仇麗娉 王清勤 吳偉偉 何春霞 趙健仁 王博雅 呂行

1哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院

2中國建筑科學(xué)研究院

“十二五”時(shí)期，我國農(nóng)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%，農(nóng)村自來水普及率為76%[1]。但是仍有部分地區(qū)尤其是貧困農(nóng)村地區(qū)受限于自然條件和經(jīng)濟(jì)條件的制約，公共配套設(shè)施如給水設(shè)施、消防設(shè)施水平將無法全部普及，部分農(nóng)村在較長一段時(shí)間內(nèi)仍需維持采用井水等分散式供水的方式。

但是這種供水方式安全防護(hù)措施差，存在墜井風(fēng)險(xiǎn)。雨水、揚(yáng)塵、垃圾、污物易于進(jìn)入井中，井水水質(zhì)難以保障。人力取水用水，便利性差。冬季路面結(jié)冰，易造成摔傷事故。此外，農(nóng)村地區(qū)消防隱患突出，可燃物資堆放較多，一旦發(fā)生火災(zāi)，井水不足以作為滅火的及時(shí)性水源，缺乏自救能力。

用水、消防安全關(guān)系千家萬戶的福祉，2016年，我國已啟動(dòng)實(shí)施農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程，對已建工程進(jìn)行配套、改造、升級。響應(yīng)國家號召，采用適宜改造技術(shù)，解決農(nóng)村用水、消防隱患，對于改善農(nóng)村生活條件，促進(jìn)農(nóng)村社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大意義。

1 改造案例背景

為解決上述井水用水安全性、便利性問題，以河北省遵化市西留鄉(xiāng)東留村某戶為例進(jìn)行給水、消防、配電改造。此庭院建于1990年，為坡屋頂單層建筑（平面圖見圖1），屬于這一地區(qū)代表性的農(nóng)房建筑。

圖1 改造區(qū)域平面圖

改造前，該住宅采用水泵抽水加室內(nèi)儲(chǔ)水缸的用水方式取水費(fèi)力且冬季取水地上易結(jié)冰，影響出行安全；且建立初期未設(shè)置任何消防設(shè)施，村民消防意識淡薄，農(nóng)忙時(shí)院前院后會(huì)有作物秸稈堆積，極易引起火災(zāi)。

基于此，對住宅的改造目標(biāo)有：

1）設(shè)置符合住宅家庭需求的給水系統(tǒng)，取代之前老舊的人力水井，為生活用水帶來便利的同時(shí)也減少了安全隱患，保障了水質(zhì)安全。

2）建立消防系統(tǒng)，配置消防設(shè)施，火災(zāi)發(fā)生時(shí)可正面出擊，直接消滅火點(diǎn)，迅速出水，緩解火情。

3）針對消防用水系統(tǒng)進(jìn)行配電改造，避免室內(nèi)停電時(shí)，給水、消防系統(tǒng)用電問題。

2 改造設(shè)計(jì)

2.1 給水設(shè)計(jì)

2.1.1 水量計(jì)算

根據(jù)《農(nóng)村給水設(shè)計(jì)規(guī)范》 CECS82:96中的要求（見表1）計(jì)算用水量。

按表1，改造住宅屬于“戶內(nèi)有給水排水和衛(wèi)生設(shè)備、無淋浴設(shè)備，地區(qū)類型為村莊”，最高日用水量為40～100L/人，小時(shí)變化系數(shù)為2.5～1.5。保守計(jì)算選擇最高日用水量100L/人。因?yàn)樽≌饕盟疄榇妒潞颓逑?，用水集中，最大時(shí)用水量與平均時(shí)用水量差別會(huì)比較大，為了保證管道在高峰用水時(shí)能滿足要求，小時(shí)變化系數(shù)按2.5計(jì)算。

表1 農(nóng)村生活用水定額

以該住宅內(nèi)有5人居住為例計(jì)算，規(guī)范[2]要求分散型的住宅采用設(shè)計(jì)秒流量的計(jì)算方法，得到設(shè)計(jì)秒流量為0.5L/s。

2.1.2 管徑及水力計(jì)算

根據(jù)規(guī)范[2]對生活給水管道水流速度的要求（見表2），以及計(jì)算得到的給水量推算出給水管徑。

表2 生活給水管道的水流速度

經(jīng)計(jì)算，給水系統(tǒng)的給水管徑均為DN15。

2.1.3 給水壓力

由規(guī)范[3]可知，農(nóng)村給水系統(tǒng)給水干管最不利點(diǎn)的最小服務(wù)水頭單層建筑可按5～10m計(jì)算，即0.05～0.1MPa。

2.2 消防設(shè)計(jì)

針對我國農(nóng)村現(xiàn)有消防基礎(chǔ)設(shè)施和傳統(tǒng)消防管理機(jī)制薄弱的特點(diǎn)，綜合考慮住宅用水量及周邊環(huán)境，基于村內(nèi)沒有自來水及水庫的現(xiàn)狀，農(nóng)村住宅消防裝置設(shè)計(jì)的原則為：消防設(shè)施主要用于阻止戶內(nèi)小火勢的蔓延，大型火災(zāi)需由消防隊(duì)滅火。因此戶內(nèi)建造地下室儲(chǔ)水罐兼作消防水源（圖2），建立地下閥門井，設(shè)置泄水閥，且在室外墻上設(shè)置消火栓[4]。

圖2 給水、消防系統(tǒng)圖

1）消防水量。農(nóng)村不具有給水管網(wǎng)條件，消防用水只能與生活用水合并，配置一支消防水槍，根據(jù)規(guī)范[4]，消防水量為5L/s，消防給水管徑不小于100mm，消防給水壓力最小為0.1MPa，按照小火勢10分鐘計(jì)算，所需消防水量為3m3。

2）消防距離。消防水帶的長度需要滿足火災(zāi)發(fā)生時(shí)，消防水槍可以顧及到建筑中各個(gè)角落，經(jīng)測量，消防水槍設(shè)置點(diǎn)到戶內(nèi)最遠(yuǎn)點(diǎn)的距離是33m，消防水槍射程遠(yuǎn)、水量大，因此選擇消防水帶長度為30m。

3 給水、消防系統(tǒng)改造

3.1 澆筑地下室

為保證使用人員安全問題，避免村民掉入井中，在井口周圍澆筑地下室，將取水口置于地下室，井中放置潛水泵用來提水，并將水存放于地下室中的儲(chǔ)水罐，再經(jīng)由儲(chǔ)水罐配送至用水點(diǎn)。地下室有一定保溫防凍作用，使得儲(chǔ)水罐中的水不至于結(jié)冰，可以保證常年使用而不凍。還可以儲(chǔ)存蔬菜，一室多用。

3.2 設(shè)備選型

基于當(dāng)?shù)剞r(nóng)村用水分散、家家都有水井的特點(diǎn)，以原有取水方式（水泵抽水加室內(nèi)儲(chǔ)水缸）進(jìn)行改造，需要選型的設(shè)備為潛水泵、儲(chǔ)水罐。

1）儲(chǔ)水罐。經(jīng)計(jì)算，給水設(shè)計(jì)流量為0.5L/s，住宅中用水零散，主要用在衛(wèi)生間與廚房，一般沒有大量用水的可能，儲(chǔ)水罐按照1小時(shí)用水量來計(jì)算則需要1.7m3的容量；消防水量為5L/s，消防給水管徑不小于100mm，消防給水壓力最小為0.1MPa，按照小火勢10分鐘計(jì)算，所需消防水量為3m3。綜上選擇家用壓力儲(chǔ)水罐容積為5m3，尺寸Φ1800×2000mm。

圖3 潛水泵位置圖

2）潛水泵。將潛水泵置于井水下距地下室地面3m處（圖3），則潛水泵將井水送至儲(chǔ)水罐入口，所需揚(yáng)程為5m，選擇水泵揚(yáng)程時(shí)考慮1.2倍的保證系數(shù)，經(jīng)過選型潛水泵參數(shù)為揚(yáng)程7m，流量7m3/h，電壓220V，尺寸19cm×19cm×47cm，轉(zhuǎn)速2900r/min。

3）消防水槍。消防水槍設(shè)置于前院便于取用的位置，其保護(hù)半徑約為10～12m，槍頭部設(shè)置可旋轉(zhuǎn)的噴水調(diào)節(jié)頭，以應(yīng)對不同的火災(zāi)類型，增強(qiáng)滅火效果。

3.3 自控系統(tǒng)

將水泵與儲(chǔ)水罐統(tǒng)稱為提水裝置，其主要功能是將井水提至儲(chǔ)水罐中。為此系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)控制系統(tǒng)（圖4），由壓力傳感器與電控箱控制儲(chǔ)水罐水位，解決了人工提水的不便。

圖4 自動(dòng)控制示意圖

以儲(chǔ)水罐內(nèi)壓力作為控制對象，電控箱作為控制器，潛水泵作為執(zhí)行器。通過反饋儲(chǔ)水罐內(nèi)空氣壓力來控制潛水泵的啟閉。當(dāng)儲(chǔ)水罐內(nèi)空氣壓力低于設(shè)定參數(shù)時(shí)，潛水泵工作。當(dāng)儲(chǔ)水罐內(nèi)空氣壓力高于設(shè)定參數(shù)時(shí)，潛水泵停止工作，從而達(dá)到控制儲(chǔ)水罐內(nèi)水位的功能。

1）儲(chǔ)水罐壓力設(shè)定值。由前文可知生活用水點(diǎn)壓力最小為0.05～0.1 MPa，消防用水點(diǎn)最小給水壓力為0.1 MPa，因此用水系統(tǒng)最小給水壓力為0.1 MPa，若不設(shè)置給水泵，則需要儲(chǔ)水罐中保持一定壓力從而保證系統(tǒng)中用水點(diǎn)壓力滿足規(guī)范要求。綜上，儲(chǔ)水罐中空氣壓力應(yīng)大于1.54 MPa。

2）控制系統(tǒng)。儲(chǔ)水罐中空氣壓力為控制參數(shù)，為保證系統(tǒng)水壓要求自控系統(tǒng)的設(shè)定參數(shù)為0.3～0.4 MPa。壓力傳感器反饋儲(chǔ)水罐內(nèi)空氣壓力，壓力傳感器反饋值與設(shè)定值經(jīng)過控制器計(jì)算比較，控制潛水泵運(yùn)行或停止工作，從而控制儲(chǔ)水罐內(nèi)的空氣壓力。即當(dāng)水罐內(nèi)空氣壓力低于設(shè)定值0.3 MPa時(shí)，潛水泵工作；當(dāng)儲(chǔ)水罐內(nèi)空氣壓力高于0.4 MPa時(shí)，潛水泵停止工作。壓力在 0.3 MPa 與0.4 MPa 時(shí)分別代表最低水位與最高水位。

3.4 閥門井

由圖5，閥門井中設(shè)置泄水閥與截止閥。閥門井位于地下 2 m，井有保溫防凍作用，井內(nèi)管道、閥門在冬季不凍壞，均可正常使用。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，抽取儲(chǔ)水罐中的水配以簡單的消防水槍，達(dá)到滅火的目的。截止閥在滅火后需關(guān)閉，防止消防水槍因人為或其他原因損壞而導(dǎo)致非火災(zāi)期間出水工作。并且打開泄水閥，將消火栓豎管內(nèi)的水放盡，避免積水在管中導(dǎo)致管道侵蝕、冬季時(shí)凍壞豎管的情況。達(dá)到雙重保障效果。

圖5 閥門井

4 配電改造

1）配電現(xiàn)狀。農(nóng)村用電通常是從室外總閘箱將電引入室內(nèi)配電箱，再將電配置給各個(gè)用電設(shè)備，現(xiàn)改造的給水及消防水系統(tǒng)中的潛水泵及控制系統(tǒng)也將在戶內(nèi)取電。

2）現(xiàn)有需求。若戶內(nèi)非正常斷電時(shí)（火災(zāi)、保險(xiǎn)絲損壞等），潛水泵與控制系統(tǒng)將因斷電而無法正常工作，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓而停止供水，會(huì)嚴(yán)重影響住宅的正常生活用水，更甚者將造成消防系統(tǒng)無法運(yùn)行、火情無法控制緩解從而蔓延的后果，對人身財(cái)產(chǎn)安全造成巨大威脅。因此，現(xiàn)有農(nóng)村配電方式存在室內(nèi)用電發(fā)生異常時(shí)給水消防系統(tǒng)也將不能正常運(yùn)行的問題。

圖6 配電改造后

3）改造方式。為解決以上問題，給水及消防系統(tǒng)的配電將單獨(dú)從戶外引入。戶內(nèi)設(shè)置兩個(gè)用電箱，一個(gè)負(fù)責(zé)給水及消防系統(tǒng)，保證其正常工作。另一個(gè)負(fù)責(zé)室內(nèi)其他設(shè)備的供電，從而解決戶內(nèi)斷電時(shí)給水及消防系統(tǒng)無法工作的問題。將用水系統(tǒng)的配電改造為直接從室外總閘箱接線，如此，在戶內(nèi)斷電時(shí)，給水及消防系統(tǒng)仍舊可以保持正常運(yùn)作，保證了消防和生活用水（圖6）。此時(shí)每戶要配置兩塊電表，文明取電。

5 實(shí)施效果

1）給水系統(tǒng)改造效果。改造后，戶內(nèi)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，人員掉入井中幾率大大降低。井水污染途徑漸少，提高井水水質(zhì)。無需人力提水，用水十分便利。不會(huì)在冬日路上漏水成冰，妨礙出行。澆筑的地下室保溫防凍、一室多用，不僅作為用水系統(tǒng)儲(chǔ)水罐的設(shè)備間，且還可以放置瓜果蔬菜，做儲(chǔ)備用。

2）消防改造效果。此住宅最初無滅火措施，而消防系統(tǒng)的建立為生命和財(cái)產(chǎn)安全提供了重要保障，有助于減少農(nóng)村火災(zāi)事故，降低死傷和重大財(cái)產(chǎn)損失，提高農(nóng)村總體安全水平，進(jìn)一步充實(shí)了農(nóng)村的滅火力量，保證了在消防人員到來之前能夠有效開展撲救。

3）配電改造效果。配電改造解決了給水及消防系統(tǒng)的使用連續(xù)性、安全性問題，保障用戶在停電時(shí)的用水需求。且在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，消防水系統(tǒng)可正常運(yùn)行，及時(shí)控制火勢。配電改造結(jié)合以上兩項(xiàng)技術(shù)共同改造對住宅確有實(shí)效。

6 結(jié)論

經(jīng)過對該戶進(jìn)行用水系統(tǒng)、消防、配電等改造，提高了住宅用水的便利性及房屋的安全性。現(xiàn)有以下兩點(diǎn)需要說明：

1）文中的改造方法對以井水為水源的住宅的用水系統(tǒng)、配電、消防等改造具備較高適用性，既保證了人員安全，保障了水質(zhì)，又提高了用水便利度。

2）配電改造需要在戶內(nèi)設(shè)置兩個(gè)配電箱，因此必須要采用兩塊電表分別計(jì)量繳費(fèi)，避免因直接從室外配電箱取電導(dǎo)致偷電漏電行為。

改造已通過國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心評估，改造后用水的便利性明顯提高，同時(shí)為家庭安全提供了強(qiáng)有力的保障，在村鎮(zhèn)建筑安全防火改造中具有良好的示范作用，符合國家以工促農(nóng)，以城帶鄉(xiāng)的發(fā)展戰(zhàn)略，有利于創(chuàng)造安全、健康、便利的農(nóng)村居住環(huán)境。