孙扬才
上海三益建筑设计有限公司上海200050
摘要：根据规范并结合工程实例，针对不同的水箱设置状况（低位补水泵与高位水箱一对一、一对多等），对生活用高位水箱的水量进行分析；提出当多个高位水箱共用一组补水泵时，较不利位置的水箱（离补水泵距离较远或安装位置较高）的调节水量应结合管道特性曲线计算后确定；为保护补水泵，水箱起停泵水位应在设定的启泵频率和补水泵依次为各水箱补水的条件下确定。通过优化计算，可以在保证供水可靠性的前提下，控制高位水箱的容积，节省建设费用，提高供水水质。
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关键词 ：高位水箱；启泵水位；停泵水位
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%[1]。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型便显得尤为必要。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：
①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。
②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。
③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[2]，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13.2m3，设计秒流量10.9L/s（39.2m3/h）。生活补水泵型号为KQDL50-10*8，流量14m3/h，扬程84.8m。
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11m3，3 号楼11m3，4 号楼15m3，5 号楼16m3，6 号楼15m3。选泵为100SFL72-20*6，Q=72m3/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伊i伊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（m3/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11.6m3/h 时：
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79.8m3/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：
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=13.2m3
6 号楼调节水量：（15-11.6）*2+0.5*15=14.3m3
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60.1m3/h，扬程127m，效率71%，则3 号楼水箱缓冲水量为60.1/8=7.5m3。同理可得到4号楼缓冲水量为6.8m3，1 号楼6.9m3，5 号楼6.5m3，6 号楼6.4m3。
2.2.4 小结。汇总上述计算结果如下表二：
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伊2m3、7 号楼8.7m3、8 号楼8.7m3
选泵为65SFL30-15*7 Q=30m3/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32.2m3/h，泵扬程98.2m，效率66%，7 号楼水箱补水量0.6m3/h，8 号楼水箱补水量2.2m3/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32.8m3/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3.1m3，缓冲水量为4.1m3；6 号楼高位水箱2 调节水量3.1m3，缓冲水量为3.9m3。
当6 号楼两个水箱同时补水时，绘制特性曲线得到：总流量34.6m3/h（6 号楼1 补水量19.4m3/h，6 号楼2 补水量15.2m3/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}伊8.7=7.4m3
7 号楼单独补水时，绘制特性曲线得到：水泵流量31.1m3/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=3.9m3。
8 号楼单独补水时，绘制特性曲线得到：水泵流量21.8m3/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=2.7m3。
2.3.3 小结。汇总上述计算结果如下表三：
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型；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：淤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；于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；盂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。
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参考文献：
[1]上海市城乡建设和交通委员会.GB50015－2003 建筑给水排水设计规范（2009 版）[M].北京：中国计划出版社，2010.
[2]中国建筑设计研究院.建筑给水排水设计手册(第二版)[M].中国建筑工业出版社，2008，95：137.