張宗團(tuán)

中鐵城建集團(tuán)有限公司 湖南 長沙 410000

引言

在城市化進(jìn)程不斷加快的過程中，為滿足人們對(duì)美好生活的追求，新建建筑不斷增多，基于土地資源的緊缺和工作生活的需求，現(xiàn)代建筑趨于高層化、密集化[1]，導(dǎo)致早初設(shè)計(jì)建設(shè)的城市供水管網(wǎng)處于高負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，因此出現(xiàn)用水高峰期水壓不足、斷流等現(xiàn)象，但人們對(duì)供水質(zhì)量的要求卻在同步提高[2]，這兩者矛盾日益突出，然而調(diào)高市政供水管網(wǎng)壓力和增大市政管網(wǎng)輸水管徑將大大增加建設(shè)及運(yùn)行成本，且會(huì)因城市道路開挖引起交通堵塞等棘手問題[3]，所以在不能滿足水壓要求的建筑內(nèi)增設(shè)二次加壓設(shè)備，通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選和數(shù)據(jù)分析，按照實(shí)際情況擇優(yōu)選擇二次供水方式不僅可以降低運(yùn)行成本，也可避免引發(fā)以上社會(huì)問題。

1 工程概況

蘭州重離子醫(yī)學(xué)研究中心一期工程位于蘭州市城關(guān)區(qū)北面灘，是我國首臺(tái)重離子治癌設(shè)備的研發(fā)及調(diào)試中心，位置偏于市政供水管網(wǎng)末端，市政給水管網(wǎng)供水壓力白天高峰期最低值僅為0.08MPa，夜間最高為0.22MPa，設(shè)計(jì)供水壓力為0.35MPa，因此在項(xiàng)目投入使用后建設(shè)單位為確保設(shè)備的調(diào)試進(jìn)度，要求新增一套二次供水增壓設(shè)備，初期設(shè)計(jì)方案為以氣壓罐+變頻調(diào)速泵聯(lián)合的無負(fù)壓二次供水方式[4]，設(shè)備安裝完成后，在調(diào)試中出現(xiàn)了變頻調(diào)速泵不啟動(dòng)現(xiàn)象，造成了一起一般施工質(zhì)量事故，后將二次供水方式變更為變頻泵+給水水箱方案。

2 建筑給水二次增壓系統(tǒng)類型

目前，建筑二次增壓供水主要有變頻泵+給水水箱方案和以氣壓罐+變頻調(diào)速泵聯(lián)合的無負(fù)壓供水兩種方式[5]。前者利用市政管網(wǎng)的壓力在水箱中蓄水，然后通過變頻泵向建筑給水系統(tǒng)加壓供水，優(yōu)點(diǎn)在于有較大容積的蓄水水箱（池），可起到緩沖調(diào)節(jié)作用，在供水高峰期，不會(huì)對(duì)管網(wǎng)水壓造成不利影響，且安全穩(wěn)定，建設(shè)成本低；弊端在于城市管網(wǎng)壓力沒有得到最大化利用，造成能量浪費(fèi)，且需安裝體積較大的給水水箱，也會(huì)造成水質(zhì)二次污染[6]，需加強(qiáng)后期水箱的清理保潔工作。后者以不銹鋼穩(wěn)流調(diào)節(jié)罐作為進(jìn)水儲(chǔ)水緩沖裝置直接與市政管網(wǎng)相連，通過監(jiān)測(cè)市政管網(wǎng)壓力，微機(jī)自動(dòng)控制子變頻器啟動(dòng)，調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，直到管網(wǎng)壓力上升到用戶所需壓力，并控制水泵以一恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行進(jìn)行恒壓供水，設(shè)備直接串聯(lián)在自來水管網(wǎng)上，不用建水池[7]。夜間小流量供水及自來水管網(wǎng)壓力不能滿足要求時(shí)，氣壓罐可貯存并釋放能量，避免水泵頻繁啟動(dòng)，弊端在于因?yàn)樾枰艿乐斜仨氂谐渥愕乃?，如市政給水管道水壓低于0.2MPa，氣壓罐中將會(huì)無法注入水，或者水量不足，導(dǎo)致系統(tǒng)無法啟動(dòng)。

3 變頻泵+給水水箱的二次供水方式

變頻泵+給水水箱的二次供水方式除了水箱和變頻泵外還有進(jìn)出水管、變頻控制柜、控制閥門、軟連接件等。在二次加壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，因隨著水箱進(jìn)水管的不斷減小，市政管網(wǎng)的壓力波動(dòng)幅度就會(huì)變小，而且進(jìn)水量也可以有效確保用戶的用水需要，因此應(yīng)當(dāng)將生活水箱進(jìn)水管管徑進(jìn)行適當(dāng)減小。蘭州重離子醫(yī)學(xué)研究中心一期工程供水管為DN150，二次增壓水箱進(jìn)水管設(shè)計(jì)為DN100。

3.1 給水水箱水位的控制

3.1.1 高水位控制措施：水位控制目前應(yīng)用最多、最簡單的是在水箱進(jìn)水管上設(shè)置一浮球閥，當(dāng)水位到最高限位時(shí)，浮球依靠水的浮力向上浮起，帶動(dòng)與其連接的杠桿抬起使得管路上的活塞往外推，活塞頂端安裝的密封橡膠墊圈堵住了管路進(jìn)水，相應(yīng)的水位最低時(shí)杠桿往里拉，密封橡膠墊圈打開，從而達(dá)到水位控制[8]。雖其成本低，但因杠桿與管路相連處易生銹，造成浮球閥失靈，安全可靠性較差，且僅可瞬間啟閉，對(duì)市政管網(wǎng)壓力產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其壓力出現(xiàn)波動(dòng)。遙控浮球閥可解決上該弊端，其主閥安裝于管網(wǎng)進(jìn)水管上，小浮球安裝于水箱內(nèi)（并非水箱進(jìn)水管上），為防止其與水接觸導(dǎo)致生銹，將杠桿加長后使其高于最高水位以上，遙控式浮球閥工作原理相對(duì)比較復(fù)雜，小浮球與主閥間通過一管徑較小的管路相連，在工作時(shí)主要是基于小浮球壓力感應(yīng)對(duì)主閥啟閉進(jìn)行控制；該種啟閉方式表現(xiàn)出滯后性特點(diǎn)，在利用液壓水位控制閥時(shí)，尤其是在其啟閉過程中，水箱進(jìn)水管上的壓力變化會(huì)在幾秒鐘的時(shí)間內(nèi)緩慢的完成，可利用液壓水位控制閥能夠降低建筑二次供水對(duì)市政管網(wǎng)產(chǎn)生的壓力影響[9]；另外主閥一旦有雜質(zhì)進(jìn)入泵體，就會(huì)造成其失靈，所以在其前安裝一過濾器，過濾器必須按時(shí)清理，一般和水箱清洗為同周期。

3.1.2 低水位控制措施：低水位是為防止水箱內(nèi)水位過低后造成變頻泵內(nèi)形成真空，電機(jī)空轉(zhuǎn)后損壞水泵，因此其控制結(jié)果為在水箱內(nèi)水位最低限時(shí)變頻泵自動(dòng)停止運(yùn)行，控制過程為：當(dāng)水箱內(nèi)水位達(dá)到最低限度時(shí)控制變頻泵啟動(dòng)的接觸器斷開，控制工具為在水箱中安裝一個(gè)電纜浮球開關(guān)，電纜浮球開關(guān)是利用重力與浮力的原理設(shè)計(jì)而成，主要包括浮漂體，設(shè)置在浮漂體內(nèi)的大容量微型開關(guān)和能將開關(guān)處于通、斷狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以及與開關(guān)相連的三芯電纜，當(dāng)漂浮體的頭朝上（水位高于低水位最低限制點(diǎn)）時(shí)微型開關(guān)處于通的狀態(tài)（控制變頻泵的接觸器吸合），當(dāng)漂浮體的頭朝下（水位低于低水位最低限制點(diǎn)）時(shí)就處于斷開狀態(tài)（控制變頻泵的接觸器斷開）。

3.2 給水水箱的安裝及維護(hù)

給水水箱常見有混凝土和不銹鋼類，前者是通過澆筑得到剪力墻式水箱壁，在澆筑時(shí)預(yù)埋進(jìn)水管、出水管等柔性防水套管，所有其建設(shè)應(yīng)與整體建設(shè)統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一建造，其技術(shù)比較成熟[10]。不銹鋼水箱是通過內(nèi)部鋼架和不銹鋼鐵皮焊接組成，其防腐性能較好，且相比于混凝土水箱質(zhì)輕60%以上，因其是后加工而成，形體可根據(jù)建筑隨意設(shè)計(jì)，盡可能不浪費(fèi)建筑空間，安裝步驟如下。

3.2.1 計(jì)算水箱容積及尺寸。水箱容積應(yīng)保證在一個(gè)正常工作周期內(nèi)（一般為一天）的用水量正常供給，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，考慮到外網(wǎng)供水流量小于該建筑物所需的設(shè)計(jì)秒流量且外網(wǎng)壓力不穩(wěn)定，建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范明確說明此時(shí)應(yīng)設(shè)置生活調(diào)節(jié)水池（即二次增壓水箱），二次增壓水箱有效容積應(yīng)按水池進(jìn)水量與用水量變化曲線計(jì)算確定，當(dāng)資料不足時(shí)，按最高日用水量的20%～25%確定，最大不大于48h用水量。而最高日用水量在設(shè)計(jì)說明中會(huì)有明確的說明。這個(gè)計(jì)算結(jié)果可能有較大的誤差，導(dǎo)致水箱內(nèi)的一些水沉積，水質(zhì)惡化，詳細(xì)計(jì)算應(yīng)按照建筑用水高峰期時(shí)的出水量和此時(shí)補(bǔ)水量間的關(guān)系來精確計(jì)算。其與兩者的流速緊密相關(guān)，在計(jì)算前需獲取準(zhǔn)確的用水量和市政管網(wǎng)壓力，先設(shè)定一個(gè)計(jì)算水箱容積，計(jì)算得出一個(gè)周期內(nèi)高峰期結(jié)束至下一個(gè)高峰期來臨前時(shí)水箱內(nèi)實(shí)際水量，水箱的有效最小容積通過下式調(diào)整得出：

K=用水高峰期的用水量-（用水高峰期前水箱余水量+用水高峰期間需補(bǔ)水量）

式中，K為用來衡量預(yù)先設(shè)定水箱體積的準(zhǔn)確性（L）

如計(jì)算得出的K值為負(fù)，則說明預(yù)先設(shè)定的水箱容積過小，可根據(jù)計(jì)算得到的水箱容積值的絕對(duì)值與設(shè)定值之間差值的大小來放大設(shè)定值，相反縮小設(shè)定的水箱容積，調(diào)整的最終結(jié)果為計(jì)算的水箱有效容積盡可能的接近設(shè)定值。但在實(shí)際中，每天用水高峰期用水量不盡相同，每天同一時(shí)刻的用水量與市政供水管網(wǎng)的供水壓力也并不同，因此求得差值并不是每天統(tǒng)一，可求得中位數(shù)可以作為水箱有效容積，計(jì)算過程工作量大，但結(jié)果可靠。

在確定了水箱容積后對(duì)水箱構(gòu)造尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，為保證在市政供水管網(wǎng)壓力最低時(shí)依然可以向水箱補(bǔ)水，水箱進(jìn)水管高度不得大于進(jìn)水水平管處的供水壓力值，例如進(jìn)水水平管處的供水壓力值為0.05MPa，水箱進(jìn)水管與進(jìn)水水平管的差值必須小于5m，水箱尺寸的高度為上述的差值再加上進(jìn)水水平管與水箱支墩間的高度差（如進(jìn)水水平管與水箱支墩間的高度差為負(fù)，就應(yīng)該為差值再減去進(jìn)水水平管與水箱支墩間的高度差）。水箱長寬的尺寸應(yīng)該按照水箱間的有效利用面積確定。因此水箱的高度也是初步確定水箱間的依據(jù)。

3.2.2 水箱基礎(chǔ)的施工、水箱的安裝。為方便安裝和維修,水箱條形基礎(chǔ)應(yīng)高出地面15～20cm，承載力按照水箱的尺寸、容積和滿水后有效重量，并依據(jù)地基與基礎(chǔ)相關(guān)設(shè)計(jì)及施工規(guī)范計(jì)算，注意事項(xiàng)在后面詳細(xì)說明，具體施工工藝不再贅述。待基礎(chǔ)凝固，達(dá)到承載要求后再安裝水箱，安裝時(shí)必須用水準(zhǔn)儀或水平尺測(cè)量基礎(chǔ)表面水平度，避免因條形基礎(chǔ)之間存在高差、水箱滿水后條形基礎(chǔ)各受力點(diǎn)受力不均導(dǎo)致水箱傾斜，進(jìn)而引發(fā)水箱側(cè)翻。調(diào)整水平度時(shí)嚴(yán)禁使用木屑等易變形、易腐蝕類材料，使用橡皮墊時(shí)定期進(jìn)行檢查，也可以在水箱上安裝密封的水柱測(cè)量點(diǎn)，當(dāng)水箱的傾斜度達(dá)到0.4%時(shí)采取調(diào)整措施。調(diào)平后再焊接水箱，水箱按照?qǐng)D紙焊接完成清洗注水，檢查水箱的嚴(yán)密性。

3.3 管路系統(tǒng)組成

管路系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 變頻泵+給水水箱的二次供水方式系統(tǒng)組成圖

說明：電路系統(tǒng)的變頻泵控制箱、與電纜浮球閥及變頻泵相連的接觸器等為變頻泵的配套部分，未在圖上標(biāo)注。

4 氣壓罐+變頻調(diào)速泵聯(lián)合的無負(fù)壓供水方式

氣壓罐+變頻調(diào)速泵聯(lián)合的無負(fù)壓供水方式優(yōu)點(diǎn)是無須大體積水箱，減少占地面積，是目前二次供水首選方式，另外還大大改善了因前期規(guī)劃不周全、無足夠可用空間安裝水箱間時(shí)引發(fā)的一系列問題，使用中可以利用市政管網(wǎng)的壓力，可大大降低成本。系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 氣壓罐+變頻調(diào)速泵無負(fù)壓供水方式系統(tǒng)組成圖

另外氣壓罐上自帶有壓力感測(cè)傳感器、管道上安裝電解壓力表等，加上控制柜及控制信號(hào)線，這就構(gòu)成了全部系統(tǒng)。目前市場(chǎng)上無負(fù)壓設(shè)備有兩種形式：一種是進(jìn)氣式，即在發(fā)生負(fù)壓時(shí)，靠罐外空氣對(duì)罐內(nèi)的補(bǔ)入來消除負(fù)壓，實(shí)際上就是一個(gè)吸排氣閥，這種形式未真正意義上做到與空氣隔離，存在二次污染；另一種是不進(jìn)氣式，相對(duì)前者結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，主要是在產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，以壓力罐內(nèi)的壓縮氣體推動(dòng)平衡裝置，避免了負(fù)壓的產(chǎn)生，在負(fù)壓消除后，再利用市政管網(wǎng)的壓力，通過回氣裝置，將氣體回進(jìn)壓力罐內(nèi)[11]。

得益于成套設(shè)備的發(fā)展，氣壓罐和變頻調(diào)速泵設(shè)備廠家在出廠時(shí)已經(jīng)將其系統(tǒng)連接為一個(gè)整體，在設(shè)備選擇時(shí)，只需提供建筑給水系統(tǒng)水泵揚(yáng)程、水泵流量及其管徑，設(shè)備廠家就會(huì)提供整套設(shè)備參數(shù)，設(shè)備進(jìn)場(chǎng)后，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況來安排布置設(shè)備基礎(chǔ)等，成套設(shè)備安裝也較為簡單。

在設(shè)備安裝時(shí)，基礎(chǔ)澆筑完成后無須調(diào)整基礎(chǔ)水平面平整度，只需將設(shè)備自帶的基礎(chǔ)完成安裝即可。設(shè)備間的連接因成套設(shè)備間的波浪振動(dòng)必須安裝軟連接，最始端和最末端的管道必須用支架固定可靠。

當(dāng)自來水壓力能滿足用戶用水要求時(shí)，增壓泵通過變頻控制處于休眠狀態(tài)，當(dāng)自來水壓力達(dá)不到用戶需求壓力時(shí)，水泵可以在自來水原有壓力（一般為0.2MPa～0.35MPa）的基礎(chǔ)上疊加增壓，差多少補(bǔ)多少。另外選用此形式前，必須測(cè)量市政管網(wǎng)高峰期時(shí)的供水壓力并提供給設(shè)備廠家。

5 二次增壓系統(tǒng)安裝施工注意事項(xiàng)

下面根據(jù)蘭州重離子醫(yī)學(xué)研究中心一期工程二次供水安裝中出現(xiàn)的一些問題，來說明在建筑二次供水改造中設(shè)備安裝需要注意的問題：

在供水方式選擇前，先要測(cè)定用水高峰期市政供水管網(wǎng)進(jìn)入建筑時(shí)壓力，如小于0.16MPa，直接采用變頻泵+給水水箱方式。在超高層或者用水量特別大的住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)，應(yīng)采用給水水箱+氣壓罐+變頻調(diào)速泵聯(lián)合的無負(fù)壓供水方式。

安裝電纜浮球開關(guān)時(shí)如對(duì)其不做專門固定，當(dāng)水位上升時(shí)漂浮體隨之上升，其漂浮時(shí)因不銹鋼水箱內(nèi)有支撐水箱的角鋼架體，漂浮體有可能掛在角鋼上，造成漂浮體的端頭一直朝上，當(dāng)水位低于最低限制時(shí)泵卻一直運(yùn)行，導(dǎo)致水泵燒壞等。為了避免上述狀況，下面介紹一種簡易的防止措施。

電纜浮球漂浮體安裝前先應(yīng)確定水箱最高水位高度（遙控浮球閥控制）和最低水位限度的差值，這個(gè)差值即為電纜浮球閥在水箱內(nèi)控制伸縮的有效距離，如將電纜浮球閥電纜線頂端固定，其可移動(dòng)范圍比較大，被掛在水箱角鋼支架上的概率就大增，如將低端固定，電纜浮球閥的電纜線與漂浮體間連接處就會(huì)承受過大的拉力，導(dǎo)致浮球閥損壞，尋找最為合適的“黃金分割點(diǎn)”可降低上述兩種風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率，或者將拉力消除掉，在低端直接固定，相對(duì)來說第二種方案較為簡單，而第一種方式隨著環(huán)境變化必須詳細(xì)計(jì)算。第二種方案的基本原理如下：

在焊接水箱時(shí)，根據(jù)進(jìn)出水管位置確定好最低水位，在這個(gè)位置以上部位焊接一個(gè)連通體（其底部必須等于或稍高于最低水位），即寬度為漂浮體長度6倍或6倍以上、高度為大于等于3倍漂浮體長度、底部敞開的容器，在連通體最高處將電纜固定可靠，當(dāng)水位上升時(shí)，連通體內(nèi)漂浮體隨著上升，上升至上側(cè)頂住連通體殼時(shí)，其不再上升，當(dāng)水位下降時(shí)，漂浮體隨著下降，直至其頭朝下，控制泵的接觸器斷開。當(dāng)連通體內(nèi)電纜長度控制在和漂浮體長度一致時(shí)，漂浮體可以自由活動(dòng)，但又受控制。

與泵連接處采用軟連接，一方面在安裝過程中可以調(diào)節(jié)因管道、設(shè)備安裝偏差引起的法蘭間、連接處的縫隙和偏離，另一方面在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，因變頻泵的啟停引起較大管道波浪，久而久之導(dǎo)致管道支架不牢固，設(shè)備固定處松弛等問題。應(yīng)在管道與閥門相接處、泵體與管道相接處等安裝軟連接。

水箱基礎(chǔ)和設(shè)備基礎(chǔ)的施工，應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃。不銹鋼水箱底座是由角鋼焊接而成，水箱的重力是通過角鋼向混凝土基礎(chǔ)傳遞的，因此在混凝土基礎(chǔ)施工前，就應(yīng)該明確水箱底座的設(shè)計(jì)圖，底座應(yīng)該處于混凝土基礎(chǔ)正中間，避免錯(cuò)位。設(shè)備的基礎(chǔ)應(yīng)該提前根據(jù)設(shè)備大小來規(guī)劃位置。

水箱等的定期清洗。生活用水水箱應(yīng)每年清洗一次，同時(shí)應(yīng)該清洗水過濾器，在此期間，還應(yīng)檢查遙控浮球閥的安全性，電纜浮球的固定穩(wěn)固程度等。定期清洗不得大于1年。

6 結(jié)束語

二次供水直接關(guān)系到人民群眾的身體健康和正常的生活需要，它關(guān)系到整個(gè)城市的建設(shè)與居民日常生活所需，必須加強(qiáng)對(duì)二次供水工程的設(shè)計(jì)與管理，采取科學(xué)的設(shè)計(jì)方案與施工工藝，提高施工水平，不斷完善管理制度，確保二次供水的水體質(zhì)量，為用戶提供最及時(shí)的水源供應(yīng)，采用科學(xué)的設(shè)計(jì)工藝，全面確保二次供水工程的科學(xué)設(shè)計(jì)與科學(xué)管理[12]。加強(qiáng)施工過程主動(dòng)控制和被動(dòng)控制，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量程序和施工質(zhì)量行為，落實(shí)好風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施，保證二次供水系統(tǒng)安全、適用、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)等性能。