依耐性，应运而生了各种各样的城市二次供水装置、区域性储水调峰装置、局部增压装置（以下统称城市二次供水装置）。然而这些城市二次供水装置或多或少都存在能源浪费，容易产生二次污染，供水质量不高的情况。本文介绍了一种具有创新型的机组立体分层布置的全封闭无负压叠压供水装置，通过对其结构的剖析，工作原理的阐述，跟传统的现有的普通城市二次供水装置进行比对，验证了该城市二次供水装置有效的解决了上面所提到的能源浪费，容易产生二次污染，供水质量不高的问题，达到了能在正常时段和管网用水高峰时连续地向给水管网供水，既保证了用水的安全性和灵活性，又杜绝了水的二次污染，同时达到了节能的效果[4-12]。

1 城市二次供水装置的发展过程

城市二次供水装置是指通过区域性储水调峰与局部增压等设施，供给满足用户用水量与水压要求的供水装置。我国二次供水兴起于20世纪70年代，当时，由于受经济、技术与认识条件的限制，我国《城市供水条例》中曾明确规定：“禁止在市政供水管网公共供水管道上直接装泵抽水。”这是因为，当市政供水管网公共供水管道所能提供的流量小于用户所需要的水量时，抽水时可能产生的负压会干扰水力工况，影响周围用水，甚至造成管网破坏。所以，传统的二次供水装置设计时，首先需建一个开放式水池或水箱，如图1所示，再用增压供水泵将开放式水池或水箱中的储水加压到用户供水管网。这样就诞生了第一代的传统（开放水池）二次供水装置，到了20世纪90年代，人们注意到城市市政管网里有压力的水直接放入蓄水池，管网里的既有的能量就白白浪费掉了，因此设计出第二代的罐式无负压供水装置，如图2所示，这样比较好地利用了市政管网里的能量，但同时又带来了对市政管网压力的冲击，供水稳定性和安全性比较差等缺点，也无法解决水的二次污染的问题，同时也丧失了蓄水调峰的功能，或者说蓄水调峰的功能很差。为了解决这些缺点，又设计出第三代的箱式无负压供水装置，该装置虽然解决了上面说的很多缺点，但仍然存在着水依然比较容易被污染，系统管理过于复杂等缺点[13-15]。

图1 传统的二次供水装置

图2 罐式无负压供水装置

下面对发展过程中的3种城市二次供水装置一一做剖析，分析各自的优缺点，同时提出一种具有创新型的机组立体分层布置的全封闭无负压叠压供水装置。

2 传统（开放水池）二次供水装置的利弊

2.1 传统二次供水装置的优势

传统二次供水装置的优势主要表现为以下两点[16-19]。

（1）区域性储水调峰能力强

由于开放式水池或水箱容积大，能有效地进行水量的吞吐，即在非用水高峰时储存水量（此时市政供水管网公共供水管道所能提供的流量Q1大于用户所需要的水量Q2，即Q1＞Q2），而在用水高峰（Q1＜Q2）时释放所储存的水量，因此能有效地保障区域性用户用水的可靠性，减轻了用水高峰时居民对市政供水管网公共供水系统的需求压力。

（2）对市政供水管网公共供水管道无干扰

由于市政供水管网公共供水管道流入开放式水池或水箱的流量是由供水公司计划安排的，并受到进水管道管径的严格限制；由于水泵只是在开放式水池或水箱中抽水，故区域性用水量变化与水泵工作始终不会对市政供水管网公共供水管道产生负压，干扰公共供水管道水力工况，影响周围用户用水。

2.2 传统二次供水装置的弊端

传统二次供水装置的弊端主要表现为以下3点[20-23]。

（1）能源浪费严重

市政供水管网公共管道供水一般均具有0.2～0.3 MPa的出口压力，该压力进入开放式水池或水箱后，却被泄压归零，完全浪费掉了。这部分未能利用的能量（按平均0.25 MPa的出口压力计算）每吨水高达0.15度电，占到二次供水耗电量的20%～60%（楼层高时所占比例小，楼层低时所占比例高），天长日久将是一笔非常庞大的电费支出与能源浪费。

（2）水质容易受到污染

随着水处理技术与市政供水管网公共管道质量的提高，现在许多城市自来水据说都已经具备了直饮功能。但是，在现实生活中人们却又普遍反映自来水供水质量差、有异味，有不明孽生物，甚至有红虫。这些矛盾，实际上都是二次供水过程中开放式水池或水箱惹的祸。已经经过消毒处理的自来水，在开放式水池或水箱储存过程中，通过溢流孔与进气孔与大气及外界环境均有接触，水池（箱）若不能定期进行清洗、消毒或管理不善，就很容易造成自来水水质的二次污染。

（3）有可能浪费水资源

当开放式水池或水箱中的储存水超过警戒水位时，按设计浮球关闭阀应该能自动关闭，一旦浮球关闭阀出现故障，不能自动关闭或关闭不严时，储存水则将由溢流孔外泄，造成水资源的浪费。

3 罐式无负压供水装置的利弊

罐式无负压供水装置是一种二次增压供水设备，通过增压供水泵与市政供水管网直接连接（图2），或增压供水泵通过稳流补偿罐与市政供水管网直接连接（图3），从市政供水管网直接取水，既要求能够满足前端市政供水管网水压不低于当地供水主管部门规定的限定压力值，又要求能够满足后端用户用水需求[24-26]。

图3 通过稳流补偿罐与市政供水管网连接

3.1 罐式无负压供水装置的优势

罐式无负压供水装置的优势主要表现为以下两点。

（1）能充分利用市政供水管网压力

在第一种装置结构中（图2），增压供水泵与市政供水管网直接连接，当市政供水管网供水流量能够满足区域供水要求时，真空抑制器处于关闭状态，增压供水泵直接从市政供水管网抽水加压；当市政供水管网供水流量不能够满足区域供水要求时，电控阀门将根据压力传感器提供的数据，调整公共管道进水管进水流量，以保证前端市政供水管网水压不低于当地供水主管部门规定的限定压力值，后端区域供水管不够流量则由稳流补偿罐内储存水补充，此时，真空抑制器处于开放状态。

在第二种装置结构中（图3），增压供水泵通过稳流补偿罐与市政供水管网连接，当市政供水管网供水流量能够满足区域供水要求时，真空抑制器处于关闭状态，增压供水泵也是直接从市政供水管网抽水加压；当市政供水管网供水流量不能够满足区域供水要求时，真空抑制器处于开放状态，前端市政供水管网水流入稳流补偿罐时被泄压，增压供水泵与市政供水管网被中间断开，增压供水泵从稳流补偿罐抽水，依靠稳流补偿罐内储存水补充前端市政供水管网欠缺的流量，以满足后端区域供水管网用户的要求。

在以上两种装置结构中，当市政供水管网供水流量能够满足区域供水要求时，都能充分利用市政供水管网压力；当市政供水管网供水流量不能够满足区域供水要求时，第一种结构依然能够利用部分市政供水管网压力，第二种结构则完全不能够利用市政供水管网压力。

（2）水质比较安全

当市政供水管网供水流量能够满足区域供水要求时，真空抑制器始终处于关闭状态，只有在用水高峰期，当市政供水管网供水流量不能够满足区域供水要求时，真空抑制器才会处于开放状态，而这种时间一般比较短暂，时段内水的循环量又比较大，因此，水质与外界接触以致被严重污染的可能性较低。

3.2 罐式无负压供水装置的弊端

罐式无负压供水装置的弊端主要表现为以下4点。

（1）对市政供水管网供水流量要求高

由于罐式无负压供水装置的稳流补偿罐受设计限制容积都很小，不具备储水调峰功能，故选择该种二次供水装置时，要求市政供水管网供水流量必须能够满足用水高峰期区域供水要求，否则会牺牲区域供水质量，甚至有可能导致高峰期区域供水断流。

（2）水质仍可能被污染

当市政供水管网供水流量不能够满足区域供水要求时，真空抑制器处于开放状态，水质与外界有直接接触，这种时间虽然比较短暂，但依然有可能导致水质受外界污染。

（3）有可能浪费水资源

当市政供水管网供水压力与流量波动较大时，真空抑制器经常处于不稳定工作状态、开关动作过于频繁时，则有可能被损坏，并由此导致稳流补偿罐内储水外泄，造成水资源的浪费。

（4）有可能影响市政供水管网及周围其他用户

当市政供水管网供水流量不能够满足区域供水要求，区域供水质量下降甚至断流时，用户通过简单的技术手段，便有可能为了满足后端用户用水需求，而牺牲前端市政供水管网水压的限定压力值，影响市政供水管网周围其他用户的用水质量，甚至危及市政供水管网的安全。

4 箱式无负压供水装置的利弊

由于罐式无负压供水装置的稳流补偿罐受设计限制容积都很小，不具备储水调峰功能，故选择该种二次供水装置时，要求市政供水管网供水流量必须能够满足用水高峰期区域供水要求，而这一要求通常是市政供水管网无法满足的，或市政供水管网虽能满足，但会要求使用者付出昂贵的增容使用费。因此，人们便希望能通过其他方式提高供水装置的储水调峰功能，箱式无负压供水装置（图4）实际上是一种罐式无负压供水装置与传统（开放水池或水箱）二次供水装置结合的产物。

图4 箱式无负压供水装置

4.1 箱式无负压供水装置的优势

箱式无负压供水装置的优势主要表现为以下两点。

（1）能充分利用市政供水管网压力

该设备增压供水泵通过稳流罐与市政供水管网直接连接，当市政供水管网供水流量能够满足区域供水要求时，增压供水泵直接从市政供水管网抽水加压；当市政供水管网供水流量不能够满足区域供水要求时，电控阀门将根据压力传感器提供的数据，调整公共管道进水管进水流量，以保证前端市政供水管网水压不低于当地供水主管部门规定的限定压力值，后端区域供水管不够流量则由开放式水池或水箱内储存水补充。增压装置将开放式水池或水箱内的水增压到与市政管网相同的压力，有利于保证系统工作稳定与更加节能。

（2）具备储水调峰能力

由于开放式水池或水箱容积大，能有效地进行水量的吞吐，即在非用水高峰时储存水量（此时市政供水管网公共供水管道所能提供的流量Q1大于用户所需要的水量Q2，即Q1＞Q2），而在用水高峰（Q1＜Q2）时释放所储存的水量，因此能有效地保障区域性用户用水的可靠性，减轻了用水高峰时居民对市政供水管网公共供水系统的需求压力。

4.2 箱式无负压供水装置的弊端

箱式无负压供水装置的弊端主要表现为以下3点。

（1）水质仍可能被污染

与传统供水装置相同，已经经过消毒处理的自来水，在开放式水池或水箱储存过程中，通过溢流孔与进气孔与大气及外界环境均有接触，水池（箱）若不能定期进行清洗、消毒或管理不善，就很容易造成自来水水质的二次污染；与传统供水装置不同，当市政供水管网供水流量能够满足区域供水要求时，增压供水泵通过稳流罐与市政供水管网直接连接抽水，此时，水池（箱）中的储存水处于完全静止状态，俗称“死水”，更容易被污染与变质。

（2）系统管理复杂

为了保证前端市政供水管网水压不低于当地供水主管部门规定的限定压力值，电控阀门需经常调整公共管道进水管进水流量；为了避免水池（箱）中的储存水长期处于完全静止状态，系统需设置定期从水池（箱）中抽水程序，并保证抽水达到额定更新量；由于水池（箱）中的储存水无法保证不被污染，系统需另外设置消毒器；为了保证系统工作稳定与更加节能，装置需设置增压供水泵2与相关配套的控制系统。

（3）装置占地面积大、储水调峰能力弱

由于装置整体设计安装在同一平面上，因此，要提高装置储水调峰能力，装置占地面积必然要增大；要节省装置占地面积，储水调峰能力必然要降弱。为了节省占地面积，

CJ∕T302-2008标准规定：水箱有效容积宜按最高日供水量的5%确定。但制订该标准的前提条件应该是：市政供水管网供水流量基本能够满足区域高峰时供水要求。当区域用水高峰市政供水管网供水流量显著小于区域供水要求时，按该标准制造的设备如图5所示，虽然占地面积不小，但储水调峰能力在实践中还是不够的。

图5 按CJ∕T302-2008标准规定制造的设备

5 一种全封闭无负压叠压供水装置的提出

纵观城市二次供水装置的整个历史发展过程，不难看出，是从单一的要求可靠性和实用性，逐渐发展到更具有饮水安全性，更加节能环保，甚至要跟水厂和市政管网能够协同工作。按照以上对以往的各种城市二次供水装置的优缺点的分析研究，提出一种全封闭无负压叠压供水装置，该装置的目的是要提供一种全封闭无负压叠压供水装置，其机组立体分层布置，储水量大，占地面积小，无负压，无污染，安装快捷，运行可靠，供水灵活性高，更加节能，由水泵叠加市政供水管网水压，直接从市政供水管网中取水增压，能在管网用水高峰时连续地向给水管网供水。既保证了用水的安全性和灵活性，又达到了节能的目的[27-31]。

这种全封闭无负压叠压供水装置由储水罐、蓄能稳流罐、补气装置、稳压罐、吸上式稳压泵、压力传感元件、液位传感元件、电控柜、防污隔断器、阀门及连接管件等组成，如图6所示，其特征是储水罐装配在蓄能稳流罐、补气装置、稳压罐、吸上式稳压泵底部以下的下层位置。该装置是一种创新型的节能的二次供水系统装置。

图6 全封闭无负压叠压供水装置

5.1 工作原理

该装置采用储水罐，以提高装置的储水调峰能力；采用吸上式稳压泵将储水罐移至地下安装，以节省机组占地面积；采用蓄能稳流罐，利用气体的可压缩性保持系统的工作稳定；采用补气装置隔绝系统与外界的直接联系，补偿罐内气体的消耗；采用普通的压力传感元件、液位传感元件保持系统的安全。其工作控制过程及原理如下。

（1）第一次工作向系统注水时，需首先开启蓄能稳流罐上部的排气阀，直至储水罐与蓄能稳流罐内原存贮的空气被排尽，该排气阀出口有水流出后关闭。

（2）待整个系统充满水、系统压力基本稳定后开启电控柜电源，设定电控柜系统进入自动值班状态。

（3）当市政供水管网水压与供水量均能满足给水管网要求时，系统保持自动值班状态，蓄能稳流罐内液位保持不变。

（4）当市政供水管网水压偏低，但供水量能够满足给水管网要求时，吸上式稳压泵启动，并根据检测到的管网压力状态自动调节水泵配套电机转速，保持额定压力，满足给水管网要求。此时，蓄能稳流罐内液位能够得到市政供水管网及时补充，故仍能基本保持不变。

（5）当市政供水管网水压偏低、供水量也不能够满足给水管网要求时，吸上式稳压泵启动，并根据检测到的管网压力状态自动调节水泵配套电机转速，保持额定压力，满足给水管网要求。此时，蓄能稳流罐内液位将根据补水量下降。当蓄能稳流罐内顶部空间储气压力低于额定负压时，连接在蓄能稳流罐进气口与补气装置出气口之间的电动气阀将自动开启，直至蓄能稳流罐内压力达到当地大气压力或额定负压时电动气阀关闭。蓄能稳流罐内压力将控制稳定在额定负压与略低于市政供水管网进口压力之间。

（6）当蓄能稳流罐内储水用完后，储水罐的储水能够继续保持补充供水，并在相当长的时间内满足给水管网要求。当储水罐储水一直得不到市政供水管网补充，液位下降到额定液位之下时，根据液位传感元件检测到的数据，在电控柜控制下，吸上式稳压泵将会实施及时保护性自动关闭。

（7）在正常情况下，只要蓄能稳流罐内顶部空间储气压力设置合理，系统在任何工作状态下都不会导致市政供水管网出现负压。为防备系统故障，保证市政供水管网的绝对安全，系统在总进水管防污隔断装置前端设置了压力传感元件，当总进水管出现负压时，根据压力传感元件检测到的数据，在电控柜控制下，吸上式稳压泵将会实施及时保护性自动关闭。

（8）第一次工作向系统注水时，储水罐与蓄能稳流罐内原存贮的空气已经被排尽，以后由补气装置补充的气体可以是符合卫生标准的压缩空气，也可以是其他既符合卫生标准、又不溶于水的安全性气体。定期根据市政供水管网压力与流量变化现状，调整蓄能稳流罐内顶部空间储气压力与液面之间的关系，可以使系统保持最佳供水状态。

5.2 与现有技术产品相比效果

该全封闭无负压叠压供水装置与现有技术产品相比效果主要体现如下。

（1）该装置储水单元由储水罐与蓄能稳流罐共同构成，采用上下层立体布置、全封闭结构形式，与传统的二次供水方式的储水池相比，不仅能够充分利用市政供水管网进口压力，节省能源，而且能够避免二次污染，保持水质卫生；与普通叠压供水装置相比，可以大幅度增加储水体积，满足用水高峰期补充系统供水不会断档，保证给水管网用户供水质量的稳定性。

（2）该装置压力补偿单元由蓄能稳流罐、补气装置与电动气阀及控制与连接元件共同构成，与普通叠压供水装置相比，系统对外没有呼吸接口，不仅补充的是符合卫生标准的压缩空气或其他既符合卫生标准、又不溶于水的安全性气体，能够避免二次污染；而且根本没有储水外泄渠道，不可能导致泵房内电机、电器短路。

（3）该装置变频加压单元的稳压泵是吸上式稳压泵，安装在储水罐的上层，与将稳压泵安装在储水池或储水罐底部的传统方式相比，不仅可以节省泵房占地面积，大幅度增加储水体积，而且可以将泵房建设在室外空地地面位置，有利于改善泵房环境，避免出现泵房进水与被淹等现象。

（4）该装置吸上式稳压泵的吸入口设置在储水罐的底部，且一直是从该吸入口位置抽水，因此，储水罐内水的流动性比传统（开放式水池或水箱）二次供水装置与箱式无负压供水装置都好，没有死水层，不需如箱式无负压供水装置，设置定期从水池（箱）中抽水程序，并保证抽水达到额定更新量；也不需如传统开放式水池或水箱那样频繁换水与清洗。

（5）该装置吸上式稳压泵采用了一种专利技术（专利号：ZL 2007 2 0060660.4。名称：一种离心式自吸泵），该技术既能保证当储水罐内有压力时，吸上式稳压泵的效率与普通稳压泵相同；又能保证当储水罐内压力欠低时，吸上式稳压泵能自行完成自吸并正常工作。

6 结束语

“改善饮用水质量，保障水质安全”是关系到人民群众的身体健康和生命安全的大事，而研究开发节能环保型供水设备已成当务之急。传统的二次加压供水装置，由于水池、水箱造成的二次污染已直接影响了供水水质安全，甚至产生了严重的水质污染事故，随着人民生活水平的提高，被淘汰已经势在必行。现行无负压给水设备的成功引入弥补了传统供水方式的不足，但也存在方方面面的问题，特别是如何解决市政供水管网高峰期供水流量不够；展望未来，如何提高区域性供水装置储水调峰能力；如何防止区域用户使用二次加压供水装置给周边用户用水与管网带来安全隐患等矛盾，由于关系到各方面的利益和投入收益比，也需要寻找一种各方面都能够接受的方案。本文抛砖引玉，所提的立体分层布置的全封闭无负压叠压供水装置不失为一种较为可行解决的方案，希望能有利于促进我国城市二次供水装置发展的探讨，有利于促进我国城市二次供水装置产业的健康成长。