【图朴解决方案】浅谈生活用高位水箱水量的确定

1 概述
根据《建筑给水排水设计规范GB50015-2003(2009年版)》（以下简称水规），第3.7.5 条，由水泵联动提升进水的水箱的生活用水调节容积，不宜小于最大用水时水量的50%。而为了保证用水的安全，设计人员在计算完高位水箱容积后，往往评经验附加一定的余量，造成水箱偏大，建造成本增加；同时水箱容积增加，水在水箱中停留时间加长，在建筑入住率低时，实际用水量远低于设计用水量，用水水质便难以得到保证。
在对供水可靠性和用水质量要求越来越高的今天，当由水泵联动提升进水时，如何确定屋顶高位水箱的容积，保证供水的可靠性和经济性便显得尤为必要。为合理的确定高位水箱的容积，将高位水箱的水量分为如下几部分：
淤当水箱的设置高度无法满足最高层用户用水压力需求时，需要采取局部增压措施，需要一定的水深来保证增压泵的吸水，可将此水深定为报警(低)水位。
于当用水最高峰时，用水量大于补水量，水箱水位持续下降，因此需要一定的调节水量来保证供水可靠性，当水箱内调节水量的部分开始被动用时，需要启动补水泵进行补水，即水箱调节水量为报警(低)水位与启泵水位之间的水量。
盂为了保护补水泵电机，补水泵启动不宜过于频繁，启泵水位与停泵水位之间需要一定的缓冲水量来减少起泵次数。根据《建筑给水排水设计手册(第二版)》（以下简称手册），补水次数一般取4~8次/h，根据启泵频率可计算所需的缓冲水量，并设置停泵水位。
2 工程实例
2.1 一组补水泵单个高位水箱补水
以上海某公建塔楼为例，该楼最大时用水量为13.2m 3 ，设计秒流量10.9L/s（39.2m 3 /h）。生活补水泵型号为KQDL50-10×8，流量14m 3 /h，扬程84.8m。
①顶层局部增压泵(SP70-7)，根据该水泵样本，启泵所需最小水深≥0.1+0.26×（1.124-0.636）=0.23m，此处取0.30m，即为高位水箱的报警（低）水位。
②调节水量取最大小时用水量的50%：
Vt=50% ×最大时用水量=13.2×50%=6.6m 3
调节水量取6.6m 3 ，结合水箱底面积（2.5m×3m），启泵水位为1.20m。
③缓冲水量：
用水量q，缓冲水量V，补水泵流量14m 3 /h，补水频率为4 次/h 时：
V/(14-q)+V/q=1/4h
当q=7m 3 /h 时，缓冲水量最大值Vmax=0.875m 3 ，停泵水位设为1.35m。
2.2 一组补水泵为多个等高度水箱补水
当一组水泵供给多个等高度水箱，其调节水量便不能简单的根据取0.5h的最大小时用水量，而应在所有水箱同时补水工况下进行管道水力分析计算。
2.2.1 项目简介
现以上海某小区为例，补水泵同时供1、3、4、5、6 号楼5 个单体的生活用水，单体液位高度与地下泵房高差为106m。各单体的最大时用水量：1号楼11m 3 ，3 号楼11m 3 ，4号楼15m 3 ，5号楼16m 3 ，6号楼15m 3 。选泵为100SFL72-20*6，Q=72m 3 /h，H=120m，N=37kW。
各单体及泵房的位置及接管示意见图一：

2.2.2 调节水量计算
根据水规3.6.10 和3.6.11 的公式：
水头损失HW=1.3×i×L(为便于计算，局部损失取沿程损失的30%)
单位长度水损i=105×ch-1.85×dj-4.87×qg1.85
高位水箱补水水头H=H0+Hw (因流速水头较小，此处忽略)
式中，H0 为高差(m)；Hw 为管线水头损失(m)；L 为管线长度(m)；
ch 为海澄-威廉系数，此处取140；dj为管道计算内径（m）；qg为管线流量（m 3 /s）。
根据上述公式计算不同补水流量下管道入口所需扬程，如当6号楼补水量为11.6m 3 /h时：

注：6#-1，表示6 号楼高位水箱到交汇点1之间的管段，泵房内水损取3m。同样方法进一步计算，绘制管道特性曲线和补水泵特性曲线（由厂家提供）见图二：

水泵与管道特性曲线的交点：水泵流量79.8m 3 /h，扬程112m，效率72%。此工况下所有水箱同时补水，各单体补水量如下表一：

表一各单体补水量

可见，当五栋楼同时补水时，1、3、4号楼的高位水箱补水量均超过其最大时用水量，则根据水规，调节水量取0.5h的最大时用水量。而对于5、6号楼，五栋楼同时补水时，其补水量小于最大时用水量；根据各楼缓冲水量（计算方法参见2.1），计算得在用水高峰期且五栋楼同时补水时，1、3、4 号楼的完成补水约需要2h，因此5、6号楼的调节水量需考虑着2h 期间补水量与用水量的差额：
5 号楼调节水量：（16-13.4）×2+0.5×16=13.2m 3
6 号楼调节水量：（15-11.6）×2+0.5×15=14.3m 3
2.2.3 缓冲水量计算。考虑极端情况，当主泵依次为各水箱补水，且各水箱均在前一水箱补水完成，补水泵停泵后发出启泵信号时（即各单体均单独补水），启泵频率最高（启泵频率上限取为8 次/h）。当最近端的3 号楼单独补水时，绘制特性曲线得到：水泵流量60.1m 3 /h，扬程127m，效率71%，则3号楼水箱缓冲水量为60.1/8=7.5m 3 。同理可得到4号楼缓冲水量为6.8m 3 ，1号楼6.9m 3 ，5号楼6.5m 3 ，6号楼6.4m 3 。
2.2.4 小结。汇总上述计算结果如下表二：

表二

注：报警（低）水位为0.3m；水位均为相对于水箱底的高度；括号内为该水量占最高日用水量的比例。
由上可见，对于调节水量，水力条件较优的1、3、4 号楼可根据规范来确定；而在五栋楼集体补水时，水力条件较差的5、6号楼用水高峰期的补水量小于其最大小时用水量，需要根据1、3、4号楼的补水时间来放大调节水量。
对于缓冲水量，需要根据各单体单独补水时的流量来计算。
2.3 一组补水泵为多个不同高度水箱补水。通常而言，对于不同高度的建筑一般在地下室单独设置补水泵。但通过笔者进一步的分析，同一生活泵供不同高度的高位水箱也存在实施的可能。
2.3.1 项目简介。现以上海某小区为例，生活水泵房位于地下车库一层，同时供6、7、8号楼3 个单体用水。6号楼两个单元各设一个高位水箱，水箱液位与水泵房高差77m；7、8号楼各设一个高位水箱，高差95m。各单体的最大时用水量：6号楼6.1×2m 3 、7 号楼8.7m 3 、8号楼8.7m 3 。
选泵为65SFL30-15×7 Q=30m 3 /h，H=105m，N=18.5kW。
各单体及泵房的排布见图三。

2.3.2 水量计算。当远端的6 号楼2 高位水箱与7、8 号楼同时补水时，绘制特性曲线得到交点处：水泵流量32.2m 3 /h，泵扬程98.2m，效率66%，7号楼水箱补水量0.6m 3 /h，8 号楼水箱补水量2.2m 3 /h，7、8 号楼补水量均远小于其最大小时用水量；当6 号楼1 高位水箱与7、8 号楼同时发出补水信号时，绘制特性曲线得到交点处：水泵流量32.8m 3 /h，泵扬程95.8m，效率66%，7、8 号楼补水量为零。
因此可认为6号楼两个水箱均优先于7、8号楼补水，其高位水箱调节水量取0.5h的最大时用水量。经计算可得到6号楼高位水箱1调节水量3.1m 3 ，缓冲水量为4.1m 3 ；6 号楼高位水箱2 调节水量3.1m 3 ，缓冲水量为3.9m 3 。
当6号楼两个水箱同时补水时，绘制特性曲线得到：总流量34.6m 3 /h（6号楼1 补水量19.4m 3 /h，6 号楼2 补水量15.2m 3 /h）水泵扬程：88.9m，效率64%。由于7、8号楼需要等待6 号楼补水完毕后再行补水，等待时间的用水量需要计入调节水量，则7、8 号楼调节水量需≥0.5×8.7+{4.1/（19.4-6.1）+【3.9-（15.2-6.1）×3.9/（19.4-6.1）】/31.4}×8.7=7.4m 3
7 号楼单独补水时，绘制特性曲线得到：水泵流量31.1m 3 /s，扬程101.2m，效率67%。为防止频繁补水，7号楼需缓冲水量31.1/8=3.9m 3 。
8 号楼单独补水时，绘制特性曲线得到：水泵流量21.8m 3 /s，扬程112.1m，效率64%。为防止频繁补水，8 号楼需缓冲水量21.8/8=2.7m 3 。
2.3.3 小结。汇总上述计算结果如下表三：
表三

注：屋顶加压泵安装于水箱外，水箱基础高度可以有效的保证其启动水深，因此报警水位取0.1m；水位均为相对于水箱底的高度；括号内为调节水量占最高日用水量的比例。
高度较低的6号楼调节水量取最大小时用水量的50%，缓冲水量需在各水箱逐一补水的条件下计算；7、8号楼需要在6号楼水箱补水完毕的情况下才能补水，因此其调节水量需考虑6号楼补水期间的用水量；6号楼缓冲水量不宜过大，否则会显著增加7、8号楼的调节水量。在此设计中，通过合理的设置高位水箱的容积，保证了用水的可靠性和建造的经济性；并且采用一组补水泵为不同高度的高位水箱补水，水泵均处于高效区运行，降低了低位水泵房的建造成本，方便了水泵房的管理；同时为高度较低的6号楼屋顶水箱补水管加设消能装置，以控制其噪音；该项目已经投入运营两年，在我们近期的回访中，发现该项目补水系统运行良好，也印证了设计的合理性。
3 结论
合理的确定高位水箱水量可以保证供水的可靠性，提高用水水质，同时减少设备和基建费用的投资。根据规范并结合项目实例，对高位水箱水量的计算得出如下结论：①一组补水泵供给一个高位水箱补水时，其水箱的调节水量可取0.5h最大小时用水量；②一组补水泵供给多个高位水箱时，水利条件较差的水箱补水量小于最大时用水量，因此其水箱调节水量应进行水力分析后确定；③一组补水泵供给多个高位水箱时，其缓冲水量可按设定的启泵频率上限，在补水泵逐一为各水箱补水的条件下进行计算。