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高层建筑叠压供水方式分析与动态模拟 摘要 水是生命之源，也是城市发展的命脉。随着城市的不断发展，高层建筑不 断涌现，对建筑给水的要求不断提高。 随着计算机技术和自动控制理论的发展，二次供水方式不断趋于完善。叠 压供水方式是传统二次供水方式的改进，依靠可编程计算机( p l c ) 和自动控制 理论在市政管网条件和用户用水量合理情况下，达到节水、节能的目的，适应 供水行业的发展要求，提高二次供水系统的管理和运行水平。使用计算机模拟 技术，建立叠压供水系统模型，在计算机屏幕上显示系统的运行情况，为系统 设计和管理控制提供依据。 本文选用一维流体分析软件f l o w m a s t e r 对叠压供水系统建模。对于叠压供 水系统各组件部分用f l o w m s t e r 软件系统原有数据库中的元件，及简化模型元件 来建模，使叠压供水系统模型可视化。选用f l o w m a s t e r 软件系统界面友好的数 据库管理系统和数据输入界面，将系统数据包括元件数据、节点数据和分析数 据输入，进行叠压供水系统动态模拟，实现系统动态运行。 通过工程实例，应用f l o w m a s t e r 软件系统自带的v b s c r i p t 语言编写脚本程 序来实现当市政管网、用户端用水量、稳流罐水位及外部工况条件变化条件下 对泵组的调控，即介绍系统分析过程和系统组成，并建立图形界面，模拟叠压 供水系统在多种工况条件下系统元件和节点的过程曲线，为系统设计、运行和 管理提供依据，使叠压供水系统运行更加科学有效。 关键词：高层建筑叠压供水动态模拟变频调速f l o w m a s t e r 软件 t h ea n a l y s i sa n dd y n a m i cs i m u l a t i o no f o v e r l a p p e dp r e s s u r ew a t e rs u p p l yi nh i g h - r i s eb u i l d i n g a b s t r a c t w a t e ri st h eb a s i so fl i v e s ，a n do n eo ft h en e c e s s a r ym a t e r i a l sf o rd e v e l o p i n g o fc i t i e s a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fc i t i e s ，m o r ea n dm o r eh i g h r i s eb u i l d i n g sa r e c o m p l e t e da n dw a t e rs u p p l yi nh i g h r i s eb u i l d i n gb e c o m e sm o r ei m p o r t a n t f o rt h ed e v e l o p m e n t so fc o m p u t e rt e c h n i q u ea n da u t o c o n t r o lt h e o r y ，s e c o n d - w a t e rs u p p l yi n h i g h - r i s eb u i l d i n gd e v e l o p sm u c hm o r ep e r f e c t l y o v e r l a p p e d p r e s s u r ew a t e rs u p p l yi si m p r o v e do nt r a d i t i o n a ls e c o n d w a t e rs u p p l y b a s e do n p r o g r a m m a b l ec o m p u t e ra n da u t o c o n t r o lt h e o r y ，t h ef a s h i o np e r f o r m sw i t hs a v i n g w a t e ra n de n e r g y ，f o l l o w i n gt h ed i r e c t i o no fw a t e rs u p p l ya n di n p r o v i n gt h el e v e l o fs e c o n d w a t e rs u p p l y , w h e nm u n i c i p l ew a t e rs u p p l yn e t w o r ka n dw a t e rq u a n t i t y o fc o n s u m e r sa r ea p p r o p r i a t e b yt h ew a yo fd y n a m i cs i m u l a t i o n ，t h em o d l eo ft h e f a s h i o ns y s t e mc a nb eb u i l ta n db ep e r f o r m e dr e a l - t i m e l yi nc o m p u t e r ，w h i c hw i l l p r o v i d et h ep l a n sf o rd e s i g h i n ga n dr u n i n go ft h ef a s h i o n i nt h i sa r t i c l e ，t h ed y n a m i cm o d e lo ft h ef a s h i o ni sb u i l tw i t hf l o w m s t e r s o f t w a r ew h i c hp e r f o r m st h ea n a l y s i so f1 - df l u i d s e v e r yp a r to ft h ef a s h i o n s y s y t e mw i l lb em o d e l l e db yt h eh o m o l o g o u sc o m p o n e n ti nf l o w m a s t e r s o f t w a r ed a t a - b a s ea n dt h eb u i l t - n e t w o r ks y s t e mc a nb ev i s u a l i z e d t h ed a t ao f c o m p o n e n t s ，n o d e sa n da n a l y s i sc a nb ei n p u tb yt h ef r i e n d l yd a t a b a s em a n a g e ra n d d a t a - i n p u ti n t e r f a c ei nf l o w m a s t e r a n dt h ed y n a m i cs i m u l a t i o no ft h e 。f a s h i o n s y s t e mc a nb ep e r f o r m e d b ya ne x a m p l eo fd e s i g np r j e c t ，t h ep r o g r a ms c r i p tc a nb ec o m p i l e db yv b s c r i p ti nf l o w m s t e rs o f t w a r e t h ep r o g r a ms c r i p tw i l lb ei n p u ta n dc o n t r o lt h e t u n i n go ft h ep u m p sc h o s e ni nt h ef a s h i o ns y s t e mw h i l et h ec o n d i t i o n s ( t h ep r e s s u r e o fm u n i c i p l en e t w o r k ，t h ew a t e rq u a n t i t yo fc o n s u m e r s ，t h el e v e lo fe x p a n s i o n r e s e r v i o r ，i e ) a r ev a r y i n g a f t e ri n t r o d u c i n gt h ea n l y s i sp r o c e s sa n dc o n t e n to ft h e f a s h i o nm o d e ls y s t e ma n db u i l d i n gt h eg r a g hi n t e r f a c e ，t h ed y n a m i cs i m u l a t i o n w i l lb ec o n d u c t e dw i t hm a n yw o r kc o n d i t i o n so ft h ef a s h i o n t h ec o u r s el i n e so f c o m p o n e n t sa n dn o d e sf o rt h ea n a l y s i sr e s u l t sw i l lp r o v i d et h ep l a no fd e s i g h i n g a n dr u n i n g ，w h i c hm a k e st h ef a s h i o np e r f o r mm u c hm o r es o u n d l y k e y w o r d s ：h i g h r i s eb u i l d i n g ，o v e r l a p p e dp r e s s u r ew a t e rs u p p l y ，d y n a m i c s i m u l a t i o n ，f r e q u e n c y - - m o d u l a t e d ，f l o w m a s t e rs o f t w a r e 插图清单 图2 1 高位水箱并联给水方式9 图2 2 高位水箱串联给水方式9 图2 3 减压水箱给水方式l o 图2 4 减压阀给水方式1 0 图2 5 无水箱并联给水方式1 2 图2 6 无水箱减压阀给水方式1 2 图2 7 叠压供水系统组成图1 3 图2 - - 8 叠压供水系统工作流程1 3 图3 1 连续性方程示意图1 8 图3 2 离心泵的调速调节图3 1 图3 3 离心泵的变速特性3 l 图3 4 水泵组合优化变频调速3 3 图3 5 模型校核与验证过程图3 4 图3 6f l o w m a s t e r 叠压供水系统分析过程3 7 图3 7 叠压供水系统仿真计算模型3 8 图3 8 控制器元件内部流程结构3 9 图3 9 膨胀水箱图标4 0 图3 - - 1 0 膨胀水箱原理图4 l 图3 1 l 系统模型计算流程图。4 2 图4 1 水泵特性曲线4 5 图4 2 最大设计秒流量模拟曲线( a ) 4 6 图4 3 最大设计秒流量模拟曲线( b ) 4 6 图4 4 市政管网压力偏低时系统结果比较图( a ) 。4 7 图4 5 市政管网压力偏低时系统结果比较图( b ) 4 8 图4 6 市政管网压力过低时系统结果比较图( a ) 。4 8 图4 7 市政管网压力过低时系统结果比较图( b ) 4 9 图4 8 最大设计秒流量时比较曲线图( a ) 4 9 图4 9 最大设计秒流量时比较曲线图( b ) 5 0 图4 一l o 泵1 6 转速控制图5 1 图4 1 1 系统流量曲线图5 l 图4 - - 1 2 膨胀罐液位曲线图5 2 图4 一1 3 引入管1 2 压降曲线图5 2 表格清单 表2 1 高层建筑定义5 表2 2 美国和日本高层建筑给水系统压力分区范围值 表2 3 我国部分高层建筑分区压力值范围7 表2 4 叠压供水方式与传统二次供水方式的比较1 6 表3 1 海澄一威廉公式系数c h 表3 2 各规范推荐采用的水力计算公式。2 1 表3 3 住宅生活用水量标准2 3 表3 4 根据建筑物用途而定的系数值。2 5 表3 5 变频水泵出水管实际瞬时流量与计算设计秒流量的比较。 表3 6 三台水泵组合优化变频调速系统设计。 表4 1 给水管网水力计算表。 表4 2 水泵属性表。 。2 6 。3 3 表4 3 模拟时刻对照表5 0 附图清单 附图4 1 建筑侧视图。 附图4 2 给水管网水力计算图 附图4 3 高区给水泵系统计算图 附图4 4 最大设计秒流量时2 9 s 系统流速分布图 。6 l 6 l 6 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金l 王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：嚆彦产江签字日期：啡月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g 墨王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒王些盔堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 姥尹；乙 签字日期：孵月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：守踢 电话： 邮编： 致谢 值此论文完成之际，首先感谢合肥工业大学给我这个学习和提高的机会， 特别是我的导师沈致和教授，借此机会向沈致和老师表示衷心的感谢! 感谢沈 老师在学业上和生活上给予我的极大关怀和帮助! 在论文的写作过程中，沈致和老师给予了我悉心的指导，从论文题目的确 定、实施方案的制定、具体工作的进展以及最后论文的撰写与修改，无不渗透 着沈致和老师的智慧和心血。沈致和老师深厚的学术修养、严谨的治学态度、 兢兢业业的工作精神和平易近人的作风，使我在学业上受益匪浅，特别是他谦 虚严谨的治学态度、广博的学识更是我终生学习的榜样。 在研究生学习阶段和论文选题的过程中，还得到了徐得潜教授、王军教授、 王国明副教授、陈慧副教授等老师的精心指导和帮助，对他们表示诚挚的感谢l 同时，也向本论文的评阅人和答辩委员们表示衷心的感谢l 在课题的研究和论文写作过程中，还得到了汪宏、鲁娟，苏文龙、张金同 学的帮助，与他们一起讨论研究课题项目，并使我对论文有了不断的深化和完 善。感谢我的同学与我一起走过这段难得的学习历程，愿他们都拥有更加美好 的明天。 最后，感谢我的家人，是他们在我的整个研究生学习和论文写作阶段给予 我了无微不至的关怀，不断激励着我认真负责，努力进步，克服困难，甘于吃 苦，在以后的工作和学习中不断求进! 作者：樊户江 2 0 0 7 年5 月 1 1 课题的提出及现实意义 第一章绪论 水是生命之源，也是城市发展和繁荣的命脉。由于我国现代化的飞速发展， 城市化进程随之不断深入，从而城市人i ：1 日益密集，造成了用地紧张，地价昂 贵，迫使人们大力发展高层建筑。建筑给水工程是同广大群众的生活、卫生、 环境和安全息息相关的，涉及到千家万户的生活。它是建筑设备中最基本最重 要的部分，是建筑物基本设施的基础。建筑内部的给水系统是将城镇给水管网 或自备水源给水管网的水引入室内，经配水管网送至生活、生产和消防用水设 备，并满足各用水点的水量、水质和水压要求的冷水供应系统【。随着我国社 会主义经济事业的日益发展，人民物质文化生活水平逐步提高，对建筑给水技 术机制及质量提出了更高的要求，它在整个建筑工程中的地位越来越重要 传统的城市供水系统可以把从给水厂送水到用户水龙头的全过程分为一次 供水和二次供水两个相对独立的系统，其中存在着能耗过大和二次污染及水资 源浪费的情况，与当今提倡节能和节水型社会的宗旨是不相符合的。因此有必 要对二次加压供水方式进行优化分析，对优化后的二次加压方式，达到节水、 节能和防止二次污染的目的。 在高层建筑给水设计中，由于高层建筑层数多、高度大，其给水方式不同于 一般低层建筑，需要进行二次加压。传统生活用水二次加压的方式一般是：市 政给水管网里的水放入地面调节水池，再由水泵将水从水池抽到屋顶的高位水 箱，再由高位水箱向用户供水口】。这种供水系统在能量上的浪费表现在两个方 面：第一个是将管道中带有压强优势的水放入水池，转换成不能带能量的水， 然后再由水泵进行加压，从而造成能量损失；第二点是水泵往往运行在低效区。 对于第二点，目前人们把变频调速技术应用到二次加压系统，取消了屋顶水箱， 通过提高水泵运行效率达到节能、节水和经济运行的目的。对于第一点的研究 与解决却尚未见有成熟的结论。 利用变频泵从市政管网抽水，就可以充分利用市政管网的水压，同时根据 一天中不同时段的具体用水量利用变频泵供水，就可以自动调节水泵的转速， 使水泵一直处于高效运行状态，达到节能的效果，并且在二次加压过程中，水 体不会受到污染，这种供水方式称为叠压供水方式。但是这种二次加压供水方 式容易造成对市政管网的压力影响，甚至可能影响市政管网的正常供水，尽管 该影响可以用一个稳流罐来调节，但我国目前对该技术的研究还不够成熟，因 此在许多城市中该抽水方式不轻易被允许实旖。 二次加压系统作为供水系统的重要部分，要向用户稳定输送可靠的水质、 水量、水压，因此选用叠压供水方式作为高层建筑的二次加压供水方式时，通 过叠压供水系统管网的计算、分析、动态模拟得出优化结果，为设备材料设计 选型及供水系统的运行管理、节能减耗有重要意义。 1 1 1 节能目标的需要 据统计，我国建筑能耗占全国总耗能的2 0 3 0 。在三北地区高达 3 0 - 4 0 ，因此建筑节能在我国节能总战略中意义重大p 1 。高层建筑只能采用 区域或者独立的加压系统进行供水，给水方式很大程度上决定能量的利用问题。 高层建筑给水系统节能主要从以下几个方面入手： 1 充分利用市政自来水的压力。利用市政自来水余压直接供水，对于供水 安全和节能都是有利的。它可以节省很大一部分提升水的能耗。 2 合理确定给水系统竖向分区。进行竖向分区，一方面是为了避免出现超 压现象，使管路和卫生器具遭到破坏，另一方面也减少了能量的浪费。 3 选择合适的给水方式。不同的给水方式对于能量的利用是不同的，在给 水方式的选择上，在综合考虑其他因素的基础上，应该注意对能量的利用。 4 选择节水型器具。对于生活用水来说，节水就是节能，可以减少加压设 备的提升水量，从而降低能耗。 1 1 2 改善水质条件的需要 随着现代高层建筑的不断增多，使用贮水池、屋顶水箱来为高层建筑进行 二次供水的用户不断增多。然面由此引发的水质污染、水质恶化的现象越来越 突出。据近年来全国大多数城市对= 次供水的调查，各地二次供水中主要水质 指标均有不同程度的超标。如厦门市对1 9 9 1 1 9 9 5 年二次供水水质的调查分析， 余氯严重超标【4 1 。连云港市1 9 9 8 年生活用水经水箱后的出水余氯合格率只有 4 0 【s j 。深圳市1 9 9 4 年对2 7 4 个二次供水贮水池水质进行调查，合格率更低，经 水池后余氯合格率均不大于3 0 ，大体积水池( 容积1 6 3 2 m 3 ) 的合格率甚至 只有1 0 6 【6 1 。 从全国二次供水的总体现状来看，二次供水的水质合格率较低，存在不同 程度的二次污染。分析其具体原因主要是管理和使用不当，水箱( 池) 长期得 不到清洗消毒等。另一主要原因是水箱( 池) 容积过大，水在水箱( 池) 停留 时间过长，余氯过量消耗并导致微生物的繁殖，影响了水箱( 池) 出水水质。 1 2 叠压供水方式的提出及现状分析7 】d a 1 5 3 1 5 5 伴随着国内外高层建筑的涌现，经过上百年的发展，高层建筑给水技术已 日趋成熟，但也存在着诸多问题。 1 2 1 国内建筑给水的发展过程 我国建筑给排水自中华人民共和国成立以来经历三个发展阶段： 1 房屋卫生技术设备阶段，简称房卫阶段： 从1 9 4 9 年1 0 月1 日至1 9 6 5 年1 月1 日室内给水排水和热水供应设计 规范被国家建筑工程部批准为全国通用的部颁通用标准为止。同时在高校中 设置给排水专业，因此培养出了国家第一代给排水专业技术人员，开展了专业 的基础业务建设。陆续编制并批准实施了一系列的设计规范、设计手册、标准 图籍等。 2 室内给水阶段 本阶段从1 9 6 5 年1 月1 日至1 9 8 9 年4 月1 日建筑给排水设计规范被 国家建设部批准时为止。在这一阶段中对机械照搬苏联式的经验和失误进行反 思和修改，从而形成确立了具有我国特色的建筑给水体系。 3 建筑给水发展阶段 从1 9 8 9 年4 月1 日建筑给排水设计规范实行至今。在此时期建筑给 水技术全面而快速的发展，在许多方面取得了很大的突破，并走向了成熟。由 于这一时期也是我国经济发展最快的时期，许多高层建筑就是在此时期内涌现 的，高层建筑给水技术就迅速发展了起来。 1 2 2 国内建筑给水系统中存在的问题 国内建筑给水发展迅速，但与国外先进水平相比，还存在一些闯题，尤其 是在基础理论、设备和材料等方面。因此在今后建筑给水研究中还需要开展的 工作有： 1 基础课题研究 国内在较长时期的建筑给水工程设计中采用的设计秒流量公式哺】，虽然已 经修订几次，但是还是基于平方根公式范畴。在美、日、西欧等国家均采用概 率法，而1 9 7 6 年前苏联也弃用了平方根公式而采用概率法。目前由于缺乏各种 卫生器具使用频率的实测数据而难以建立概率公式口】。 2 新产品开发 开发节水型卫生器具。对于冲洗水箱大便器耗水量大，一般为1 2 l 次， 其冲水量应该控制在6 l 次。同时开发小水量气压式坐便器( 抽水式马桶) ，其 冲洗水量仅为2 2 l 次，冲洗过程由压缩空气驱动完成。 开发防止饮用水二次污染装置。因为饮用水在水箱、水池贮存和调节 过程中的二次污染相当严重，应加快研制开发高效、节能便于使用和管理的二 次供水装置i s 】。 3 建立测试中心 目前国内还没有建筑给水产品测试中心。测试的主要目标应该是包括：材 质、材性试验，如金属和非金属材料；水力试验；水质试验；热工试验；噪声 震动试验；物理、化学试验；灭火试验等。建立测试中心，建筑给排水产品才 有可能在同等条件下进行比较、测评。 1 2 3 国内外叠压供水方式的现状 叠压供水方式弥补了传统供水方式的不足，可以达到节水、节能和避免二 次污染的目的。由于国家规范中基于担心直抽对周边用户用水的影响，直接抽 水的供水方式是不允许的，需要对叠压供水系统进行水力条件分析，提出叠压 供水方式技术准用条件。 在我国，随着城市供水条件的逐步完善，以及供水技术自动化控制技术的发 展，管网叠压技术推广的条件日趋成熟。在国内许多城市已经使用了该供水方式 并且相关部门正在编制叠压供水设备的产品行业标准，这为以后的发展提供了 有力的保证。北京、天津两市是应用叠压供水设备较早的大城市，两市自来水 主管部f - j 制定了相关的试点条件和准用要求。1 9 9 5 年日本大阪已开始推行一 种新的供水方式，即管网叠压供水系统。2 0 世纪9 0 年代末，智能型管网叠压供 水方式在日本、美国、西欧等发达国家得到了普遍使用，并建立了一整套完善的 系统标准体系。 1 3 论文的主要研究内容 叠压供水系统研究原理相对简单，但是系统运行对边界条件及自动控制功 能等条件要求较高，对于整个系统的分析属于基础研究的范畴。高层建筑选用 叠压供水方式作为二次加压供水系统，需要对以水作为输配流体介质的系统进 行分析。本文以f l o w m a s t e r 作为软件模拟平台对叠压供水系统进行分析。 本课题主要进行叠压供水系统的仿真研究，讨论系统在不同工况条件下的 影响，为系统设计运行提供参考。本文进行的主要工作如下： 1 介绍了高层二次加压给水方式并对其进行分析比较。 2 对叠压供水系统中理论和条件，即水的物性参数和水力学公式、市政给 水管网节点给水状态、高层建筑用户用水量变化、恒压变频供水方式控制与运 行进行探讨。 3 介绍了f l o w m a s t e r 的系统建模理论与使用。 4 以f l o w m s t e r 为平台，对叠压供水系统进行仿真建模。 5 通过用f l o w m a s t e r 软件对叠压供水系统建立模型，以工程设计实 例对系统进行实时动态模拟结果分析，得出优化的结论，为设计提供技术和理 论支持。 4 第二章高层二次加压给水方式的分析研究 高层建筑是指参数多、高度大的民用与工业建筑，而国外学者认为：依正 规而言，通常将高的建筑物与塔楼和纪念物归为一类，他们的突出地位具有形 象与场所的特殊标志1 1 】。依据层数划分高层建筑，目前各国划分的标准并不一 致，如果仅以层数来划分，则由于层高有2 7 m 5 m 不等，就会出现层数相同 的建筑而其高度会相差很大的结果，所以建筑高度和建筑层数都应作为划分高 层建筑的指标。表2 i 为一些国家高低层民用建筑的划分情况【9 1 。 表2 1高层建筑定义 国名高层建筑划分情况 德国 按最高一层( 经常有人停留) 高出地面以上2 2 m 日本 层数1 1 层或建筑高度3 l m 英国 建筑高度3 0 m 比利时地面以上建筑物高度2 5 m 美国 建筑高度2 2 2 5 m 层数7 层 在1 9 7 2 年国际高层建筑会议上把高层建筑分为四大类：第一类高层建筑： 9 1 6 层；第二类高层建筑：1 7 2 5 层；第三类高层建筑：2 5 4 0 层；第四类 高层建筑：4 0 层以上。 我国建筑的分类，是根据市政消防能力的规定而划分的。“高层民用建筑 防火规范”中指出：1 0 层及1 0 层以上的住宅建筑( 包括底层设置商业服务网 点的住宅) 和建筑高度超过2 4 m 的公共建筑应属于高层建筑。其中建筑高度为 建筑物室外地面到其檐口或女儿墙的高度。屋顶上的嘹望塔、水箱问、电梯机 房、排烟机房和楼梯出口小间等不记入建筑高度和层数内，住宅建筑的地下室， 半地下室的顶板面高出室外地面不超过1 5 m 者，不记入层数内l l 。 2 1 高层建筑给水方式的特征 2 1 1 现代高层建筑的特点 1 建筑面积大 纵观国内外已建成的高层建筑，一座大楼的建筑面积常达到几万甚至几十 万9 1 2 。如北京饭店、深圳国际贸易中心均为8 万m 2 ；广州国际大厦为1 7 8 万m 2 ， 原纽约世界贸易中心由5 幢楼组成一个建筑群体，共计8 4 万酽。 2 高度大 由于建筑面积大，同时由于城市的发展为了减少占地面积，大型建筑物从 而向空中发展，国内外出现了高度竞赛。以我国为例，1 9 7 4 年建成的北京饭店 5 东楼1 9 层，高8 7 1 5 m ，是当时北京最高的建筑；1 9 7 6 年在广州建成的白云宾馆， 3 3 层，高1 1 4 0 5m ，是以后9 年中我国最高的建筑；到1 9 8 5 年，深圳建成了5 0 层、高1 5 8 6 5m 的国际贸易中心大厦，超过了前者；但相隔仅两年，高度为2 0 0 m 。 6 3 层的广州国际大厦高2 0 8 m ，5 7 层的北京京广中心大厦又相继开工，成为当时 全国最高的建筑；1 9 9 6 年建成的深圳地王大厦，8 l 层、高3 2 5 m ，是当时全国最 高的建筑；1 9 9 8 年建成的上海金茂大厦，8 8 层、高4 2 1 m ，是目前全国第一、亚 洲第二、世界第三的摩天大楼。 3 有地下层和设备层高层建筑除地上层外，由于基础和结构上的原因，一 般都有若干层地下层。地下层一般作为水泵房、变配电房、冷冻机房和人防及 车库等用房。由于设备多，地上部分有时也设有设备层。设备层一般作为水、 电、空调管道及中间的水泵、水池等用房。 由于高层建筑具有层数多、高度大、震源多、用水要求高等特点，因此对 于建筑给水工程的设计、材料、施工、管理等方面有较高要求。与低层建筑给 水工程相比较，高层建筑给水工程有其自身的特点，其基本特征是分区和加压。 当高层建筑竖向分区之后，最重要的问题就是采取何种加压给水方式，从而确 定经济合理、技术先进、供水安全可靠的给水系统。其中高层建筑二次加压方 式是高层建筑给水核心。 2 1 2 高层建筑给水分区 高层建筑由于高度很高，如果只采用一个区供水，则下层给水压力过大， 会带来许多不利之处。这些不利之处表现在：容易产生水锤，破坏器具的零件， 容易造成漏水；水栓和其它零部件受压部分容易磨损，缩短零件的使用寿命， 增加雒修工作量；水栓开启关闭时，容易在配水管中引起振动和噪音；水栓射 流，水从卫生器具内飞溅，影响使用 8 1o 为了消除或减少这些弊端，当高层建 筑的高度达到一定程度时，其给水系统需作竖向分区，即在建筑物的垂直方向 按一定高度依次分为若干个供水区域，每个供水区域分别组成各自的给水系统。 高层建筑给水系统的竖向分区，应根据使用设备材料性能、维护管理条件、 建筑层数和室外给水管网水压等合理确定。因此高层建筑的分区给水系统竖向 分区的高度要恰当，如果分区的高度过小，将会增加给水设备、管道和相应的 土建投资和维修管理工作，这是很不经济的。相反，如果分区高度过大，将会 仍然存在水压过高的现象，起不到分区的作用。影响分区给水压力值的因素主 要有：建筑物性质及卫生设备完善程度；卫生器具及阀件的允许工作压力值； 供水设备及管道阀件的价格和当地电价等。而竖向分区的高度的确定一般以系 统中最低的卫生器具处最大静水压力值为依据。高层建筑分区压力值目前没有 统一的规定，但通常都以各分区最低点的卫生器具的静水压力不大于其工作压 力为依据进行分区。美国和日本高层建筑给水系统压力分区范围值见表2 2 。 6 表2 2 美国和日本高层建筑给水系统压力分区范围值 给水系统压力分区范围值k p a 国家名称 办公楼公寓，旅馆 美国 5 0 0 6 0 0 4 0 0 日本 4 0 0 5 0 03 0 0 3 5 0 根据我国目前水暖产品所能承受压力情况，我国建筑给水排水设计规范 g b j l 5 9 8 规范：高层建筑生活给水系统应竖向分区，各分区的最低点的卫生 器具点处的配水静水压，旅馆、住宅、医院等宜为3 0 0 3 5 0 k p a ，办公楼宜为3 5 0 4 5 0 k p a 。分区压力值的大小应根据使用要求、管材质量、卫生器具零件承压性 能、维修管理等条件，并综合建筑层数合理安排。 每一分区所包含的建筑物层数与建筑物的性质、供水方式、建筑物的层高 等有关。当不采用高位水箱时，一般是l o 1 2 层划分为一个供水区。当采用高 位水箱供水时，各分区高位水箱要保证各分区的最不利点卫生器具生活用水设 备的出水水头，因此水箱至少应设置在该区以上1 层。在对高层建筑给水系统进 行竖向分区时，同时也应该充分利用市政管网的压力，以减少供水所需要的能 耗。当市政管网的压力能够满足建筑下面几层，如群房、地下室以游泳池、洗 衣房、锅炉房等用水需要，在竖向分区时，可以将建筑下面几层作为一个独立 供水分区，采用市政管网直接供水。由于下层用水量通常都比较大，因此利用 市政管网压力直接供水可以节省许多能量，并且能保证供水安全。 2 1 3 高层建筑二次给水系统加压 高层建筑竖向分区给水方式有高位水箱给水方式、无水箱给水方式和气压 罐给水方式等。设计时根据工程的实际情况，按照供水安全可靠、技术先进、 经济合理的原则确定给水方式。选定了高层建筑二次给水方式就采用相对应的 给水加压方式。高层建筑给水系统加压方式可分为三种，即水泵一高位水箱加 压、气压罐加压和变速泵加压【9 1 。 表2 3我国部分高层建筑分区压力值范围 建筑物 层数分区数 分区压力最大 分区范围 名称 值( k p a ) 地下室一2 层市政供水；中区3 9 北京饭店 1 833 2 0 层：高区1 0 1 8 层。 北京长城 低区地下2 8 层：高区9 2 2 层。 2 224 2 0 饭店 北京中国 低区地下室一4 层由市政供水；中 2 92 4 4 0 信托公司区5 一1 5 层：高区1 6 2 9 层。 上海电信 2 0 4 4 1 1 1 区地下3 层一3 层：2 区4 一l o 层；3 7 大楼区l l 1 4 层：4 区1 5 2 0 层；各区 水箱分设4 层、l l 层、1 5 层及屋顶， 标准层高5 2 m 。 地下室一3 层由技术层设水箱一供 上海华亭水；4 一1 3 层由1 6 1 7 层问技术层 2 633 5 0 宾馆 水箱供水；1 4 2 6 层由2 6 层屋顶水 箱供水。 上海某高1 3 层由市政供水；l 区由1 1 层水 2 033 3 0 层住宅 箱供水；2 区由岸顶水箱水。 广州自云1 区l 一7 层：2 区8 一1 3 屡；3 区1 4 3 3 5 3 3 0 宾馆 1 8 层；4 区1 9 2 3 层；5 区2 4 2 9 层。 广州白天 1 区地下室一2 层由市政供水；2 区3 3 343 6 0 一l o 层；3 区l l 1 9 层；4 区2 0 一2 8 鹅宾馆 层。 2 2 高层建筑给水方式的类型1 2 】 由2 1 3 节知，高层建筑给永方式可以分为水泵一高位永箱给水方式、气压 罐给水方式和变速泵给水方式。在这三种基本的高层建筑给水方式中，每种类 型又可根据不同情况而采用不同的给水方式，具体来说可以分为8 种。在高层建 筑竖向分区确定后，就要对给水方式进行选择。给水方式选择应以经济合理、 技术先进、供水安全可靠等为原则。 2 2 1 高位水箱给水方式 高位水箱给水是应用较为普遍的一种方式。它主要由贮水池、加压水泵、 高位水箱和配水管网组成。高位水箱在给水系统中的作用，主要是贮水、调节 水量和稳定水压 t 3 l 。商位水箱给水方式又可分为并联给水方式、串联给水方式、 减压水箱给水方式、减压阀给水方式等。 1 并联给水方式 如图2 一l 所示，各分区独立设置水箱和水泵，水泵集中布置在建筑底层 或地下室，各区水泵独立向各区的水箱供水。 这种给水方式韵优点是各区独立运行，互不干扰，供水安全可靠；水泵集 中布置，便于维护管理；水泵效率高，能源消耗少；水箱分散设置，各区水箱 容积小，有利于结构设计。但也存在着不足，水泵台数多，供水高压管路长， 投资费用高。水箱占用上层建筑的面积较多等。由于这种系统供水安全可靠， 运行费用较经济，国内外高层建筑比较广泛采用这种方式。对于超高层( 高度大 于l o o m ) 建筑，受水泵扬程、管材配件承压的限制和水锤噪音的影响，不宜盲 目采用。采用这种供水方式，水泵宜采用不同型号不同级数的多级水泵，并应 尽可能的利用外网水压直接向下层供水。 2 串联给水方式 如图2 2 所示，将水泵和水箱分散设置于各区的楼层中，低区水箱兼作上 一区的水池，水泵由下区水箱抽水送至上区水箱，再由水箱向各区供水。 这种给水方式的优点是水泵压力较均衡，所需扬程小，水锤影响小，能耗 合理；不需要高压泵和高压管道，设备和管道较简单，投资较省。其缺点是水 泵布置分散，占用面积大，管理不便：水泵设在楼层，对防震、隔噪音要求高； 上区供水受到下区限制，故供水可靠性差等。由于缺点较多，因此在实际工程 中应用并不多。采用这种给水方式供水，水泵设计应有消声减震措施，在可能 的条件下，下层应利用外网水压直接供水。 描描 lli 龅i 楠 l 枢 l 描 h i 缸 枷 暾 5 糠 i 艇l 描!， r _ 二卜0 枣苣 ! ，描 l h 健 士t 计 、 图2 一i 高位水箱并联给水方式 图2 2 高位水箱串联给水方式 3 减压给水方式 减压给水方式是将整个高层建筑用水量全部由设置于底层的水泵提升至屋 顶水箱，然后再通过各区减压装置减压后将水送至各个区给水系统的给水方式。 减压给水方式分为减压水箱给水方式和减压阀给水方式。 1 ) 减压水箱给水方式该方式是通过各区减压水箱实现减压给水，即将整 个高层建筑物用水量全部由底层水泵加压送至屋顶水箱，然后再分别送至各分 区水箱，分区水箱通常只起到减压作用，如图2 3 所示。 减压水箱给水方式的优点是水泵台数及类型少、所需泵房面积小且管道简 单，投资较省；设备集中，便于维护管理。缺点是下区供水受上区供水限制， 供水可靠性不如并联供水方式，供水的安全可靠性差；建筑内全部用水均要经 水泵提升至屋面水箱，致使水泵输送量大、工作时间长、运转费用高；屋顶水 箱容积大、加大建筑荷载、提高了对建筑结构设计和抗震要求。该种方式适用 于允许分区设置水箱，电力供应充足，电价较低的各类高层建筑。采用这种供 水方式供水，中间水箱进水管上最好安装减压阀，以防止浮球阀损坏起到减缓 9 水锤的作用。 2 ) 减压阀给水方式该给水方式是用减压阀替代减压水箱进行减压给水， 如图2 4 所示。这种方式与减压水箱给水方式相比，其优点是节省了建筑的使 用面积，提高建筑面积使用率。其缺点是水泵运行动力费用较高。减压给水方 式是目前应用比较广泛的一种给水方式。采用这种的关键是要选用质量过关、 使用可靠、价格低廉的减压阀，减压阀的选型是跟据设计流量和压力，查阀门 的流量一压力曲线确定 描椭 j 躯l “ 口 中医 i 描 口 蜒 厂 生一 恕， l 躯i 瓤_ r 二￥o i 枢 l 棚 斗 岖 l 丝一 j f j 辐 图2 - - 3 减压水箱给水方式图2 4 减压阀给水方式 2 2 2 气压罐给水方式 高层建筑气压罐给水方式主要有气压罐并联给水方式和气压罐减压阀给 水方式。采用气压罐供水不需要设置高位水箱，不占高层建筑上层面积。但是 运行动力费用高，气压罐储水量小，水泵启闭频繁，水压变化幅度大。另外， 罐内起始压力过大，对供水系统有不利影响。气压罐给水方式常采用以下两种 方式： 1 气压罐并联给水方式 气压罐并联给水方式按气压给水设备设置位置不同，又分为气压罐集中设 置和分区设置的并联给水方式。 1 1 气压罐集中设置并联给水方式这种方式是将气压给水设备集中设于 建筑物地下室或设定的某一场所，通过并联的主干管分别向各区管网供水的方 式。 2 ) 气压罐分区设置并联给水方式这种方式是将水泵和空压机( 现在一般 不用) 设于地下室，而将气压罐设于各分区底层。 2 气压罐减压阀给水方式 这种给水方式是将气压罐给水设备设于建筑底层或地下室集中加压，在下 1 0 部分区供水管路上设减压阀减压，以免下部分区管网内压力过大，而造成管路、 用水器具和设备的损坏。这种方式所需要的气压罐台数少，但气压罐调节容积 百分数低，因此不适用于用水量大、层数多的高层建筑。为解决高层建筑最高 数层消防所需压力，气压给水可以配合其他给水方式局部使用在高层建筑最高 层的消防给水系统，解决压力不足的问题。 上述气压罐给水方式其共同的优点是不需设高位水箱，不占上部建筑面积 缺点是气压罐贮水量小，水泵启动频繁，运行费用高( 即动力能耗大) 。 2 2 3 无水箱( 变频泵) 给水方式 无水箱给水方式通常采用各分区单独设置变速水泵或采用多台水泵并联、 分级供水的方式向各分区供水。根据给水系统方式的不同分为无水箱并联给水 和无水箱减压阀给水两种方式。其中无水箱并联给水方式是将水泵等设备集中 设置在建筑物的底层或地下室中，各个分区都是独立的供水系统，如图2 5 所 示。这种供水系统由于各个分区设独立的供水系统，安全可靠。无水箱减压阀 给水方式是指采用统一的设备供水，而低区供水系统管路上设置减压阀，以保 证各区所需要的供水压力如图2 6 所示。 近年来，国内外一些大型高层建筑采用无水箱水泵直接给水方式，这种给 水方式通常是控制水泵在供水压力恒定的情况下，使其水泵的出水量随管网用 水量变化而变化，实现变流量供水。 1 水泵恒速变流量供水根据高层建筑用水量及其变化规律，通过计算，确 定出水泵规格型号和台数以及工作制度。采用多台水泵并联、分级供水的方式 进行变流量供水。在系统运行中，以给水管网的水压变化为控制参数，控制系 统自动启动、切换水泵工作台数，使水泵供水量随系统用水