某高校二次供水工程方案设计

刘梓霖

韶关市规划市政设计研究院有限公司 广东 韶关 512000

1 供水现状及存在问题

某高校位于郊区，市政给水管网供水的中末端（地面高程92-126m），高校北侧的市政路下敷设有DN500市政给水管（高峰期管道供水高程可达107-110m），开了一条DN250给水管接入校区现有的加压泵房内，现有的高校二次加压泵站规模是建有2000m3蓄水池，加压泵站日供水量为1500m3/d，通过二次加压后对校区已建区域进行供水。

现校方计划把现有生活给水系统改为消防系统。因此，此次项目为校区新建生活用水管网，与消防系统相独立。

现状二次供水系统由于各方面条件限制，存在设施老化、水池蓄水量不足，给二次管理工作带来了很多困难。在长期的使用中发现以下问题：（1）现有的二次加压泵站选址位于地势最低处，导致加压设备的扬程增加，长期使用能耗高。年运营维护费用约48万元。（2）现状市政路下的给水系统为树状供水管网，还未形成环状供水，当市政管网及附近泵站需要维修维护时，对学院需停止供水1天，因现有的2000m3蓄水池无法满足校区日常运行所需用水量，若自来水公司不提前1天通知学校将要停水，将影响学校日常教学和学生及教职工的生活用水。（3）校区内将新建教学综合楼、办公楼、学生宿舍及教师值班用房等建筑物群，新建区域内没有敷设供水管网。

2 项目建设的目的

2.1 提升二次供水设施质量，保障高校供水安全

通过泵站、高位水池的改造，完善管网布局及泵站附属设施，加大二次供水设施管理力度，可明显改善二次供水状况。杜绝水质二次污染，保障供水水质；增加二次供水水压，解决水压不足，吃水难的问题；提高供水压力，扩大二次供水范围；提高供水安全性。

2.2 节约水资源，降低综合能耗

通过对二次供水设施的改造，提高水泵的运行效率，降低旧管网漏损率，可降低泵站运行费用、减少二次供水设施的养护维修工作，达到节约水资源，降低综合能耗的目的。

2.3 缓解供水压力

通过二次供水工程建设，集中规模，适当又有统一管理的供水系统，这样有效地保证了管网的供水压力并减少了运行费用。

通过该项目的建设，可以解决二次供水系统中存在的问题，建立校区二次供水系统，进行集中管理，提高供水质量。

3 方案设计

3.1 高校校区生活给水系统选择

由于高校的用水较集中，高峰期管网流量大，再加上校区市政引入管水量有限，难以满足瞬时高峰的水量及水压的要求[1]。所以高校普遍需要进行二次加压供水，校区生活给水系统主要存在以下几种形式：

3.1.1 市政管网直接供水

市政管网直接供水方式适用于市政管网水量和水压充足，能够全天保证绝大部分建筑物用水要求，个别建筑物可自行加压的地区。它的优点是给水系统简单，投资少，安装维修方便，充分利用市政水压，但缺点是系统内部无储备水量，当市政管网停水时，室内系统立即停水。这种在以前很常见，由于现在高校建筑高度增加，使市政水压压力很大，已很少有高校校区采用市政管网直接供水形式。

3.1.2 分区供水方式

在多层建筑中，市政供水管网只能满足建筑物下面几层水压和水量时，为了充分利用市政水压，可将建筑物供水系统分为上下两区。较低楼层（如1-3层）采用市政管网直接供水，较高楼层由泵加压直接供给或者由泵提升至高位贮水设备供水。该种给水方式充分利用市政管网水压，泵站运行费用较低，但是需要敷设两套给水管网，投资费用较大，多为新建校区中常见的给水形式。

3.1.3 水泵水箱（水池）联合给水方式

当市政供水管网水压经常不足、校区用水不均匀时可采用的水泵水箱（水池）联合给水方式。市政水源引入管连接水箱（水池）储存水量，水源通过泵加压后输送给用户。现高校就是采用这种方式供水，未能充分利用市政管网水压，泵站运行费用较大。

3.1.4 变频调速给水方式

变频恒压供水是指在供水管网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。供水管网的出口压力值是根据用户需求确定的。

变频调速水泵工作原理：当给水系统中流量发烧变化时，扬程也随之发生变化，压力传感器不断向微机控制器输入水泵出水管压力的信号，如果测得的压力值大于设计给水量对应的压力值时，则微机控制器向变频调速器发出降低电流频率的信号，从而使水泵转速降低，水泵出水量减少，水泵出水管压力下降，反之亦然。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水池、气压罐等设施实现的。

3.1.5 无负压供水方式

无负压供水设备又叫叠压供水设备，水源为自来水充分利用市政管网自身压力，实现“差多少，补多少”的二次供水供水方式。优点是充分利用自来水管网自身压力，节能省耗；节省占地，避免二次污染；避免系统频繁工作，节省运行费用。缺点是因为无负压供水没有水箱，虽能储水，但水量极少，一旦市政管网停水，用户很快也跟着停水，所以在选择无负压供水时，也可以考虑箱式无负压供水设备，增加蓄水量，以满足不同用户的需求[2]。

上述供水方式各有优缺点，根据某高校的实际建设情况选择合理的供水方式，既能节约能源也可以防止水质二次污染。结合某高校二次供水现状，根据泵站所处位置的不同，二次供水系统方案采用“无负压泵站+水池调蓄+变频供水”形式。泵站考虑供水时变化系数大的特点，在水泵的选用上选择安全、可靠、运行平稳的水泵，并采取变频调速措施，满足不同用水量的需求。

3.2 高位水池设计

由于某高校位于S市的最东端，属于市区供水管网的末端，供水管道单一，但其却肩负着学院近3万师生的饮水需求，供水安全性尤为突出，因此业主方面特别强调必须在供水工艺中额外增加高位水池的容量，以确保学院的供水安全。

在高校高处（现B园附近围墙北侧）新建山顶高位水池一座，由三个尺寸为B×L×H=19.5m×27.3m×4m的矩形蓄水池构成，有效容积为6000m3，占地面积约1600m3，地坪标高约125m。水池规格满足设计相关规范，参考国家标准图集《矩形钢筋混凝土蓄水池》（05S804）。

3.3 泵站参数计算

3.3.1 无负压加压泵站设计给水流量

根据某高校提供的校园给水管网现状情况分析，拟从室外DN500给水管上接出一根DN250管进入无负压加压泵房，管网流速按照经济流速取1.4m/s时，泵房接入管的流量约250m3/h，特选无负压加压泵站流量：250 m3/h。

3.3.2 变频供水设备流量计算：

计算公式如下：

Q—小时用水量

q0—最高用水日的用水定额，按表3.1.9[3]取用，取120L/d

N0—用水总人数，近期按15000人计算，远期人数按32000计(校区扩建后总用水人数)

Kh—小时变化系数，取2.5

T—用水时数（h），取24

带入数据得：带入数据得近期Q=190m3/h、远期Q=400 m3/h。

3.3.3 系统扬程计算

加压泵站所需压力

Hb≥（Hy+Hc+∑h）-Ho

其中：Hb—水泵满足最不利点所需水压[4]；

Hy—最不利配水点与引入管的标高差（从室外地坪算起）；

Hc—最不利点配水点所需流出水头；

Ho—市政最小水压；

∑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。

①无负压扬程计算

无负压泵房地面高程92m，高位水池地面高程125m。市政管网压力约0.15MPa。无负压至高位水池管长L约为1000m。

给水管DN250,v=1.426m/s，i=0.0131

Hy=125-92=33m

hf=il=0.0131×1000=13.1m

hd=20%hf=0.2×13.1=2.62m

h水池≈3.8m h富余=2m

∑h=hf+hd+h水池+h富余=21.52m

Ho（市政压力）=15m

扬程：Hb=Hy+∑h-Ho=33+21.52-15=39.52m，扬程按结果取整为40m。

②高位水池泵站扬程

最不利供水高度为137m，最远距离约长1200m。

给水管DN300,v=0.747m/s，i=0.00319

Hy=137-125=12m

hf=il=0.00319×1200=3.828m

hd=20%h1=0.2×3.83=0.77m h富余=2m

∑h=hf+hd+h富余=6.6m

扬程：Hb=Hy+∑h=12+6.6=18.6m，扬程按结果取整为20m。

3.3.4 设备参数

①无负压给水泵站

1、泵站设计规模：泵站设计规模Q=250m3/h。

2、扬程：采用补偿式叠压供水设备，进水管道设计压力为15m，设计离心泵扬程为40m。

3、泵房位置：泵站选址于现西区泵站取水口旁空地处。

4、设备选择：采用补偿式叠压供水设备，其中设备含水泵4台、补偿罐一座。

泵型号：Q=90m³/h，H=40m，N=19kw。数量4台（三用一备）。

补偿罐型号：容积2.8m3。

外电源：供电为二级负荷，一用一备两路电源引入。

②变频供水泵房

1、泵站设计规模：泵站设计规模Q=190m3/h，扬程20m。

2、泵房位置：泵站选址于西区丁香苑以东现东南园附近围墙北侧。

3、设备选择：采用变频供水设备，配隔膜气压罐一台。

泵型号： Q=100m3/h，H=20m，N=11kw。数量3台（两用一备）。

气压罐型号： 总容积750L。

外电源：供电为二级负荷，一用一备两路电源引入。

4、备注：远期流量400m3/h。考虑使用变频稳压设备，预留远期泵组位置。

3.3.5 给水方案设计

根据给水系统现状并结合用水量计算结果，总体方案采用“无负压泵站+水池调蓄+变频供水”形式，具体方案为从市政给水管网引一条DN250给水管至西区泵站取水口旁空地的无负压泵房，经加压后由DN250给水管输送至西区A苑以东,现B园附近围墙北侧的高位水池，再通过给水加压泵组输送至西片校区建筑物，详见图1给水管道总平面图、图2无负压给水泵房工艺图、图3高位变频供水泵房工艺图。

图1 给水管道总平面图

图2 无负压给水泵房工艺图

图3 高位变频供水泵房工艺图

具体工程内容为：

①无负压给水泵站一座，设计规模Q=250m3/h，扬程40m；选址在现西区泵站取水口旁空地，泵房用地面积250m2，建筑面积约60m2，地坪标高约92m（黄海高程，以下同）。②在西区A苑以东,现B园附近围墙北侧新建山顶高位水池一座，由三个尺寸为B×L×H=19.5m×27.3m×4m的矩形蓄水池构成，有效容积为6000m3，占地面积约1600m2，地坪标高约125m。

③在高位水池北侧新建西区管网变频供水泵站一座，近期设计规模Q=190m3/h，扬程20m，远期规模Q=400m3/h，预留远期水泵基础位置。泵房包括设备间、监控室及工具间，建筑面积约80m2，地坪标高约124m；泵房及高位水池用地面积3154m2。④新建二次供水管网系统4313m，从市政给水管网引一条给水管至无负压泵房，经叠压后输送至高位水池，再通过给水加压泵组给西片校区建筑物供水，给水管径DN100—DN300。二次供水管网DN300管长约945m，DN250管长约1186m，DN200管长约1830m，DN150管长约17m，DN100管长约335m。

4 结语

随着某高校发展的日益加快，学校规模不断地扩大，原有的供水系统已经不能满足学校发展的需求。为解决某高校的供水不足、二次供水管网不完善等问题，提出二次供水方案。在接到任务后，单位成立专项设计小组，多次到现场进行调研，详细了解学院内的管网现状，在聆听业主的具体要求后，针对管网路由、无负压供水设备选型等两大重点内容进行了深入的研究分析。

为确保学院的供水安全，设计小组在供水工艺中额外增加高位水池的容量，并本着合理设计，节约投资的原则，对供水工艺的各个关键节点进行复核，并对多个不同的设备供应厂家进行咨询。研究认为，在高位水池能确保供水安全的前提下，输水管路上的两座无负压泵房的供水安全性可适当降低，通过采用定时提升和低峰期抽水的策略，解决高峰时期学院供水与外单位供水抢水、形成管道负压的矛盾，缓解了该片区的市政供水压力。二次供水系统建成运行至今，节能节水效果显著，改善了校区的供水水质，保障了用水安全，对国内其他高校或者小区管网改造工程设计具有一定的参考意义。