第2章 建筑内部给水所需的水压、水量和增压贮水设备 2-1 建筑内给水系统所需压力 室内给水系统所需压力 室内给水系统所需压力，应该能将所需的流量输送至建筑物内最不利点(最高最远点)的配水龙头或用水设备处，并保证有足够的流出水头。 流出水头：各种配水龙头或用水设备为获得规定的出水量(额定流量)而必须的最小压力(H3)  图1-1 建筑内部给水系统所需压力  ——室内给水系统所需的总水压 ——最高最远配水点与室外引入管起点的标高差(米) ——计算管道的水头损失(米水柱) ——计算管路最高最远配水点的流出水头 ——水流通过水表的水头损失(米水柱) 在设计初，为选择给水方式，判断是否需要设置给水升压及贮水设备，常常要对建筑内给水系统所需压力按建筑层数进行估算： 层数(n) 1 2 3 4 5  需水压(mH2O) 10 12 16 20 24  上表适用于层高≤3.5m以下的建筑，该压力为自地平算起的最小保证压力。 2-2 给水所需水量 1. 生产用水 用水量根据生产工艺过程、设备情况、产品性质、地区条件等确定 计量方法：①以单位产品用水量计 ②以单位时间某种设备上用水量计 用水特点：有规律，均匀 2.生活用水 用水量根据卫生设备完善程度，气候情况，生活习惯、水价等因素有关，其中最主要的因素是卫生设备的完善程度。我国现行规范住宅生活用水定额取消了气候分区而以卫生设备完善程度为基本条件，其主要原因： ①影响用水量的主要因素是卫生设备的完善程度，其它原因已包括地区条件可体现在用水定额的幅度中。 ②气候分区 是从建筑的采暖出发不完全适合生活用水定额 ③人员流动，生活习惯的改变，生活水平的提高，使气候因素的影响下降 ④借鉴国外定额确定原则 用水特点：不均匀，卫生器具越多，设备越完善，用水不均匀性越小。 3.最大日、最大时用水量 计算：根据用水量定额及用水单位数来确定  (4-1)  (4-2)  其中：——最高日用水量 (l/d) ——用水单位数(人·床位) ——用水定额(l/人·日) ——最大小时用水量(l/h) ——建筑内用水时间 ——时变化系数 ——平均时流量 是借助于自动流量记录仪测得建筑物内一昼夜用水变化曲线，并绘制出以小时计的用水量变化阶段图求得。时变化参数经过人们大量测定后，定出一个标准值，作为已知资料被应用。 用来设计室外给水管道最合适。原因：室外管网服务区域大，人数众多，卫生设备数量多，不同性质的建筑混杂，工作、生活时间不一，参差交错使用，用水量变化趋于缓和，显得比较均匀。 而对于一栋或少数几栋建筑来说，用水人数少，卫生设备少，建筑性质单一，人们的生活工作条件基本相同，用水不均匀性就显著增加，就不能认为最大小时内用水是均匀的，要考虑最大小时内最大秒(如高峰用水时段内5分钟平均秒流量)的用水量以反映室内用水高峰的特点。 2-3 增压、贮水设备 一、水泵装置 （一）水泵装置的进水方式 1.直接抽升——水泵直接从市政管网抽水 特点：充分利用市政管网水压，减少水泵经常运转费用。闭式系统，保护水质不受污染。系统简单，减少基建投资。引起市政管网压力降低，影响相邻建筑用水。 缺点：①有可能因回流而污染城市生活饮用水 ②造成室外管网局部水压下降，影响附近用户用水。 目前，由于城市工业的发展，住宅、公共建筑的增加，室外管网供水压力不足的情况下，为保证市政管网的正常工作管理部门对此种抽水方式加以限制，一般说来，生活给水泵不得直接从市政管网直接抽水。 在室外给水管网流量能满足要求的前提下，消防泵可否直接抽升？从理论上讲应该是可以的。因为火灾发生几率小，且消防车也是从市政管网抽水的。测试资料表明，在市政管网足够大时，水泵抽水引起相邻管道压力降低值并不大。但设计中如采用消防水泵直接抽水，需得到有关部门的同意。上海和平饭店、中百公司、北京燕京饭店、建国饭店等消防泵都采用直接从室外管网抽水方式。 水泵从大干管上抽水，当室外给水管网为大管径，室内为小泵时，水泵直接从室外给水管网吸水时，影响甚微。湖南省院和长沙自来水公司曾进行水泵直接吸水的科学试验，水管为管道泵，吸水后室外给水管网降低压力仅为10~15KPa。 为保证消防时的水压要求和避免水泵吸水而使室外给水管网造成负压，规范规定，吸水时，室外给水管网压力不得低于100 KPa，且直吸时水泵应装有低压保护装置(当外管网压力低于100 KPa时，水泵自动停转)。 水泵直吸时，计算水泵扬程，应考虑室外管网压力，因室外管网压力是变化的，当室外管网为最大压力时，应校核水泵出口压力是否过高，在某工程曾发生因选泵时没考虑室外管网的有效压力，造成在使用时消防水龙带爆破的事故。 2. 间接抽升 在建筑物内部抽水量较大，不允许直接从市政给水管网抽水时，常建水池。水泵从水池抽水，供给室内给水管网。 启闭方式：无论直接间接——自动启闭 水箱 液位控制 水泵 直接 市政管压力 间接 室内管压力 机组设置：生活泵——按供水可靠性考虑备用机组 生产泵——视工艺要求 消防泵——视规范要求而定 （二）水泵运行方式 1.恒速运行——水泵在额定转速下运行，n一定，水泵特性曲线一定Q—H，供水管网一定，管路特性曲线Q—∑h一定。Q—H与Q—∑h两条曲线交点M为水泵工况点，相对应流量为设计最大流量，相应的扬程为管网所需要的压力，满足H0+∑h，H0为不利点静水压力。 存在问题：设计的最大流量Qmax在一天用水中出现的几率较小，多数情况下用水量小于Qmax，水泵工作点将沿着Q—H曲线上下移动(Q↓，∑h↓)管网中压力增大，工作点移至M1，静水压力无用途增加了H1﹣H0，⊿h为能量浪费，多采用阀门调节。 2. 变速运行 众所周知：按水泵叶轮的相似方程，在不同转速下运行的同一台水泵    转速与流量有如上关系，它表明水泵当流量改变时，水泵性能发生变化的规律，一般n只能下调，提高水泵n会使叶轮中的离心力增加，造成机械性的损伤。n↓自能改变了水泵Q与H关系特性曲线，于是着眼于降低n。  (电工学) 其中： ——电机转数 ——电机定子供电频率 ——磁极对数 ——转差率 从上式可知：电机转数与供电频率成正比，可以通过改变电机定子供电频率，来调节电机转数。 变频调速泵即 调速运行方式 ①调速恒压供水 电机转数发生变化必然会引起Q—H曲线的变化当n为n1、n2、n3、n4时 ②变速运行 近年来建筑给排水系统开始采用变频调速水泵，目的是减少能量浪费 原理：由电工学  其中：——电机转数 ——电机定子供电频率 ——磁极对数 ——转差率    从上式：电机转数与供电频率成正比，可以通过改变电机频率来调节电机转速。 前提：在变速运行时，要保持电源电压与转速比为常数，或者说保证电机转矩恒定。 国外变频器成本高，维修困难。 调试运行方式 ——比例率 调速恒压供水 图P28 2-5 水泵转数发生变化，必然引起水泵特性曲线发生变化 n为n1 n2 n3 扬程为H1 H2 H3 相应于不同n时的水泵特性曲线Qn—Hn与M—Hn曲线有交点，因而可使用调速控制改变Q—H曲线是水泵运行沿Hs—M直线变动 变频调速恒压供水即流量发生变化供水扬程不变，在运行中管网最不利点保持在Hs和H0之间变化，能量仍有浪费⊿h，但毕竟节约了一部分能量⊿h’ 2. 变压运行 变水泵工作曲线Q—H，符合Q—∑h供水，但存在一定问题。 a调速变压，水泵效率低 b控制较难，造价高 c可能造成管网中水压不足：管道损失曲线由一条二次抛物线计算并不十分准确在Q管道复杂变化的情况下，计算测试都会有误差。 综上变频调速变压——消除能量浪费，但η↓目前，这种技术尚缺少把握性。 变频调速恒压——有一定能量浪费，控制可靠，广泛采用。 实际应用：生活给水系统：选一台变频泵，二台工频泵 用水量小时，变频泵工作，用水量大时：达到a点时，变频泵已满负荷，启动第Ⅱ号工频泵，变频泵与Ⅰ号同时工作。当流量达到b点时，启动第Ⅱ号工频泵，变频仍在运行。 用水量很小时(夜间)不论是恒速泵变频调速泵都效率很低，不节能。可设小型气压罐在小流量时使用。 生活﹢消防给水系统： 选泵：按消防泵选 正常使用时，调频到20~赫兹，消防时调到50赫兹，实现工况转换1~5s。 （三）水泵的选择 依据Q、H Q 单设水泵 生活 按 ，以保证安全供水 生产 按Qb=Qh (生产用水均匀) 设水箱： 或 H：应满足最不利点所需水压，经水力计算确定 直吸式， 间吸式 （四）贮水池容积  理论   且满足  水泵间隔运行时间内流入水池的水量 水池调节容积，保证间隔时间内把水池灌满 其中：——水池有效容积 ——消防贮水量 ——调节容积 ——生产事故贮水 ——水泵出水量 ——水池进水量 ——水泵运行时间 ——水泵运行间隔时间 经验取(10~20%) （五）水泵防震 对噪声源——选低噪音水泵 基础——固体传振主要通道：橡胶隔振垫 管道——固体传振第二通道：吸、压水管设可曲挠接头 支吊架——固体传振第三通道：弹性支吊架 隔振为主，吸声为辅，在建筑上采取隔声、吸音措施，如双层门窗、墙面，顶棚设多孔吸音板 二、水箱 作用：增压、稳压、减压、贮水 材质：钢板、钢筋砼、玻璃钢 防腐：钢板水箱，内外均应防腐。防腐涂料无毒 水箱配管 ⅰ)进水管 设闸门，便于浮球阀检修。浮球阀2个，进水管距箱顶200mm。 ⅱ)出水管 可与进水管共用，设单向阀以避免将沉淀物冲起。 ⅲ)溢流管 管高于最高液位50mm，管径比进水管大1~2#到箱底以下可与进水管同径(进水管 压力流 溢流管 重力流)，不设阀门，溢流管不能直接接入下水道。 ⅳ)排污管 排空及清洗水箱时用 40~50mm。 ⅴ)信号管 标高：溢流管口以下10mm DN20，一楼至值班室，以便及时发现浮球阀失灵，及时修理，不设阀门。 ⅵ)泄水管 有托盘的水箱，以排出箱壁凝结水，DN32~40。 水箱的容积 容积 有效容积——可供出水的容积 无效容积——死水、超高 有效容积  1.：水箱的调节容积，理论上应根据水泵供水曲线，建筑物用水曲线确定，但实际上，用水变化曲线很难得到，所以工程上常采用近似公式或经验数据。 1)单设水箱时的容积  式中 ——调节容积 ——由水箱供水的最大连续平均小时用水量 ——由水箱供水的最大连续出水小时数 2)设水泵离联合工作时水箱容积 ①水泵为自动启动时  式中：——调节容积 ——水泵出水量 m3/h ——水泵每小时启动次数 ——安全系数(1.5~2.0) 理论推导： 水泵工作周期  式中 ——水泵充水时间  ——水箱放水时间   ——启动频率 整理上式得  * 水箱容积与用水量之间二次方程式 当要求极值时(最大量时)，求与自变量之间的一次导数 即令  对的一次导数等于零 得：   说明管网用水量为水泵出水量的一半时，所求水箱容积为最大 带入*式  在使用上考虑安全系数，则  ②水泵为手动启动时  式中 ——最高日用水量 ——一天内启动次数 ——泵运行时间内，建筑物平均小时用水量(m3/h) ——泵运行一次所需时间(h) ③没有上述资料时 根据生活日用水量的百分数来确定 水泵+水箱 自动启动  手动启动  2.   (m3) 式中：——消防贮水容积(m3) ——室内消防设计流量(l/s) ——水箱供水时间 =10min （三）水箱安装高度 水箱安装高度应满足建筑物内最不利点所需的流出水头，并经过管道的水力计算确定。 基准：相对最不利点与最低液位几何高度差。 相关因素：管道长度、管径及流量、建筑物高度 设 ——最不利点标高 ——最低水位与最不利点的标高差  ——最低液位标高 ——流出水头  最低水位距箱底一般取0.5m，如何求箱底标高 水箱安装高度不够，有可能产生“负压回流” 列1-1，2-2断面能量方程   当时，室内产生负压，开启龙头，不但不出水，反而吸气。 水箱间布置：平面参考p38表3-1 竖向如图 水箱：超高取200mm，有效水深≥1.0m，最小水深＞0.05m。 三、气压给水设备 组成及工作原理 1. 组成 1——气压罐，密闭的压力容器，内部用来充气充水 2——水泵，送水至罐及管网 3——空气机，保证最大气压供应，补充漏失气体 4——控制器 压力继电器：启闭水泵 水位继电器：启闭空压机 工作原理：遵循波尔定律：在T=cost， 工作过程：罐内空气起始压力高于管网所需要的设计压力，为，水在压缩空气的作用下被送至管网，随着罐内水量减少，水位下降，空气容积增大，气体压力降低，当气体压力降至时，压力继电器动作，随之水泵被启动，将水压至罐内及管网，当罐内水位不断上升，气体受到压缩，气压增加，当罐内压力达到设计最大工作压力时，水泵在压力继电器的作用下停止工作，重新由罐内向管网供水，如此周而复始。 气压罐中的空气与水直接接触，经过一段时间后，空气由于漏失或者溶解于水，逐渐减少，会使调节容积减少，水泵启动频繁，所以要补充空气。 补气方法： a.利用空压机补气。由于罐内空气量减少，在最大工作压力时水位超过最高设计水位，此时水面与水位继电器最高点1接触，空压机被启动向罐内补气，使水面下降，当水面与水位继电器低触点2脱离时，空压机关闭，停止补气。 b. 自动补气。当水泵停止运行时，水泵出水管中水位下降，并在罐内形成负压，进气止回阀开启进气，当水泵再次工作时，管道中的空气被补入罐内。 存在二个问题 需要控制补气量——双控系统 用水位继电器控制水位——补气 用电节点压力表控制气压——泵 使补气量=损耗量 当补入空气过量时，需要排气，以避免保护容积过小，气体窜入管网。将多余的空气释放的方法——设排气阀。 水质污染 气压罐通常设置在地下室，环境差，空气污浊，在自动补气的过程中，不如的空气很难说是清洁的，势必造成水质的污染，故需要加保护装置——设空气过滤气。 气压给水装置的类型 变压式气压给水装置 如前所述，罐内空气压力随供水工况而变化，给水系统处于变压状态下工作，适用于用水压力要求不很严格(无特殊要求时)，如生活给水。 2. 恒压式气压给水装置 在用户要求用水稳定时，在变压式供水装置的出水管上装调压阀，调压阀后压力在所压求的范围内。 3. 隔膜式气压给水装置 为了简化气压给水装置，节省补气和排气装置，避免水质被污染(来自脏空气、空压机润滑油)。在水罐内装有弹性隔膜(橡胶、塑料)将气水分开，靠隔膜的伸缩变形，调节水量，可以一次充气，长期使用(充空气、N2气)。 优点：气水分离，水质得到保证，省去补气、排气等气量调节装置，自控系统简单。 要求：隔膜具有一定的抗疲劳强度大于12000次折叠。实际目前小于4000次，具有不透水性和化学稳定性。 4. 气囊式气压给水装置 气压罐内装有气囊(很薄)充气使气囊张开，贴在罐壁上在压力达到时，启动水泵，向罐内充水，其难受压，气压达到时，停泵，水在作用下送至管网。 （三）计算 贮罐总容积  其中：——水调节容积 按计算 ——气体容积，变量指相对时的 由波尔定律：   整理： 令： 则：   取值范围：0＜＜1  0 0.5 0.65 0.75 0.85 1                  说明：时，，相当与水罐  时，，无调节容积，相当于水泵供水 规范推荐：之间 相应的之间，调节容积很小。 若想提高调节容积，取小值，如    由于水泵特性曲线要求很陡，选泵困难，又因为较大，罐壁厚度增加，造价上升。 2.选泵   扬程，首先确定系统所吸最小压力，以此确定，选择，定出， 变压式：——      定压式：——  （四）特点及应用 综上讨论，气压给水装置是利用密闭压力罐内的压缩空气将罐中的水送至管网的升压设备。作用：由于气压给水设备的供水是靠罐内压缩空气来维持的，所以不需要高架，适用于不易设置水箱的德场所，但其调节容积小，经常费用高，耗钢材，供水压力变幅大。 在消防给水中的应用： 在多层及高层建筑室内消防给水系统中，要求贮有10分钟火灾初期消防用水。 在设水泵+水箱联合供水系统中，10分钟水贮于水箱之中，但由于水箱安置高度所限，建筑物上几层消火拴拴口供水压力不能满足要求，可采用气压罐来解决这个问题，起增压作用。设计时，气压罐压力大于最不利点消火拴所需压力。 在无高位水箱供水系统中，气压罐起贮水作用，一般高层建筑10分钟贮水量≥18m3。  取，m3 2400mm×5.8m×2个 存在问题：占地面积大，投资高(罐+泵+控制设备)20~30万，长期闲置等问题。 气压给水设备得以发胀的因素： 1. 某些地区建筑物抗震要求的提高，气压给水设备设在建筑底层，因此比水塔、水箱更有利于建筑的抗震。 2.高层建筑的兴建和有关防火规范的的实施，气压给水设备是保证高层建筑上层消防给水压力的有效措施之一。 3.市政管网水压的下降。建筑物建成后，由于市政管网水压下降而造成的建筑物上部供水压力不足现象，用气压给水装置来解决此问题比追加水箱更切实可行。 4. 城市规划的提高。每幢建筑设单元水箱在一定程度上影响建筑美观和城市观瞻，屋顶水箱水质极易污染，气压给水装置有隐蔽水质不易污染的优点。 5. 气压给水装置具有便于集中管理、灵活、建设速度快，易于拆迁，标准化、定型化、商品化。 尽管它调节容积小，水泵启动频繁，耗电多于水塔水箱，但仍有广泛的应用。 气压给水装置的横向开发 气压给水设备的开发，意义并不在设备上，而在于横向的开发利用，主要有： 1.水泵非自罐式吸水的补水装置。 2.压力式膨胀水箱(用以取代热水供应系统式采暖系统的开式膨胀水箱) 3.水锤消除器。(利用气室可以压缩的特点，可用于消除或减弱水泵停泵水锤和管网末段因阀件快速启闭而产生的水锤) 4.水景射流调节(利用气压水罐内压力的规律性变化来控制水景射流的变化) 5.压力投药或压力加油。以药或油代替水，利用罐内压力投加，投加方式为变量投加。 6.缓冲器。以水为载体的冲击波，可利用气室容积的变化来减缓冲击力。 横向开发为气压给水开辟了广阔的前景，这方面还大有文章可作。