给水系统的监控-智能建筑设备自动化系统

1.系统构成

建筑内部的给水系统通常由下列几部分组成：

（1）引入管 对于一幢单独建筑物而言，引入管是室外给水管网与室内管网之间的联络管段，也称为进户管，而对于一个工厂、一个建筑群体、一个学校，引入管则通常指总进水管。

（2）水表节点 水表节点是指引入管上装设的水表及其前后设置的阀门、泄水装置等的总称。闸门用以关闭管网，以便修理和拆换水表；泄水装置用以检修时放空管网、检测水表准确度及测定进户点的压力值。

（3）管道系统 管道系统是指建筑内部给水系统的水平或垂直干管、立管、横支管等。

（4）给水附件 给水附件指管路上的闸阀、止回阀等各式阀类及各式配水龙头、仪表等。

（5）升压和贮水设备 在室外给水管网压力不足或建筑内部对安全供水、水压稳定有要求时，需设置各种附属设备，如水箱、水泵、气压装置、水池等升压和贮水设备。

（6）室内消防设备 按照建筑物的防火要求及规定需要设置消防给水时，一般应设消火栓等消防设备。有特殊要求时，另专门设置自动喷水灭火或水幕灭火设备等。

2.压力需求

建筑内部给水系统的压力，必须能将需要的水量输送到建筑物内最不利点的用水设备处，并保证有足够的水流出。

对于住宅的生活给水，在未进行精确的计算之前，为了选择给水方式，可按建筑物层数粗略估计自室外地面算起所需的最小保证压力值。一般一层建筑物为100kPa，二层建筑物为120kPa，三层及三层以上的建筑物，每增加一层增加40kPa。对于引入管或室内管道较长或层高超过3.5m时，上述值应适当增加。

为了节省电能，应充分利用室外管网的水压，在最低区可直接采用城市管网供水，并将大用水户如洗衣房、餐厅、理发室、浴室等布置在低区，以便由城市管网直接供水。

高层建筑的高度高，一般城市管网中的水压力不能满足用水要求，除了最下几层可由城市管网供水外，其余上部各层均需提升水压供水。由于供水的高度增高，如果采用统一供水系统，显然下部低层的水压将过大，过高的水压对使用、材料、设备、维修管理均将不利，为此必须进行合理竖向分区供水。分区的层数或高度，应根据建筑物的性质、使用要求、管道材料、设备的性能、维修管理等条件，结合建筑层数划分。在进行竖向分区时，应考虑低处卫生器具及给水配件处的静水压力。在住宅、旅馆、医院等居住性建筑中，供水压力一般为300～350kPa；在办公楼等公共建筑可以稍高些，可用350～450kPa的压力为宜，最大静水压力不得大于600kPa。

3.给水方式

（1）直接给水方式 建筑内部给水系统直接在室外管网压力作用下工作，这是最简单的给水方式。当室外给水管网的水量、水压在一天内任何时间均能满足建筑内部用水需要时，采用此种方式。

（2）水泵和水箱的联合给水方式 当室外给水管网中压力低于或周期性低于建筑内部给水管网所需水压，而且建筑内部用水量又很不均匀时，宜采用设置水泵和水箱的联合给水方式。

这种给水方式由于水泵可及时向水箱充水，使水箱容积大为减小，又因水箱的调节作用，水泵出水量稳定，可以使水泵在高效率下工作。如果对水箱采用水位监测装置，还可使水泵启闭自动化。这种方式技术合理、供水可靠，虽然设备费用较高，但其长期效果经济可行。

（3）无水箱的水泵直接给水方式 给水系统设水箱的优点是预存一定水量，供水直接可靠，尤其对消防系统是必要的。但水箱重量很重，增加建筑物的负荷，占用建筑物面积，且存在水源受二次污染的危险等诸多缺点，因此出现了无水箱的水泵直接供水系统。

水泵直接供水，最简便方法可以采用调速水泵供水系统，有时可采用自动控制的多台水泵并联运行。根据水泵的出水量与转速成正比关系的特性，调整水泵的转速，以满足用水量的变化，同时也可节省动力。

无水箱的水泵直接给水系统，最好是用于水量变化不太大的建筑物中，因为水泵必须长时间不停地运行。由于水泵机组投资较高，需要进行技术经济比较后确定。

（4）分区供水的给水方式 在层数较多的建筑物中，室外给水管网水压往往只能供到建筑物下面几层，而不能供到建筑物上层时，为了充分有效地利用室外管网的水压，常将建筑物给水系统分成上下两个供水区。下区直接在城市管网压力下工作，上区则由水泵水箱联合供水（水泵水箱按上区需要考虑）。两区间可由一根或两根立管连通，在分区处装设闸阀，必要时可使整个管网全由水箱供水或由室外管网直接向水箱充水。

（5）环状给水方式 按照用户对供水可靠程度的要求不同，管网分为枝状式和环状式。一般建筑中，均采用枝状式；而在任何时间都不允许间断供水的大型公共建筑、高层建筑和某些生产车间则需采用环状式。

4.给水系统的监控原理

给水系统的主要监控过程为：通过液位传感器测量蓄水池和水箱的水位高低，并根据水位对各级水泵进行相应的起停控制。当水位超过溢流水位时，系统产生高水位报警信号；当水位低于最低报警水位时，系统产生低水位报警信号。管理员可以根据这些报警信号，判断是否有设备产生了故障，从而对给水系统进行有效的维护和管理。系统还可以根据各水泵的运行情况决定是否启用备用泵，根据大厦的用电分配情况决定水泵的运行策略，以尽可能避开用电高峰，并实现节能。

给水系统的形式有多种，常用的主要有恒压（或变压）供水系统和采用高位水箱、低位水池给水系统。

（1）恒压（或变压）供水系统的监控原理 恒压（或变压）供水系统应用变频装置改变水泵电动机转速，以适应用水量变化。供水系统由水泵和低处蓄水池（地下室）及管网构成。由于近几年来，计算机控制与电子技术的飞速发展，变频装置的成本降低和性能越来越好，因此变频调速装置在工业与民用供水系统中得到了越来越广泛的应用。它的特点是供需水量相匹配，节约能源，节省设备（不设高位水箱）和建筑面积。但这种供水系统要求供电系统可靠，否则由于没有蓄水设备，停电即停水。图3-11所示为典型的恒压给水系统监控原理图。

图3-11 生活恒压给水系统监控原理图

注：P₁、P₂为压力传感器，其余符号说明同图3-8。

1）水泵起/停自动监控 控制器采用直接数字控制器（DDC），在水泵机组出口处设置压力传感器P₁，可以监测控制点的压力变化，即供水流量的变化，依靠变频器变频改变水泵电动机转速，从而控制水流（水压）的大小，维持系统恒压供水。其具体工作过程如下：

起动：水泵起动前，供水管网压力最低，通过压力传感器P₁把信号送到DDC中，然后DDC送出信号给变频器，变频器调频使1#水泵电动机的输入频率和电压由低向高逐渐上升，1^#水泵电动机起动，而且转速随之增加，当频率上升到供水管网内设定的供水压力和流量要求的相应频率（设定值可改变），并且随着监控点压力的变化，即水流量的变化，而改变频率，调整1^#水泵的电动机转速，使供水达到连续恒压。如果这时用户的用水量继续增加，1^#泵的频率一直上升到工频，转速达到最高，若仍然不能满足用户的需水量，即压力传感器P₁检测的压力送入DDC后，仍达不到设定值，则DDC发出信号给1^#泵，使1^#泵自动切换到工频状态下运行，同时给变频器发出信号，控制2^#泵变频起动，起动过程同1^#泵。如果此时供水网压力仍然达不到设定值，则2^#泵也自动切换到工频状态下运行，同时由DDC发出指令起动3^#泵。

停泵：如果用水量减少，3^#泵的频率逐渐降低至最低限（3^#泵无水量输出），监控点压力仍大于设定值，则DDC发出信号给1#泵，使1#泵停止运行，3#泵立即恢复，按供水网流量（压力）所对应的频率运行。如果此时用水量继续减少，3^#泵的频率逐渐降低至最低限，且DDC发出信号给2^#泵，使2^#泵停止运行，3#泵又立即响应供水系统压力（流量）所对应的频率变频调速运行，适应供水管网压力的变化。三台水泵起动顺序是轮流交替的，使水泵损耗均衡。

2）自动监测及报警 在水池处可设置液位传感器或压力传感器（例如压力传感器P₂），检测水池水面位置。当水池水位达到最高限时（即溢流水位），传感器P₂向DDC发出信号，系统自动报警；当水池水位下降至下限（停泵水位）时，传感器P₂向DDC送出信号，DDC给水泵机组输送信号，使水泵自动停机；当水位低于所设的低位报警水位时，系统报警，但此时水池通常仍有水。这部分水供消火栓用水，当水位低于所设消火栓停泵水位时，消火栓水泵受DDC控制自动停止运行。这种压力传感器可以通过压力连续检测水池水位，并把信号送入DDC中，而停泵和报警水位的设定是可改变的。例如：某智能大厦，地下水池5m深设定超高位报警水位4.5m，停泵水位2.5m，低位报警水位2m，消火栓泵停泵水位0.5m。当压力传感器检测到压力所对应的水位，则系统按其功能自动控制水泵停机或报警。(www.xing528.com)

图3-12所示为高层建筑恒压给水监控系统原理图。高层建筑由于楼层高，设置两种扬程的水泵。高区水泵扬程高，能保证高区水压达到供水要求。低区水泵扬程低，若高、低区都用高扬程水泵，则浪费设备，又增加管网的压力，容易损坏管网设备。图3-13所示的监控原理与图3-12所示的系统监控原理相似，这里不再详述。

图3-12 高层建筑恒压给水监控系统原理图

注：P₁～P₃为压力传感器，其余符号说明同图3-8。

（2）高位水箱、低位水池给水监控系统原理 高位水箱、低位水池给水系统中，在屋顶设高位水箱，在低处（地下室）设低位水池，中间设置水泵，如图3-13所示。

图3-13 高位水箱、低位水池给水监控系统原理图

注：符号说明同图3-8。

1）水泵起/停：当高位水箱水位低于下限水位时，液位传感器L₁把信号送入现场DDC中，然后DDC输出信号，自动起动水泵。当高位水箱水位高于上限水位时，液位传感器L₁把信号送入DDC，然后DDC发出信号，自动停止水泵，或者当低位水池水位低于下限水位，液位传感器L₂把信号送入DDC中，DDC输出信号，水泵也自动停止。水泵为一用一备，当一台水泵出现故障时，信号送入DDC中，系统自动报警，且另一台水泵接收DDC指令，自动投入运行，并且自动显示起/停状态，累计水泵运行时间及用电量。

2）自动监测及报警：当高位水箱或低位水池水面高于超高位时，液位传感器L₁、L₂把信号送入DDC中，并自动报警。当高位水箱或低位水池水位低于报警水位时，信号送入DDC中，并自动报警。当发生火灾时，低位水池水位低于消火栓泵停泵水位，则信号送入DDC中，DDC输出信号自动控制消火栓泵停止运行。

5.给水系统的节能运行

水泵是给水排水工程中一个重要组成部分，起到提升水位、输送和调节水量的作用，被称为给水排水工程的心脏。水泵站的全部投资在整个工程的投资中所占比例很小，而泵站的运行费用所占比例则很大，因此泵站的设计与控制是给水系统节能运行的首要问题。

提高泵站效率的关键在于合理地选择水泵，水泵的性能和数量不但决定了泵站动力费用的大小，还影响泵站的造价以及运行管理和维修工作，因此必须慎重考虑。水泵种类很多，给水系统中应用最广泛的是离心泵。因为离心泵结构简单、体形轻便、效率较高、价格低、流量和扬程在一定范围内可以调节，所以非常适用于水泵站。

选用水泵要根据设计流量、扬程及管网的水力计算和用水量曲线来确定，图3-14所示为泵的通用性能曲线。

图3-14 泵的通用性能曲线

图3-15 管路特性调节曲线

由图3-14可知，当泵的转速一定时（假设为n₁），泵的扬程H在流量小的区域内是随着流量的增加而增加的，但当超过一定的区域后，反而会随着流量的增加而急剧下降。泵的效率变化呈马蹄形，先是随着流量的增加而增加，到达最高点之后又会下降。当泵的转速改变时，泵的扬程随转速的增减而增减。围绕高效率区呈现一个近似斜方形的面积，表示水泵在某些转速下可以以较高的效率运行，如图所示n₃～n₆，流量在Q₁附近的区域即为高效运行区。

水泵一般都安装在管路上，水泵自吸水池，经吸入管路将水吸入，又经压出管路送往排水池，水在管路中流动，当管路一定时，管路阻力与流量的二次方成正比。单位时间内由泵排出的水体积，也就是同一时间内在管路中流动的水体积，即流量是一致的。在此流量的情况下，单位质量水在泵中获得的能量，也正是这个质量的水流经管路时所需要的能量。图3-15所示为泵在此管路系统中运转的工况，它是按同一比例将泵的转速曲线H-Q与管路装置的特性曲线绘在同一坐标图上得到的，这两条曲线的交点，即为泵在此管路系统中的工况点，可以反映出泵的流量、扬程、功率、效率等情况。

水泵的节能运行是通过合理的调节工况，使泵运行在最佳工况区域而实现的，目前可以得出改变工况点的办法有以下三种。

1）保持泵的性能曲线不变，只改变管路特性曲线，通常由管路中的闸阀来调节。当将闸阀关小，则管路特性曲线变陡，图3-15中的工况点由R₁改变为R₂时，流量由Q₁改变为Q₂，扬程曲线H₁改变为H₂。反之，当闸阀的开度加大，管路特性曲线变为较平坦。

2）管路特性曲线不变，只改变泵的性能曲线，通常通过改变泵的转速来调节。由图3-16所示的泵的调速运行曲线可知，当转速从n₂变到n₆时，工况点从A变到E，其中B、C两点工况为最佳工况（效率最高）。

图3-16 泵的调速运行曲线

这种调节办法用变频器加三相交流电动机作动力，比用闸阀调节更为经济，控制简便，容易实现最佳工况运行。

3）同时改变泵的性能曲线与管路特性曲线，即同时调节泵的转速和管路上的闸阀。

目前最实用的方法是用交流调速装置作为泵的动力，根据水泵的出水量与转速成正比关系的特性，调整水泵的转速而满足用水量的变化，同时也可节省动力。水泵调速可有下列几种方法：

1）采用水泵电动机可调速的联轴器（力矩偶合器）：联轴器类似于汽车的变速器。电动机的转速不可调，在用水量变化时，通过调节可调速的水泵电动机的联轴器，改变水泵的转速，以达到调节水量的目的。

2）采用由变频器控制的调速电动机：由用水量的变化而控制电动机的转速，从而使水泵的水量得到调节。这种方法设备简单、运行方便、节省动力，国内已有使用，效果很好。

此外，近年来，国外研究一种自动控制水泵叶片角度的水泵，即随着水量的变化控制叶片角度的改变来调节水泵的出水量，以满足用水量的需要。这种供水系统设备简单、使用方便，是一种有前途的新型水泵给水系统。

智能建筑的给水系统如何规划与设计，应根据使用要求、用水量的大小、建筑物结构情况以及材料设备供应等具体条件全面考虑。在水安全可靠的前提下，考虑技术上先进，经济上合理的给水系统。