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摘要：由于城市土地资源紧张，房地产的开发向高层发展，还有对供水质量和供水系统可靠性的要求不断提高。再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化控制技术以及通讯技术。采用高性能、高节能、高环保，能适应不同领域的无负压(叠压)供水设备成为必然趋势。
关键词：无负压(叠压)供水设备；环保；节能
中图分类号：TH6 文献标识码：A 文章编号：1000-8136(2009)29-0035-02
该工程属于一类高层建筑，一层至顶层为住宅楼。住宅部分生活给水系统分为高、中、低区3个系统：低区为1～4层。中区为5～17层，高区为18层至顶层，生活给水水源由市政自来水给水管网供给，供水管网输出端压力约为0.2MPa，传统的中、高区由设于室内泵房的生活给水变频泵组和生活水池联合加压供给，室内生活调节水池需120m3，此供水系统已不能满足当前城市供水现代化要求，综合环保节能等技术要求，经专家论证决定采用无负压(叠压)供水设备来解决该工程的供水问题。
1 无负压供水设备的优点
(1)设备投资省，占地面积小，无需修建蓄水池或水箱，也不需设置大型气压罐，一节省了投资，充分利用了自来水管网1次供水压力，加压泵选型可以减小，设备投资减少。二节约了系统占地面积，充分利用节约的土地提高地产利用率，符合国家节约土地资源的要求。
(2)卫生无污染，供水系统从自来水管网至用户水龙头为全密封结构，污染物不会进入系统；水体不与空气直接接触，过流部件采用食品级不锈钢制作，不对水质产生污染。
(3)节能效果显著，设备直接与自来水管网串接，在自来水厂一次供水管网压力的基础上叠加所需的压力，差多少，补多少，能充分利用管网的余压；用水低峰期，设备甚至不需运行，节能效果显著，与传统给水设备比，节能达30％～60％。
(4)安装简便，无负压叠压供水设备为成套供应用户，现场只需联接进出水管，施工周期短，安装简单。
(5)运行成本低，由于加压泵的选型较小，而且可采用多泵关联供水，在用水低峰期直接利用城市一次供水压力供水，设备不需启泵或只启动1台泵足以满足用水需要，用水高峰时才会启动其他泵。因此，设备运行过程中能耗非常低，降低了运行成本。
(6)停电不会停止供水，由于设备有一条公共供水管路与用户管网直接相通，在停电时加压泵虽停止工作，但自来水厂一次供水压力仍可维持供水。
(7)管理维护简便，无负压叠压供水设备为微机全自动控制变频调速运行，停电设备自动停机，来电自动开机，完善的故障检测、诊断技术和报警提醒使得设备的管理维护异常简便；由于不会产生污染，因此无需麻烦的清洗工作。
2 无负压供水设备的工作原理
自来水管网的水通过进水管道部分进入稳流补偿罐，稳流补偿罐内空气通过负压消除器排出，直至罐内水满，设备通电置于自动工作状态。控制系统对设备进水总管压力与用户管网压力实时检测，并将压力信号转换为数字信号储存于寄存器中，与预先从触摸式人机界面设置的并储存于寄存器的压力设定值进行闭环运算，并将结果转换为模拟量以控制变频器的输出频率，控制水泵的运行转速，在市政供水量大于用户用水量时根据用户管网压力自动调节水泵转速，保证用户管网压力恒定；在市政供水量小于用户用水量时，及时调低水泵转速，控制供给用户的水量，确保给水设备不对市政管网产生。
3 无负压供水设备的设计特点
(1)变频供水系统关键的调节部件是变频器，控制设备是可编程控制器和人机界面触摸屏，采用双变频器交互切换的设计，在水泵切换时，能保证系统水压不会波动。
(2)稳流罐选择不锈钢稳流罐，该罐为立式或卧式结构，严格按照国标GBl50《钢制压力容器》生产。稳流材质采用SUS304-2B食品级不锈钢，具有较强的耐腐性，符合国家卫生饮用水设备标准；稳流罐耐压0.6MPa，具有较好的气密性；罐体进出口为法兰连接方式，方便与系统其他设备的连接；稳流罐下方设置有排污口。侧面安装了不锈钢液位计，罐中水位情况一目了然，整个罐体采用镜面抛光技术，十分美观。
(3)无负压供水设备选用不锈钢浮球式负压消除装置。加装空气过滤器，将空气与水隔开，杜绝污染，过滤级别为F5；≥5μm微粒去除率为99％；≤1μm微粒去除率为70％。
(4)设计双重防止产生负压，一是装在稳流罐上的负压抑制器在管网供水量小于用户用水量时自动开启，通过导气口将稳流器与大气导通，以避免市政管网产生负压；二是在稳流器与市政管网连接管道上装有压力传感器，由微机实时进行检测，当压力值过低时微机向变频器发出降低运行频率指令，控制变频器输出频率，调低水泵工作转速，从而调低设备供水量，使设备供水量不大于市政管网供水量，这样也保证了稳流器不会对市政管网形成负压吸水的现象。
(5)没备与管网连接处加装倒流防止器(防污隔断阀)，能够将供水没备内同流水带来的污染与市政管网完全隔开，泵组设备为整机结构，由不锈钢管或钢骨架塑料复合管连接而成。
(6)系统中设置了膈膜气压罐。气压罐有缓冲和保压的功能，配合节能型供水软件，系统可以实现小流量“保压停机”功能，可以大大节约运行费用。
(7)噪声考虑。①选用低噪声电机和冲压水泵，采用改变变频器载波频率的方式来降低从供水设备上发出的噪音。②水泵基础安放减振器，水泵进出口等相连端采用橡胶软接。
4 无负压供水设备自控功能
无负压供水设备设置有两种工作方式：手动、自动。
(1)手动方式是可靠而又最简单的方式。
(2)自动工作方式是正常工作方式，有以下特点：①自动系统每套可控制2～5台水泵进行互为备台的工作，水泵的运行，遵循先开先停、先停先开、工作时间均衡的原则，各泵的工作强度相当，避免某台水泵长期使用引起过度磨损或锈蚀，从而有效延长每台水泵的使用寿命。②方便用户使用，该系统采用可触摸式人机界面。③实现水泵恒压运行，压力值输出精度有效保证在0.01MPa内，通过计算机模拟管网特性曲线，调整水泵工作在高效区，整机效果更佳。④系统具备运行、停止及故障显示功能等。
5 无负压供水设备环保、节能分析
(1)节水方面，无负压供水设备采用全密闭结构系统，彻底防止了蓄水池的溢、渗、滴、漏等浪费水资源的现象，同时也节省了定期清洗水箱时而造成对水资源的浪费。
(2)占地方面，传统供水方式需设置蓄水池或高位水箱，在此蓄水池或高位水箱净高均按2.5m计，则蓄水池占地面积约140m2，而采用无负压供水方案可节省占地面积约140m2，这部分节省的面积作车库或仓库等。按3 000元/m2。计，则可节省约 42万元的占地费用。
(3)管理费用，传统供水方案所设水箱应每半年清洗1次，还要停水1d，在管理上还存在对供水安全的担忧，并需要增加必要的安全防护措施费用。水箱按50元/m2考虑清洁费和检疫检验费，其地下水箱的清洗面积约400m2，每年的管理维护费用约50元/m2×400m2×2次=4万元，年，按15年考虑，则需约60万元的管理维护费用，而采用无负压供水方案则可节省此笔管理费用。另外，无负压供水设备采用全自动运行，不需要设专人看护管理，传统的供水方式自动化程度低，需设专人值班，按2人，每人工资按1万元，年考虑，采用无负压供水方案每年可节省人工福利费约2万元/年，可节省设备每年保养费约1万元，年，按15年考虑，则人工福利费及设备保养费约45万元。
(4)节能分析，无负压供水设备可充分利用自来水管网压力，采用变频调速，水泵电机在微机的控制下，根据自来水的压力调节电机的转速，只对自来水的进水压力和所需压力进行补压，当自来水的压力满足要求时设备就停止工作，节能效果非常明显，分析如下：以该工程为例，自来水管网平时供水压力为0.25MPa，高峰期供水压力为0.15MPa，设计用水量为80m3/h，最大秒流量为40L/s，最高层需供水压力100m，选用无负压供水设备采用分区供水方式，低区流量5L/s，供水压力50m；高区流量20L/s，供水压力100m；考虑自来水供水压力的不稳定性和克服阻力所损耗的压力，高峰期利用自来水管网压力0.12MPa,则低区供水压力为38m，高区为88m,低峰期自来水管网压力为0.25MPa，同上可利用的压力为0.22MPa。根据用水规律，用水高峰约2H，中峰约5h，低峰约7h，小流保压期约10h，则水泵每天电耗EP可通过下列公式计算，低区为例：
EP＝pTQmHA／102ηp 式中：p：水的密度，1.03kg/L
T：及泵运行时间，h；
Qm：单位时问流量，L/s；
H：扬程，m；
A：变频节能系数；
ηp：水泵、电机和传动装置的总运行效率根据水泵样本确定。
高峰期EPl=19.19kW.h，中峰期EP2=20.7kW.h，低峰期EP3=13.85kW.h，小流量保压时间为10h，耗电基本为零，故低区EP=53.74 kW.h。
同上，高区EP=133.28kW.h,则水泵每年运行电耗为187.02kW.h/天*365天*0.8元/kW.h=5.46万元/年。
传统供水方案按选用2台37 kW水泵，水泵工频运行，水泵按每天10h运行，则每天电耗W=370kW.h/天，那么每年运行电耗E1=370kW.h/天×365天×0.8元/W.h=10.8万元，年。
综上与传统供水相比，选用无负压供水设备可节省年运行电耗5.34万元，年，以运行15年考虑，则可节省运行费用约80万元。
6 结束语
采用无负压供水设备，从环保、节水、节能等方面与传统的供水方案相比，无负压供水设备不仅可节约一次性投资，而且运行费用低，供水质量安全、可靠、卫生，设备维护管理简单方便，节省建筑面积，采用计算机智能控制变频调速供水技术，供水安全可靠，是真正的卫生、环保的绿色供水设备。
关键词：无负压(叠压)供水设备；环保；节能
中图分类号：TH6 文献标识码：A 文章编号：1000-8136(2009)29-0035-02
该工程属于一类高层建筑，一层至顶层为住宅楼。住宅部分生活给水系统分为高、中、低区3个系统：低区为1～4层。中区为5～17层，高区为18层至顶层，生活给水水源由市政自来水给水管网供给，供水管网输出端压力约为0.2MPa，传统的中、高区由设于室内泵房的生活给水变频泵组和生活水池联合加压供给，室内生活调节水池需120m3，此供水系统已不能满足当前城市供水现代化要求，综合环保节能等技术要求，经专家论证决定采用无负压(叠压)供水设备来解决该工程的供水问题。
1 无负压供水设备的优点
(1)设备投资省，占地面积小，无需修建蓄水池或水箱，也不需设置大型气压罐，一节省了投资，充分利用了自来水管网1次供水压力，加压泵选型可以减小，设备投资减少。二节约了系统占地面积，充分利用节约的土地提高地产利用率，符合国家节约土地资源的要求。
(2)卫生无污染，供水系统从自来水管网至用户水龙头为全密封结构，污染物不会进入系统；水体不与空气直接接触，过流部件采用食品级不锈钢制作，不对水质产生污染。
(3)节能效果显著，设备直接与自来水管网串接，在自来水厂一次供水管网压力的基础上叠加所需的压力，差多少，补多少，能充分利用管网的余压；用水低峰期，设备甚至不需运行，节能效果显著，与传统给水设备比，节能达30％～60％。
(4)安装简便，无负压叠压供水设备为成套供应用户，现场只需联接进出水管，施工周期短，安装简单。
(5)运行成本低，由于加压泵的选型较小，而且可采用多泵关联供水，在用水低峰期直接利用城市一次供水压力供水，设备不需启泵或只启动1台泵足以满足用水需要，用水高峰时才会启动其他泵。因此，设备运行过程中能耗非常低，降低了运行成本。
(6)停电不会停止供水，由于设备有一条公共供水管路与用户管网直接相通，在停电时加压泵虽停止工作，但自来水厂一次供水压力仍可维持供水。
(7)管理维护简便，无负压叠压供水设备为微机全自动控制变频调速运行，停电设备自动停机，来电自动开机，完善的故障检测、诊断技术和报警提醒使得设备的管理维护异常简便；由于不会产生污染，因此无需麻烦的清洗工作。
2 无负压供水设备的工作原理
自来水管网的水通过进水管道部分进入稳流补偿罐，稳流补偿罐内空气通过负压消除器排出，直至罐内水满，设备通电置于自动工作状态。控制系统对设备进水总管压力与用户管网压力实时检测，并将压力信号转换为数字信号储存于寄存器中，与预先从触摸式人机界面设置的并储存于寄存器的压力设定值进行闭环运算，并将结果转换为模拟量以控制变频器的输出频率，控制水泵的运行转速，在市政供水量大于用户用水量时根据用户管网压力自动调节水泵转速，保证用户管网压力恒定；在市政供水量小于用户用水量时，及时调低水泵转速，控制供给用户的水量，确保给水设备不对市政管网产生。
3 无负压供水设备的设计特点
(1)变频供水系统关键的调节部件是变频器，控制设备是可编程控制器和人机界面触摸屏，采用双变频器交互切换的设计，在水泵切换时，能保证系统水压不会波动。
(2)稳流罐选择不锈钢稳流罐，该罐为立式或卧式结构，严格按照国标GBl50《钢制压力容器》生产。稳流材质采用SUS304-2B食品级不锈钢，具有较强的耐腐性，符合国家卫生饮用水设备标准；稳流罐耐压0.6MPa，具有较好的气密性；罐体进出口为法兰连接方式，方便与系统其他设备的连接；稳流罐下方设置有排污口。侧面安装了不锈钢液位计，罐中水位情况一目了然，整个罐体采用镜面抛光技术，十分美观。
(3)无负压供水设备选用不锈钢浮球式负压消除装置。加装空气过滤器，将空气与水隔开，杜绝污染，过滤级别为F5；≥5μm微粒去除率为99％；≤1μm微粒去除率为70％。
(4)设计双重防止产生负压，一是装在稳流罐上的负压抑制器在管网供水量小于用户用水量时自动开启，通过导气口将稳流器与大气导通，以避免市政管网产生负压；二是在稳流器与市政管网连接管道上装有压力传感器，由微机实时进行检测，当压力值过低时微机向变频器发出降低运行频率指令，控制变频器输出频率，调低水泵工作转速，从而调低设备供水量，使设备供水量不大于市政管网供水量，这样也保证了稳流器不会对市政管网形成负压吸水的现象。
(5)没备与管网连接处加装倒流防止器(防污隔断阀)，能够将供水没备内同流水带来的污染与市政管网完全隔开，泵组设备为整机结构，由不锈钢管或钢骨架塑料复合管连接而成。
(6)系统中设置了膈膜气压罐。气压罐有缓冲和保压的功能，配合节能型供水软件，系统可以实现小流量“保压停机”功能，可以大大节约运行费用。
(7)噪声考虑。①选用低噪声电机和冲压水泵，采用改变变频器载波频率的方式来降低从供水设备上发出的噪音。②水泵基础安放减振器，水泵进出口等相连端采用橡胶软接。
4 无负压供水设备自控功能
无负压供水设备设置有两种工作方式：手动、自动。
(1)手动方式是可靠而又最简单的方式。
(2)自动工作方式是正常工作方式，有以下特点：①自动系统每套可控制2～5台水泵进行互为备台的工作，水泵的运行，遵循先开先停、先停先开、工作时间均衡的原则，各泵的工作强度相当，避免某台水泵长期使用引起过度磨损或锈蚀，从而有效延长每台水泵的使用寿命。②方便用户使用，该系统采用可触摸式人机界面。③实现水泵恒压运行，压力值输出精度有效保证在0.01MPa内，通过计算机模拟管网特性曲线，调整水泵工作在高效区，整机效果更佳。④系统具备运行、停止及故障显示功能等。
5 无负压供水设备环保、节能分析
(1)节水方面，无负压供水设备采用全密闭结构系统，彻底防止了蓄水池的溢、渗、滴、漏等浪费水资源的现象，同时也节省了定期清洗水箱时而造成对水资源的浪费。
(2)占地方面，传统供水方式需设置蓄水池或高位水箱，在此蓄水池或高位水箱净高均按2.5m计，则蓄水池占地面积约140m2，而采用无负压供水方案可节省占地面积约140m2，这部分节省的面积作车库或仓库等。按3 000元/m2。计，则可节省约 42万元的占地费用。
(3)管理费用，传统供水方案所设水箱应每半年清洗1次，还要停水1d，在管理上还存在对供水安全的担忧，并需要增加必要的安全防护措施费用。水箱按50元/m2考虑清洁费和检疫检验费，其地下水箱的清洗面积约400m2，每年的管理维护费用约50元/m2×400m2×2次=4万元，年，按15年考虑，则需约60万元的管理维护费用，而采用无负压供水方案则可节省此笔管理费用。另外，无负压供水设备采用全自动运行，不需要设专人看护管理，传统的供水方式自动化程度低，需设专人值班，按2人，每人工资按1万元，年考虑，采用无负压供水方案每年可节省人工福利费约2万元/年，可节省设备每年保养费约1万元，年，按15年考虑，则人工福利费及设备保养费约45万元。
(4)节能分析，无负压供水设备可充分利用自来水管网压力，采用变频调速，水泵电机在微机的控制下，根据自来水的压力调节电机的转速，只对自来水的进水压力和所需压力进行补压，当自来水的压力满足要求时设备就停止工作，节能效果非常明显，分析如下：以该工程为例，自来水管网平时供水压力为0.25MPa，高峰期供水压力为0.15MPa，设计用水量为80m3/h，最大秒流量为40L/s，最高层需供水压力100m，选用无负压供水设备采用分区供水方式，低区流量5L/s，供水压力50m；高区流量20L/s，供水压力100m；考虑自来水供水压力的不稳定性和克服阻力所损耗的压力，高峰期利用自来水管网压力0.12MPa,则低区供水压力为38m，高区为88m,低峰期自来水管网压力为0.25MPa，同上可利用的压力为0.22MPa。根据用水规律，用水高峰约2H，中峰约5h，低峰约7h，小流保压期约10h，则水泵每天电耗EP可通过下列公式计算，低区为例：
EP＝pTQmHA／102ηp 式中：p：水的密度，1.03kg/L
T：及泵运行时间，h；
Qm：单位时问流量，L/s；
H：扬程，m；
A：变频节能系数；
ηp：水泵、电机和传动装置的总运行效率根据水泵样本确定。
高峰期EPl=19.19kW.h，中峰期EP2=20.7kW.h，低峰期EP3=13.85kW.h，小流量保压时间为10h，耗电基本为零，故低区EP=53.74 kW.h。
同上，高区EP=133.28kW.h,则水泵每年运行电耗为187.02kW.h/天*365天*0.8元/kW.h=5.46万元/年。
传统供水方案按选用2台37 kW水泵，水泵工频运行，水泵按每天10h运行，则每天电耗W=370kW.h/天，那么每年运行电耗E1=370kW.h/天×365天×0.8元/W.h=10.8万元，年。
综上与传统供水相比，选用无负压供水设备可节省年运行电耗5.34万元，年，以运行15年考虑，则可节省运行费用约80万元。
6 结束语
采用无负压供水设备，从环保、节水、节能等方面与传统的供水方案相比，无负压供水设备不仅可节约一次性投资，而且运行费用低，供水质量安全、可靠、卫生，设备维护管理简单方便，节省建筑面积，采用计算机智能控制变频调速供水技术，供水安全可靠，是真正的卫生、环保的绿色供水设备。