张 大 志
(融创中国上海区域公司，上海 200336)
0 引言
社会经济的飞速发展在加速了我国城镇化进程的同时，也给城市供水系统的安全性和经济性提出了更高的要求，而供水方式的选择就成为给排水设计师在设计过程当中首先需要考虑的问题。
传统的二次供水方式虽然仍占有较大的比重，但是在使用过程中暴露了以下一些问题：
1)投资较高。自建水池或者高位水箱不但会占据一定的建筑面积，提高了初期的工程投资，而且需要专人在日常使用过程中及时进行清洗，产生了不可忽略的维护费用；
2)卫生条件差。水箱和水池的密闭性不好，假如长时间得不到清理，死水区便容易聚集大量的细菌，内壁容易附着污垢，使得居民生活用水从源头受到了污染；
3)消耗能源。传统的二次供水方式需要对水进行二次加压，不能有效利用市政管网中原有的水压。为了解决传统供水方式存在的问题，叠压供水设备被开发出来。
1 叠压供水设备的工作原理
1.1 叠压供水设备的组成
市场上现有的叠压供水系统一般由水泵、气压罐、传感器以及相应的自动控制系统构成。
1.2 叠压和节能原理
叠压供水方式不需要再设置低位的水池，利用了管网当中原有的水压。因此，水泵的扬程(如图1所示)可表示为：
H2=H1-h1。
h1=h0-∑h。
式中：H2——叠压供水系统中的水泵扬程，m；
H1——设置低位水箱时水泵应具有的扬程，m；
h0——市政管网接入点的水压，m；
∑h——市政管网接入点到水泵进水口的沿程损失和局部损失之和，m；
h1——水泵接入口处静水压，m；
叠压供水之所以节能，是因为市政管网里原有的水压得到了利用。
2 市售叠压供水设备的特点
2.1 市售叠压供水设备分类
市售叠压供水设备一般可分为罐式、箱式以及管中泵三种。这些设备一般有稳流装置、水泵机组和控制系统构成[3]。
其中，根据实际需求在水泵机组后安装气压罐的，被称为罐式叠压供水。当市政管网供水压力较大，难以满足所有居民的用水时，为了避免水泵过量取水，令水泵从备用水源(一般是水箱)取水，被称为箱式叠压供水设备。箱式叠压供水与罐式叠压供水设备的区别在于设备拥有一个备用的水源，这部分水源经由中间水泵加压到能够被利用的市政管网余压，所以可以把水箱与中间水泵看作备用水源的稳流部分，这部分供水所占的比重大约在30%～40%之间[4]。管中泵叠压供水设备是把管中泵加入到原有的叠压供水设备中，一般应用在高压区供水压力不足的情形，或者在枝状管网的末端供给少量的用户。但是管中泵流量低、成本高，因此主要应用于高端场所。
罐式与箱式叠压供水设备中都设置有稳流罐，它的作用是避免水泵从管网中取水过量。常见的稳流罐形式可分为带囊式结构的稳流罐和不带囊式结构的稳流罐。当系统正常运行时，稳流罐是一个压力容器，罐内的压力为市政管道的水压。
2.2 水泵机组特点
叠压供水和变频恒压供水的结合是特定的经济体制作用下的产物。同型号水泵的并联运行在一开始被大多数学者认可，但是随着水泵性能的提升和新材料的研发，大小水泵的组合在工程实践当中被广泛应用后，大小泵的并联运行逐渐受到认可。但是相对于大流量的泵站，建筑的供水量偏小，因此水泵机组的台数一般不多于4台。除此之外，变频器的应用使得用于建筑给水系统供水的水泵与水厂、泵站的水泵有明显差异，这也是叠压供水设备在优化过程中遇到的难点。
2.3 气压罐特点
叠压供水设备中的气压罐虽然来自于气压给水方式，但是前者的压降一般在0.01 MPa～0.05 MPa之间。因此，倘若应用气压给水当中的设计计算公式加大气压罐的体积，无法满足实际应用。不用的叠压供水设备制造厂商在设计气压罐时，虽然没有按照统一的设计方法来进行，但是所制气压罐的基本构造是类似的，即使用囊式结构将气与水分隔开，并将橡胶囊作为储存水的空间，气体存在于囊和气压罐之间。在设备出厂前，制造厂商将一定量的气体充入气压罐，当叠压供水设备运行时，管内的气体被囊中的高压水压缩，气与水在同一时刻达到出水压力。
2.4 控制系统特点
稳流设备的控制主要体现在对泵的启停以及流量控制器的控制，它的具体形式依稳流形式而异，不带囊式结构的稳流装置控制系统比带囊式结构的简单。
不带囊式的叠压供水设备一般采用机械控制，利用排气阀使得稳流罐和外界环境相通，市售的不带囊式结构的叠压供水设备多采用机械措施，即用排气阀将稳流罐与大气相通。随着供水量的提升，稳流罐内的液面上涨，排气阀处在闭合状态，管内的压力得到恢复。当供水量不断减少使得液面降低到一定高度时，水泵被停止运行。排气阀从打开到闭合的过程中，因为水源压力的降低，水泵的运行工况会与高效区有所偏离，但持续时间并不长，而这种偏离对于供水的影响依设备性能的差别而异，这种运行工况的长远影响根据设备安装点不同是有个体差异的。试验证明：影响偏离高效区时间长短和供水可靠性的主要因素是稳流罐的容积。
当稳流罐的进水管路上设有囊式结构的稳流装置时，必须对流量进行控制，这个过程一般是通过流量控制器实现。为了确保阀门进口的压力值不能过低，压力传感器将感知到的压力差信号传递到控制中心，由控制中心计算并调整阀门的开启程度，直到阀门被完全关闭为止。带囊式结构的罐式叠压供水设备没有设置排气装置，当高压水被消耗完毕后，水泵需停止运行，此时，所有居民的供水被中止。
3 叠压供水设备的评价
3.1 优点
3.1.1改善供水管网管径
新型供水设备、技术的开发及应用对城市原有供水管网的水质和水量保障提出了新的要求。这些设备的入水流量一般是不能高于市政管网的。而叠压设备的应用使得水池和高位水箱等储水设施无需再进行规划和设置。当管网的服务面积过大时，时变化系数和供水量迅速增加，容易造成管网内的压力大幅度波动。因此有规定表明，应用了叠压设备的供水管网管径至少要比正常情况下的高两个等级，这样才能有效避免用水高峰时期管网水压过低导致的供水不足现象。
3.1.2供水水质得到保证
叠压设备无需设置水池和水箱，因此可以省去定期的维护和清洗工作，并且多采用封闭式运行的设计。这样一来，富含细菌和病毒的污垢难以进入供水系统中大量繁殖，避免了二次污染的不良影响。除此之外，叠压设备多采用食品级不锈钢材质制成，不会在使用过程中影响水质。
3.2 局限性和不足
传统的供水设备一般要配置水池，水池的容积一般是根据进水量和用水量的差值来计算确定的。水池具有调节供水功能，即便管网出现短暂的压力不足，建筑内的供水依然可以得到保证。而叠压设备取消了水池，设备内部的储水量难以满足市政管网停止供水时建筑内居民的用水需求。
除此之外，叠压供水的应用条件比传统的二次供水方式更为严格。尽管这种技术能够解决传统供水方式存在的一些问题，但是难以在实际工程中得到完全的应用。据天津市出台的《叠压供水技术规程》规定了六种严禁使用叠压供水方式的情形，包括：
1)市政管网水压低于0.22 MPa的区域；
2)供水量负担过重的区域；
3)叠压设备使用密度过大区域；
4)必须保证供水连续性的区域；
5)用水时间集中并且时变化系数过大的区域；
6)化工、医药、印染等可能会危害公共供水安全的企业用户。
4 叠压供水设备的适用条件
叠压设备不但占地面积小，而且能保证供水水质的安全性，但是仍然需要满足一定条件才能使用。一般情况下，要求与之相连的市政管网管径不能低于300 mm，并且叠压设备的进水管要比供水干管低两级以上，或者不超过供水管道界面的1/3，此时叠压设备进水管管径与供水干管的管径配比不能超过65/100,80/150,100/200，并且，使用叠压设备的区域内供水压力不能低于0.22 MPa。
当对叠压设备的使用进行评估时，不但要综合考量管网的具体布置形式，而且要对区域内外用户的用水特性进行调研。具体来讲，可从以下角度进行评估：
1)为保证供水管网的压力稳定，在管网局部压力过低以及用水量变化较大的区域不宜使用叠压设备。但是，在靠近管网源头的区域，由于管道内的水量波动不够明显，供水的可靠性能够得到保证，因此可以设置叠压设备；除此之外，对于高区的水泵机组而言，通过一定的设备调配和变频控制后，能够保证水泵在15 m水头的区间内保持高效运行，来应对管网供水压力的变动。
2)当区域内用户的集中度过高，或者供水的持续性必须受到保证的情况下，不宜设置叠压设备。
3)若用户的用水时段能够与主流用户的用水时间错开，可以选用叠压设备。比如，当主流用户的用水时间主要分布在日间，而项目用户的用水时间分布在夜间，那么采用叠压设备的使用不会对主流用户造成影响，并且达到了节能的目的。
4)当区域内叠压设备应用的密度较大时，需要使用管网平差或者数值模拟的方法对采用叠压设备前后管网内的压力波动情况进行模拟，保证新加入的叠压设备不会对其他用户的用水造成影响。
近几年，各地的主管部门已出台了多项与叠压设备应用有关的规程和通知，如北京市自来水机关出台的《关于二次供水安装使用无负压加压供水设备的暂行规定》。这些规定的共同点在于对叠压设备的供水量、允许接入市政管网的管径和最小压力进行了规定。
5 结语
叠压供水方式近几年的快速发展，得益于其相对于传统的供水方式，不但能减小占地面积以减小投资，而且能有效利用供水管网水压，并有效避免二次污染。但是当对拟采用叠压设备的项目进行评估时，不应拘泥于对单个供水设备性能的强调，而是应当从整个供水系统的节能性和水质、水量安全性的角度出发进行评估。与城市给水管网系统的中远期规划相符，合理地使用叠压设备，就可以在保证用户供水可靠性的前提下实现城市供水管网系统的优化。
