林吉賜，王耀紅，邱 熙

（廣州水泵機械設備有限公司，廣州 510375）

0 引言

隨著生活水平和生活質量的提高，人們對飲用水的安全衛(wèi)生的要求越來越高，對節(jié)能環(huán)保越來越重視。然而城市現(xiàn)代化水平的也在不斷提高，城市人口居住密度與高層建筑的不斷增加，一次供水從技術、經濟可行性上，都已經無法獨自滿足城市工業(yè)生產和居民的生活要求，因此城市二次供水裝置就變得必不可少，對這種供水進入千家萬戶的城市二次供水裝置也提出了更高的要求[1-3]。

由于人們對這種城市二次供水裝置存在著嚴重的依耐性，應運而生了各種各樣的城市二次供水裝置、區(qū)域性儲水調峰裝置、局部增壓裝置（以下統(tǒng)稱城市二次供水裝置）。然而這些城市二次供水裝置或多或少都存在能源浪費，容易產生二次污染，供水質量不高的情況。本文介紹了一種具有創(chuàng)新型的機組立體分層布置的全封閉無負壓疊壓供水裝置，通過對其結構的剖析，工作原理的闡述，跟傳統(tǒng)的現(xiàn)有的普通城市二次供水裝置進行比對，驗證了該城市二次供水裝置有效的解決了上面所提到的能源浪費，容易產生二次污染，供水質量不高的問題，達到了能在正常時段和管網用水高峰時連續(xù)地向給水管網供水，既保證了用水的安全性和靈活性，又杜絕了水的二次污染，同時達到了節(jié)能的效果[4-12]。

1 城市二次供水裝置的發(fā)展過程

城市二次供水裝置是指通過區(qū)域性儲水調峰與局部增壓等設施，供給滿足用戶用水量與水壓要求的供水裝置。我國二次供水興起于20世紀70年代，當時，由于受經濟、技術與認識條件的限制，我國《城市供水條例》中曾明確規(guī)定：“禁止在市政供水管網公共供水管道上直接裝泵抽水?！边@是因為，當市政供水管網公共供水管道所能提供的流量小于用戶所需要的水量時，抽水時可能產生的負壓會干擾水力工況，影響周圍用水，甚至造成管網破壞。所以，傳統(tǒng)的二次供水裝置設計時，首先需建一個開放式水池或水箱，如圖1所示，再用增壓供水泵將開放式水池或水箱中的儲水加壓到用戶供水管網。這樣就誕生了第一代的傳統(tǒng)（開放水池）二次供水裝置，到了20世紀90年代，人們注意到城市市政管網里有壓力的水直接放入蓄水池，管網里的既有的能量就白白浪費掉了，因此設計出第二代的罐式無負壓供水裝置，如圖2所示，這樣比較好地利用了市政管網里的能量，但同時又帶來了對市政管網壓力的沖擊，供水穩(wěn)定性和安全性比較差等缺點，也無法解決水的二次污染的問題，同時也喪失了蓄水調峰的功能，或者說蓄水調峰的功能很差。為了解決這些缺點，又設計出第三代的箱式無負壓供水裝置，該裝置雖然解決了上面說的很多缺點，但仍然存在著水依然比較容易被污染，系統(tǒng)管理過于復雜等缺點[13-15]。

圖1 傳統(tǒng)的二次供水裝置

圖2 罐式無負壓供水裝置

下面對發(fā)展過程中的3種城市二次供水裝置一一做剖析，分析各自的優(yōu)缺點，同時提出一種具有創(chuàng)新型的機組立體分層布置的全封閉無負壓疊壓供水裝置。

2 傳統(tǒng)（開放水池）二次供水裝置的利弊

2.1 傳統(tǒng)二次供水裝置的優(yōu)勢

傳統(tǒng)二次供水裝置的優(yōu)勢主要表現(xiàn)為以下兩點[16-19]。

（1）區(qū)域性儲水調峰能力強

由于開放式水池或水箱容積大，能有效地進行水量的吞吐，即在非用水高峰時儲存水量（此時市政供水管網公共供水管道所能提供的流量Q1大于用戶所需要的水量Q2，即Q1＞Q2），而在用水高峰（Q1＜Q2）時釋放所儲存的水量，因此能有效地保障區(qū)域性用戶用水的可靠性，減輕了用水高峰時居民對市政供水管網公共供水系統(tǒng)的需求壓力。

（2）對市政供水管網公共供水管道無干擾

由于市政供水管網公共供水管道流入開放式水池或水箱的流量是由供水公司計劃安排的，并受到進水管道管徑的嚴格限制；由于水泵只是在開放式水池或水箱中抽水，故區(qū)域性用水量變化與水泵工作始終不會對市政供水管網公共供水管道產生負壓，干擾公共供水管道水力工況，影響周圍用戶用水。

2.2 傳統(tǒng)二次供水裝置的弊端

傳統(tǒng)二次供水裝置的弊端主要表現(xiàn)為以下3點[20-23]。

（1）能源浪費嚴重

市政供水管網公共管道供水一般均具有0.2～0.3 MPa的出口壓力，該壓力進入開放式水池或水箱后，卻被泄壓歸零，完全浪費掉了。這部分未能利用的能量（按平均0.25 MPa的出口壓力計算）每噸水高達0.15度電，占到二次供水耗電量的20%～60%（樓層高時所占比例小，樓層低時所占比例高），天長日久將是一筆非常龐大的電費支出與能源浪費。

（2）水質容易受到污染

隨著水處理技術與市政供水管網公共管道質量的提高，現(xiàn)在許多城市自來水據說都已經具備了直飲功能。但是，在現(xiàn)實生活中人們卻又普遍反映自來水供水質量差、有異味，有不明孽生物，甚至有紅蟲。這些矛盾，實際上都是二次供水過程中開放式水池或水箱惹的禍。已經經過消毒處理的自來水，在開放式水池或水箱儲存過程中，通過溢流孔與進氣孔與大氣及外界環(huán)境均有接觸，水池（箱）若不能定期進行清洗、消毒或管理不善，就很容易造成自來水水質的二次污染。

（3）有可能浪費水資源

當開放式水池或水箱中的儲存水超過警戒水位時，按設計浮球關閉閥應該能自動關閉，一旦浮球關閉閥出現(xiàn)故障，不能自動關閉或關閉不嚴時，儲存水則將由溢流孔外泄，造成水資源的浪費。

3 罐式無負壓供水裝置的利弊

罐式無負壓供水裝置是一種二次增壓供水設備，通過增壓供水泵與市政供水管網直接連接（圖2），或增壓供水泵通過穩(wěn)流補償罐與市政供水管網直接連接（圖3），從市政供水管網直接取水，既要求能夠滿足前端市政供水管網水壓不低于當地供水主管部門規(guī)定的限定壓力值，又要求能夠滿足后端用戶用水需求[24-26]。

圖3 通過穩(wěn)流補償罐與市政供水管網連接

3.1 罐式無負壓供水裝置的優(yōu)勢

罐式無負壓供水裝置的優(yōu)勢主要表現(xiàn)為以下兩點。

（1）能充分利用市政供水管網壓力

在第一種裝置結構中（圖2），增壓供水泵與市政供水管網直接連接，當市政供水管網供水流量能夠滿足區(qū)域供水要求時，真空抑制器處于關閉狀態(tài)，增壓供水泵直接從市政供水管網抽水加壓；當市政供水管網供水流量不能夠滿足區(qū)域供水要求時，電控閥門將根據壓力傳感器提供的數據，調整公共管道進水管進水流量，以保證前端市政供水管網水壓不低于當地供水主管部門規(guī)定的限定壓力值，后端區(qū)域供水管不夠流量則由穩(wěn)流補償罐內儲存水補充，此時，真空抑制器處于開放狀態(tài)。

在第二種裝置結構中（圖3），增壓供水泵通過穩(wěn)流補償罐與市政供水管網連接，當市政供水管網供水流量能夠滿足區(qū)域供水要求時，真空抑制器處于關閉狀態(tài)，增壓供水泵也是直接從市政供水管網抽水加壓；當市政供水管網供水流量不能夠滿足區(qū)域供水要求時，真空抑制器處于開放狀態(tài)，前端市政供水管網水流入穩(wěn)流補償罐時被泄壓，增壓供水泵與市政供水管網被中間斷開，增壓供水泵從穩(wěn)流補償罐抽水，依靠穩(wěn)流補償罐內儲存水補充前端市政供水管網欠缺的流量，以滿足后端區(qū)域供水管網用戶的要求。

在以上兩種裝置結構中，當市政供水管網供水流量能夠滿足區(qū)域供水要求時，都能充分利用市政供水管網壓力；當市政供水管網供水流量不能夠滿足區(qū)域供水要求時，第一種結構依然能夠利用部分市政供水管網壓力，第二種結構則完全不能夠利用市政供水管網壓力。

（2）水質比較安全

當市政供水管網供水流量能夠滿足區(qū)域供水要求時，真空抑制器始終處于關閉狀態(tài)，只有在用水高峰期，當市政供水管網供水流量不能夠滿足區(qū)域供水要求時，真空抑制器才會處于開放狀態(tài)，而這種時間一般比較短暫，時段內水的循環(huán)量又比較大，因此，水質與外界接觸以致被嚴重污染的可能性較低。

3.2 罐式無負壓供水裝置的弊端

罐式無負壓供水裝置的弊端主要表現(xiàn)為以下4點。

（1）對市政供水管網供水流量要求高

由于罐式無負壓供水裝置的穩(wěn)流補償罐受設計限制容積都很小，不具備儲水調峰功能，故選擇該種二次供水裝置時，要求市政供水管網供水流量必須能夠滿足用水高峰期區(qū)域供水要求，否則會犧牲區(qū)域供水質量，甚至有可能導致高峰期區(qū)域供水斷流。

（2）水質仍可能被污染

當市政供水管網供水流量不能夠滿足區(qū)域供水要求時，真空抑制器處于開放狀態(tài)，水質與外界有直接接觸，這種時間雖然比較短暫，但依然有可能導致水質受外界污染。

（3）有可能浪費水資源

當市政供水管網供水壓力與流量波動較大時，真空抑制器經常處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)、開關動作過于頻繁時，則有可能被損壞，并由此導致穩(wěn)流補償罐內儲水外泄，造成水資源的浪費。

（4）有可能影響市政供水管網及周圍其他用戶

當市政供水管網供水流量不能夠滿足區(qū)域供水要求，區(qū)域供水質量下降甚至斷流時，用戶通過簡單的技術手段，便有可能為了滿足后端用戶用水需求，而犧牲前端市政供水管網水壓的限定壓力值，影響市政供水管網周圍其他用戶的用水質量，甚至危及市政供水管網的安全。

4 箱式無負壓供水裝置的利弊

由于罐式無負壓供水裝置的穩(wěn)流補償罐受設計限制容積都很小，不具備儲水調峰功能，故選擇該種二次供水裝置時，要求市政供水管網供水流量必須能夠滿足用水高峰期區(qū)域供水要求，而這一要求通常是市政供水管網無法滿足的，或市政供水管網雖能滿足，但會要求使用者付出昂貴的增容使用費。因此，人們便希望能通過其他方式提高供水裝置的儲水調峰功能，箱式無負壓供水裝置（圖4）實際上是一種罐式無負壓供水裝置與傳統(tǒng)（開放水池或水箱）二次供水裝置結合的產物。

圖4 箱式無負壓供水裝置

4.1 箱式無負壓供水裝置的優(yōu)勢

箱式無負壓供水裝置的優(yōu)勢主要表現(xiàn)為以下兩點。

（1）能充分利用市政供水管網壓力

該設備增壓供水泵通過穩(wěn)流罐與市政供水管網直接連接，當市政供水管網供水流量能夠滿足區(qū)域供水要求時，增壓供水泵直接從市政供水管網抽水加壓；當市政供水管網供水流量不能夠滿足區(qū)域供水要求時，電控閥門將根據壓力傳感器提供的數據，調整公共管道進水管進水流量，以保證前端市政供水管網水壓不低于當地供水主管部門規(guī)定的限定壓力值，后端區(qū)域供水管不夠流量則由開放式水池或水箱內儲存水補充。增壓裝置將開放式水池或水箱內的水增壓到與市政管網相同的壓力，有利于保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定與更加節(jié)能。

（2）具備儲水調峰能力

由于開放式水池或水箱容積大，能有效地進行水量的吞吐，即在非用水高峰時儲存水量（此時市政供水管網公共供水管道所能提供的流量Q1大于用戶所需要的水量Q2，即Q1＞Q2），而在用水高峰（Q1＜Q2）時釋放所儲存的水量，因此能有效地保障區(qū)域性用戶用水的可靠性，減輕了用水高峰時居民對市政供水管網公共供水系統(tǒng)的需求壓力。

4.2 箱式無負壓供水裝置的弊端

箱式無負壓供水裝置的弊端主要表現(xiàn)為以下3點。

（1）水質仍可能被污染

與傳統(tǒng)供水裝置相同，已經經過消毒處理的自來水，在開放式水池或水箱儲存過程中，通過溢流孔與進氣孔與大氣及外界環(huán)境均有接觸，水池（箱）若不能定期進行清洗、消毒或管理不善，就很容易造成自來水水質的二次污染；與傳統(tǒng)供水裝置不同，當市政供水管網供水流量能夠滿足區(qū)域供水要求時，增壓供水泵通過穩(wěn)流罐與市政供水管網直接連接抽水，此時，水池（箱）中的儲存水處于完全靜止狀態(tài)，俗稱“死水”，更容易被污染與變質。

（2）系統(tǒng)管理復雜

為了保證前端市政供水管網水壓不低于當地供水主管部門規(guī)定的限定壓力值，電控閥門需經常調整公共管道進水管進水流量；為了避免水池（箱）中的儲存水長期處于完全靜止狀態(tài)，系統(tǒng)需設置定期從水池（箱）中抽水程序，并保證抽水達到額定更新量；由于水池（箱）中的儲存水無法保證不被污染，系統(tǒng)需另外設置消毒器；為了保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定與更加節(jié)能，裝置需設置增壓供水泵2與相關配套的控制系統(tǒng)。

（3）裝置占地面積大、儲水調峰能力弱

由于裝置整體設計安裝在同一平面上，因此，要提高裝置儲水調峰能力，裝置占地面積必然要增大；要節(jié)省裝置占地面積，儲水調峰能力必然要降弱。為了節(jié)省占地面積，

CJ∕T302-2008標準規(guī)定：水箱有效容積宜按最高日供水量的5%確定。但制訂該標準的前提條件應該是：市政供水管網供水流量基本能夠滿足區(qū)域高峰時供水要求。當區(qū)域用水高峰市政供水管網供水流量顯著小于區(qū)域供水要求時，按該標準制造的設備如圖5所示，雖然占地面積不小，但儲水調峰能力在實踐中還是不夠的。

圖5 按CJ∕T302-2008標準規(guī)定制造的設備

5 一種全封閉無負壓疊壓供水裝置的提出

縱觀城市二次供水裝置的整個歷史發(fā)展過程，不難看出，是從單一的要求可靠性和實用性，逐漸發(fā)展到更具有飲水安全性，更加節(jié)能環(huán)保，甚至要跟水廠和市政管網能夠協(xié)同工作。按照以上對以往的各種城市二次供水裝置的優(yōu)缺點的分析研究，提出一種全封閉無負壓疊壓供水裝置，該裝置的目的是要提供一種全封閉無負壓疊壓供水裝置，其機組立體分層布置，儲水量大，占地面積小，無負壓，無污染，安裝快捷，運行可靠，供水靈活性高，更加節(jié)能，由水泵疊加市政供水管網水壓，直接從市政供水管網中取水增壓，能在管網用水高峰時連續(xù)地向給水管網供水。既保證了用水的安全性和靈活性，又達到了節(jié)能的目的[27-31]。

這種全封閉無負壓疊壓供水裝置由儲水罐、蓄能穩(wěn)流罐、補氣裝置、穩(wěn)壓罐、吸上式穩(wěn)壓泵、壓力傳感元件、液位傳感元件、電控柜、防污隔斷器、閥門及連接管件等組成，如圖6所示，其特征是儲水罐裝配在蓄能穩(wěn)流罐、補氣裝置、穩(wěn)壓罐、吸上式穩(wěn)壓泵底部以下的下層位置。該裝置是一種創(chuàng)新型的節(jié)能的二次供水系統(tǒng)裝置。

圖6 全封閉無負壓疊壓供水裝置

5.1 工作原理

該裝置采用儲水罐，以提高裝置的儲水調峰能力；采用吸上式穩(wěn)壓泵將儲水罐移至地下安裝，以節(jié)省機組占地面積；采用蓄能穩(wěn)流罐，利用氣體的可壓縮性保持系統(tǒng)的工作穩(wěn)定；采用補氣裝置隔絕系統(tǒng)與外界的直接聯(lián)系，補償罐內氣體的消耗；采用普通的壓力傳感元件、液位傳感元件保持系統(tǒng)的安全。其工作控制過程及原理如下。

（1）第一次工作向系統(tǒng)注水時，需首先開啟蓄能穩(wěn)流罐上部的排氣閥，直至儲水罐與蓄能穩(wěn)流罐內原存貯的空氣被排盡，該排氣閥出口有水流出后關閉。

（2）待整個系統(tǒng)充滿水、系統(tǒng)壓力基本穩(wěn)定后開啟電控柜電源，設定電控柜系統(tǒng)進入自動值班狀態(tài)。

（3）當市政供水管網水壓與供水量均能滿足給水管網要求時，系統(tǒng)保持自動值班狀態(tài)，蓄能穩(wěn)流罐內液位保持不變。

（4）當市政供水管網水壓偏低，但供水量能夠滿足給水管網要求時，吸上式穩(wěn)壓泵啟動，并根據檢測到的管網壓力狀態(tài)自動調節(jié)水泵配套電機轉速，保持額定壓力，滿足給水管網要求。此時，蓄能穩(wěn)流罐內液位能夠得到市政供水管網及時補充，故仍能基本保持不變。

（5）當市政供水管網水壓偏低、供水量也不能夠滿足給水管網要求時，吸上式穩(wěn)壓泵啟動，并根據檢測到的管網壓力狀態(tài)自動調節(jié)水泵配套電機轉速，保持額定壓力，滿足給水管網要求。此時，蓄能穩(wěn)流罐內液位將根據補水量下降。當蓄能穩(wěn)流罐內頂部空間儲氣壓力低于額定負壓時，連接在蓄能穩(wěn)流罐進氣口與補氣裝置出氣口之間的電動氣閥將自動開啟，直至蓄能穩(wěn)流罐內壓力達到當地大氣壓力或額定負壓時電動氣閥關閉。蓄能穩(wěn)流罐內壓力將控制穩(wěn)定在額定負壓與略低于市政供水管網進口壓力之間。

（6）當蓄能穩(wěn)流罐內儲水用完后，儲水罐的儲水能夠繼續(xù)保持補充供水，并在相當長的時間內滿足給水管網要求。當儲水罐儲水一直得不到市政供水管網補充，液位下降到額定液位之下時，根據液位傳感元件檢測到的數據，在電控柜控制下，吸上式穩(wěn)壓泵將會實施及時保護性自動關閉。

（7）在正常情況下，只要蓄能穩(wěn)流罐內頂部空間儲氣壓力設置合理，系統(tǒng)在任何工作狀態(tài)下都不會導致市政供水管網出現(xiàn)負壓。為防備系統(tǒng)故障，保證市政供水管網的絕對安全，系統(tǒng)在總進水管防污隔斷裝置前端設置了壓力傳感元件，當總進水管出現(xiàn)負壓時，根據壓力傳感元件檢測到的數據，在電控柜控制下，吸上式穩(wěn)壓泵將會實施及時保護性自動關閉。

（8）第一次工作向系統(tǒng)注水時，儲水罐與蓄能穩(wěn)流罐內原存貯的空氣已經被排盡，以后由補氣裝置補充的氣體可以是符合衛(wèi)生標準的壓縮空氣，也可以是其他既符合衛(wèi)生標準、又不溶于水的安全性氣體。定期根據市政供水管網壓力與流量變化現(xiàn)狀，調整蓄能穩(wěn)流罐內頂部空間儲氣壓力與液面之間的關系，可以使系統(tǒng)保持最佳供水狀態(tài)。

5.2 與現(xiàn)有技術產品相比效果

該全封閉無負壓疊壓供水裝置與現(xiàn)有技術產品相比效果主要體現(xiàn)如下。

（1）該裝置儲水單元由儲水罐與蓄能穩(wěn)流罐共同構成，采用上下層立體布置、全封閉結構形式，與傳統(tǒng)的二次供水方式的儲水池相比，不僅能夠充分利用市政供水管網進口壓力，節(jié)省能源，而且能夠避免二次污染，保持水質衛(wèi)生；與普通疊壓供水裝置相比，可以大幅度增加儲水體積，滿足用水高峰期補充系統(tǒng)供水不會斷檔，保證給水管網用戶供水質量的穩(wěn)定性。

（2）該裝置壓力補償單元由蓄能穩(wěn)流罐、補氣裝置與電動氣閥及控制與連接元件共同構成，與普通疊壓供水裝置相比，系統(tǒng)對外沒有呼吸接口，不僅補充的是符合衛(wèi)生標準的壓縮空氣或其他既符合衛(wèi)生標準、又不溶于水的安全性氣體，能夠避免二次污染；而且根本沒有儲水外泄渠道，不可能導致泵房內電機、電器短路。

（3）該裝置變頻加壓單元的穩(wěn)壓泵是吸上式穩(wěn)壓泵，安裝在儲水罐的上層，與將穩(wěn)壓泵安裝在儲水池或儲水罐底部的傳統(tǒng)方式相比，不僅可以節(jié)省泵房占地面積，大幅度增加儲水體積，而且可以將泵房建設在室外空地地面位置，有利于改善泵房環(huán)境，避免出現(xiàn)泵房進水與被淹等現(xiàn)象。

（4）該裝置吸上式穩(wěn)壓泵的吸入口設置在儲水罐的底部，且一直是從該吸入口位置抽水，因此，儲水罐內水的流動性比傳統(tǒng)（開放式水池或水箱）二次供水裝置與箱式無負壓供水裝置都好，沒有死水層，不需如箱式無負壓供水裝置，設置定期從水池（箱）中抽水程序，并保證抽水達到額定更新量；也不需如傳統(tǒng)開放式水池或水箱那樣頻繁換水與清洗。

（5）該裝置吸上式穩(wěn)壓泵采用了一種專利技術（專利號：ZL 2007 2 0060660.4。名稱：一種離心式自吸泵），該技術既能保證當儲水罐內有壓力時，吸上式穩(wěn)壓泵的效率與普通穩(wěn)壓泵相同；又能保證當儲水罐內壓力欠低時，吸上式穩(wěn)壓泵能自行完成自吸并正常工作。

6 結束語

“改善飲用水質量，保障水質安全”是關系到人民群眾的身體健康和生命安全的大事，而研究開發(fā)節(jié)能環(huán)保型供水設備已成當務之急。傳統(tǒng)的二次加壓供水裝置，由于水池、水箱造成的二次污染已直接影響了供水水質安全，甚至產生了嚴重的水質污染事故，隨著人民生活水平的提高，被淘汰已經勢在必行?，F(xiàn)行無負壓給水設備的成功引入彌補了傳統(tǒng)供水方式的不足，但也存在方方面面的問題，特別是如何解決市政供水管網高峰期供水流量不夠；展望未來，如何提高區(qū)域性供水裝置儲水調峰能力；如何防止區(qū)域用戶使用二次加壓供水裝置給周邊用戶用水與管網帶來安全隱患等矛盾，由于關系到各方面的利益和投入收益比，也需要尋找一種各方面都能夠接受的方案。本文拋磚引玉，所提的立體分層布置的全封閉無負壓疊壓供水裝置不失為一種較為可行解決的方案，希望能有利于促進我國城市二次供水裝置發(fā)展的探討，有利于促進我國城市二次供水裝置產業(yè)的健康成長。