管网叠压供水方式起源于日本,国外也称为直接增压供水方式。20世纪80年代中期,日本开始了关于“直接给水方式”的必要性和可行性的探讨和技术研究^[1,2]。到20世纪90年代末期,管网叠压供水设备在日本、美国、西欧等发达国家得到了普遍的应用,并且有一整套完整的管理体系和产品标准^[3]。日本高山市规定,在使用管网叠压供水方式时,市政供水管管径必须在DN50~300,管网叠压设备水泵停泵压力为0.07 MPa,恢复启动的压力为0.1MPa,市政供水压力要求较低。市政供水压力较低时,倒流防止器可安装在水泵机组出水侧^[4]。

　　 国内李世英^[5]通过与传统供水方式的对比,分析说明了叠压供水方式的优点,并且对叠压供水设备推广用于消防给水进行了可行性分析。樊建军等^[6]通过对直接式管网叠压供水技术的分析,指出了设计不合理时可能出现的工程隐患及相应的预防措施,强调了确定合理的市政管网最低压力的重要性,提出了优化机组配置与运行的设计思路。王晓爽^[3]通过试验对比了管网叠压供水方式和传统市政管网—水池—变频增压—用户供水方式的能耗,前者相较于后者,节能率在30%~50%,管网叠压供水方式具有良好的节能效果。林林^[7]分析了叠压供水方式在不同的市政管网压力变动下的工作效率变化和能耗,推导出了叠压给水设备的节能率计算公式。邓佑锋^[8]通过FLOWMASTER软件模拟比较了某一具体二次供水设施,在使用管网叠压供水方式和传统二次供水方式的情况下对市政管网的瞬时影响,分析说明了前者的影响小于后者,且市政压力缓慢变化对设备运行基本没有影响,而市政压力较大幅度波动将影响供水压力的稳定。夏伟光^[9]分析了叠压给水设备在小流量供水时无法高效供水的问题,提出小流量供水的节能技术,并且为叠压给水设备节能提供了两项适应用水量变化的节能技术。

　　 目前,叠压供水设备通常是通过设定水泵前端入口的压力值来控制水泵的开关,以达到不影响市政管网的正常供水,但是水泵前端入口压力是吸水管末端压力,简单地通过设定水泵前端入口压力或者限定市政供水管网与水泵吸水管连接处的压力下降值大小,并不能很好地指导叠压供水技术的应用。因此,本文提出一种基于末端压力反馈恒压供水技术下的叠压供水方式,在给水系统供水最不利点处设置压力传感装置,压力值反馈给水泵变频控制柜,通过与设定供水最不利点处的压力值进行对比来调整水泵的转速。该技术不仅能有效避免叠压设备工作时影响周边用户正常用水,且能对供水压力起到削峰填谷的作用,达到供水稳定性和供水节能的效果,为叠压供水技术的进一步应用和发展提供思路。

　　 传统的恒压供水,通常是在水泵出口端设置压力传感装置,压力值反馈给水泵变频控制柜,通过与设定的压力值对比,判断是否对水泵转速进行调整,以达到预定的出口压力,给水系统示意见图1。

　　 水泵的出口压力的设定,是通过设计计算得到的,一般情况下能满足最不利点的用水要求。生活给水管道设计秒流量的计算按用水特点分两种类型:一种为分散型,采用了以概率法为基础的计算方法;另一种为密集型,采用同时给水百分数计算方法^[10]。这两种方法算出来的设计秒流量,不说在公式上是否依然准确,从现实的观点出发,也只是理论值,管道的水头损失和管道附件的水头损失在设计阶段采用的也都是理论值或者经验值。因此,由理论值和经验值计算得到的水泵扬程,不一定与现实的实际需要相吻合,往往由于在设计阶段考虑的是满足最不利状态下的用水要求,设计的结果可能会超出实际的用水要求。

　　 基于传统恒压供水的不足之处,如若在给水系统供水最不利点处设置压力传感装置,压力值反馈给水泵变频控制柜,通过与设定供水最不利点处的压力值进行对比来调整水泵的转速,以期达到供水稳定性和供水节能的效果。本文将这种技术称为末端压力反馈技术,这种技术下的恒压供水技术称为末端压力反馈恒压供水技术。

　　 本文提出一种基于末端压力反馈恒压供水技术下的叠压供水方式,给水系统示意见图2。

　　 该叠压给水系统由市政连接处压力传感器、水泵机组进水口压力传感器和出水口压力传感器、供水最不利点压力传感器、加压水泵机组和变频控制系统组成。控制系统有几个限定参数,包括市政管网连接处最大允许压力下降值P₁、水泵进水口压力最低值P₂、供水最不利点最大工作压力P₃和最小工作压力P₄、正常供水最大流量Q₁。该系统的工作原理如下:

　　 (1)当市政管网的压力能满足用水要求时,也就是管网的压力大于或者等于设定的压力值时,加压水泵停止工作,自来水从旁通管直接供给用户。

　　 (2)当市政管网的压力无法满足用水要求时,则①用户开始用水,此时用水量小于正常供水最大流量Q₁,随着用水量的增加,水泵直接从进水管中吸水,根据设定的末端压力值P₃进行加压供水,实现变频末端恒压供水;②用水量继续增加,市政连接处压力下降值大小稍超过最大允许压力下降值P₁,或者水泵进水口处压力值稍小于设定压力值P₂时,也就是用水量超过正常供水最大流量Q₁时,水泵进行调速变频,减少水泵供水量直到Q₁且维持供水量不变,依旧以设定的末端压力值P₃进行加压供水,实现末端恒压恒量供水;③假如随着用水量的增加,市政连接处压力下降值大小已经达到最大允许压力下降值P₁时,水泵的进水口处压力值仍然大于设定压力值P₂,若允许短时间市政连接处压力下降值超过最大允许值P₁时,此时用水量增加,控制系统自动调低供水最不利点工作压力,水泵依旧满足用水量加压供水,直到水泵的进水口压力值稍小于设定压力值P₂,或者最不利点工作压力下降到稍小于最小值P₄时,水泵调频减少供水量,直到水泵的进水口压力值等于设定压力值P₂,或者最不利点工作压力等于最小值P₄,之后水泵维持供水量不变;④假如随着用水量的增加,水泵的进水口处压力值已经稍小于设定压力值P₂时,市政连接处的压力下降值仍然小于最大允许下降值P₁时,此时用水量增加,水泵调频减少供水量,直到水泵的进水口压力值等于设定压力P₂,之后水泵维持供水量不变,起保护水泵安全运行的作用;⑤当用户用水量减少,直到市政连接处压力下降值小于最大允许压力下降值P₁,且水泵进水口处压力值大于设定压力值P₂时,系统自动恢复供水最不利点初始设定供水压力P₃,恢复正常供水;⑥当用户用水量很小或者不用水时,设备进入休眠状态并保持供水压力,用户恢复用水时系统自动恢复正常供水;⑦当市政管网停水时,水泵停止运行,直到市政管网供水恢复后才重新启动,恢复供水;⑧停电时,市政管网通过旁通管向低区用户供水,来电后恢复正常供水。

　　 该给水系统不仅能有效避免叠压设备工作时影响周边用户正常用水,而且只要市政管网不停水,泵房不停电,该系统就能进行无间断供水,且能合理利用市政管网剩余水压;正常供水情况下,用户用水压力和流量稳定,有效调整了由于理论设计带来的水泵供水扬程的误差,对供水压力起到削峰填谷的作用,保证供水能耗的有效利用。

　　 本文所选案例以ZJ市供水管网为背景,当前管网供水区域约为200km²,供水管网总长1 030km,管网口径最大为DN1 600,用水人口约75万。拟在ZJ市管网某一处(见图3框区)新加一个需水节点2,表示叠压供水节点,此节点通过引入管管段1和管段2连接到连接节点3和节点4上,如图3所示,框区局部放大见图4。

　　 ZJ节点2处某一住宅地块,地块内4栋楼,每栋楼均为46层,共有用户540户,屋面标高为141.3m。其中,地下共2层,负2层地面标高为-10.0m,层高3.9m,负1层地面标高为-6.1m,层高4.5m。水泵房位于1栋负1层,水源为市政自来水,泵前最低压力为31.3m,泵前标高为-5.5m,泵后给水总横管标高为-2.6m;1层地面的标高为±0.00m,首层为入户大厅,层高6.3 m;2~46层为住宅层,层高均为3 m,每层均为3住户,均为三室两厅两卫一厨的类型,且每层的生活给水入户管离地1.2m。

　　 三室两厅两卫一厨的住宅户型,室内配置有洗涤盆、洗衣机水嘴各一个,坐便器、洗脸盆、淋浴器各两个,用水定额q_z取250L/(人·d),户均人数m_z取3.5人/户来计算,小时变化系数K_h均取2.5^[10]。

　　 经计算,市政管网水能直供到第4层,直供用户为36户。根据竖向等分分区能使二次加压的能耗最小^[11],综合考虑叠压系统的年度折算费用最低,采取最合理的生活用水分区方案为:-2~4层由市政直接供水,5~13层为加压一区,14~22层为加压一区,23~30层为加压一区,31~38层为加压一区,39~46层为加压一区。

　　 将上述分区结果作为算例,分别采用传统的恒压供水方式和末端压力反馈恒压供水技术,进行比较研究。算例详细情况见表1和表2。

　　 假设在只有每个分区的最高层用水的情况下,取每个分区最高层用水量进行分析,将本文提出的末端压力反馈恒压供水方式和传统恒压供水方式结果进行对比,结果见表3。

　　 从表3中可以看出,当只有每个分区的最高层用水时,用水量很小,设计秒流量仅为0.89L/s,采用末端压力反馈恒压供水方式的水泵扬程比采用传统恒压供水方式的水泵扬程更低,两者水泵扬程差值最大为2.3m,节能率最大为2.25%。

　　 假设在只有每个分区的最高两层用水的情况下,取每个分区最高两层用水量进行分析,将本文提出的末端压力反馈恒压供水方式和传统恒压供水方式结果进行对比,结果见表4。

　　 从表4中可以看出,当只有每个分区的最高两层用水时,设计秒流量为1.28L/s,采用末端压力反馈恒压供水方式的水泵扬程比采用传统恒压供水方式的水泵扬程更低,两者水泵扬程差值最大为1.9m,节能率最大为1.69%。与表3对比可以发现,对于每个分区,随着用水量的增大和供水集中性的降低,末端压力反馈恒压供水方式的节能效果随之降低。

　　 假设在只有每个分区的最低层用水的情况下,取每个分区最低层用水量进行分析,将本文提出的末端压力反馈恒压供水方式和传统恒压供水方式结果进行对比,结果见表5。

　　 从表5中可以看出,当只有每个分区的最低层用水时,用水量很小,设计秒流量仅为0.89L/s,采用末端压力反馈恒压供水方式的水泵扬程比采用传统恒压供水方式的水泵扬程更低,两者水泵扬程差值最大为2.7m,节能率最大为3.37%。

　　 假设在只有每个分区的最低两层用水的情况下,取每个分区最低两层用水量进行分析,将本文提出的末端压力反馈恒压供水方式和传统恒压供水方式结果进行对比,结果见表6。

　　 从表6中可以看出,当只有每个分区的最低两层用水时,设计秒流量为1.28L/s,采用末端压力反馈恒压供水方式的水泵扬程比采用传统恒压供水方式的水泵扬程更低,两者水泵扬程差值最大为2.5m,节能率最大为3.37%。与表5对比可以发现,对于每个分区,随着用水量的增大和供水集中性的降低,末端压力反馈恒压供水方式的节能效果随之降低。

　　 (1)末端压力反馈恒压供水技术,与传统恒压供水技术的物理区别在于压力控制点的位置,前者位于供水末端处,后者位于水泵出口处。

　　 (2)采用末端压力反馈恒压供水技术的叠压供水系统,在不断电的情况下,能保持不间断叠压供水,能更有效和安全地利用市政管网剩余压力,保证供水能耗的有效利用,且能有效保证用户用水的稳定性,提高用户用水感受。

　　 (3)相对于传统恒压供水方式,末端压力反馈恒压供水方式要更加节能,在本文案例中,理论有效节能率最大为3.37%;但随着用水量的增大和集中性的降低,节能效果随之降低。

　　 (4)对于设计流量较小、给水支管末端较为明显的建筑而言,仅选择末端压力反馈恒压供水方式就能达到节能、稳定的效果;而对于设计流量较大、给水支管末端不明显的建筑,宜结合传统恒压供水技术的特点,使末端压力反馈恒压供水方式保持在一个高效的工况下运行。