超高层建筑设计中的给水系统分区及加压方案

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1.工程实例分析

   银星大厦位于西安市，于2002年完成设计，2005年建成投入使用，总建筑面积约为52000平方米，建筑高度约为126m，地下三层，地上31层，地下部分的主要功能为汽车库及水、暖、电各专业的设备用房，地上部分的功能主要为：一层为大厅、二层为餐厅，三层以上为办公及业务用房，其中16层为避难层，一—六层为裙房。地下三层层高为4.5m，一层层高为为4.5m，二层层高为4.8m，三层层高为4.5m，四层以上层高为3.8m。给排水专业设计内容包括：给排水系统、热水系统、消火栓系统、自喷系统。
   项目水源接自城市自来水管网，市政供水水压约为0.20MPa，从市政给水管网引一根DN300mm给水管网进入基地成环状管网供本建筑生活和消防用水。
   银星大厦的给水系统形式为：给水系统采用生活水池-水泵-水箱的联合供水方式，在地下室设生活水池一座和低区、中区生活加压泵各两台，在裙房顶设低区生活水箱一座，在16层避难层设中区水箱（转输水箱）一座和供高区水箱的转输水泵两台，在屋顶设高区生活水箱一座。
   给水系统的竖向分区如下：30-31层由高区水箱经屋顶增压泵加压后供给；23-29层由屋顶高区水箱直接供水；14-22层由屋顶高区水箱经减压阀减压后供给；6-13层由避难层的中区水箱供给 ；3-5层由低区水箱经增加泵加压后供给；地下二层-2层由自来水管网直接供给。

1.1本项目给水系统的设计有以下优点：
   项目给水系统采用水池-水泵-水箱的联合供水方式，供水安全可靠性高，中低区水泵及转输水泵均采用工频泵，水泵启、停与水箱水位联动，因办公用水量较小，水泵启动次数低，加压设备在前期投入的费用及平时运行费用上相对于变频泵较低，经济性好。
   给水系统竖向分为六个区，各分区的压力均小于0.45MPa，减压阀设置较少，各分区给水立管承压较小，管材的造价低，使用寿命长。
1.2本项目给水系统的设计中存在以下缺点：
 （1）各区给水均由水箱供给，没有有效的利用市政管网水压。
   本项目设计时间较早为2002年，设计所依据的规范均为老版本，但近年来国家对建筑设计中的节水节能提出了更高的要求，在《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003）2009年版、《城镇给水排水技术规范》（GB50788-2012）及《 民用建筑绿色设计规范》中都明确规定“供水系统应充分利用市政供水压力”，所以有效的利用市政压力是现在建筑给排水设计和审图中非常注意的一个重要问题。同时随着一些高新技术及设备在给水上的广泛运用，如无负压供水设备等的应用都很好的利用了市政水压。
 （2）采用高位生活水箱供水虽然供水安全可靠但是存在卫生隐患；且为保证最不利点的卫生洁具的供水压力，在水箱间需设增压设施。
   旧版《建筑给水排水设计规范》中规定只要采取消防用水不被他用的措施，消防水箱和生活水箱可以合用，但在《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003）2009 这样如果建筑物给水系统如采用水池-水泵-水箱的联合供水方式，则屋顶需要设消防水箱和生活水箱两个水箱，增加了结构的荷载，占用了建筑物的空间，同时生活水箱必须保证水质的清洁、消毒和循环，但因为建筑物的用水量的不确定性及一些不可控的人为因素，生活水箱仍存在卫生隐患。
   同时由于此系统中仅靠水箱与最高层卫生器具的位置高差不能满足卫生器具的给水压力，所以在裙房、避难层、屋顶的水箱间均增设了增压设备，增加了设备运行的费用。
 （3）给水系统的竖向分区太多，造成热水系统设备投资过大。
   为保证各用水点的冷热水压力平衡，项目的热水系统分区与给水系统分区保持一致，热水系统采用了6套换热设备和循环水泵，投资过大，平时的运行管理费用也增大很多。

2.超高层建筑给水系统设计

2.1工程概况：
   乾元金融大厦是以办公性质为主的超高层建筑。项目地下2层为设备用房及银行库房，层高6.6m，地下1层为车库及银行库房，层高6.0m，底层至三十层均为大空间办公用房，一至三层层高5.1米，四层至三十层层高4.2m，三十一层为观光大厅，层高7.2m，本建筑总高度149.4m，建筑面积7.1万平方米，其中12层及22层为两个避难层，一—三层为裙房。乾元大厦东边为阳光财富大厦，该楼是以办公性质为主的高层建筑，地下2层为设备用房，层高6.6m，地下1层为车库及员工餐厅，厨房，层高6.0m，底层至二十二层均为办公用房，一至三层层高5.1m，四层至二十二层层高均为4.2m，建筑总高度99.8m，建筑面积8.1万平方米。本着节约投资成本及设备房占地面积的设计思路，乾元大厦、阳光财富大厦的给水系统设计为两座楼共用加压设备。
2.2水源：
   水源接自市政自来水管网，水压0.45MPa.,室外分别引两根DN200mm给水管形成环状管网。
2.3生活给水用水量：
   生活给水用水量详见表1。

2.4给水加压系统方案的比较：
   本工程给水加压系统有以下几种方案可供选择：
 （1）各级供水均采用水池-水泵-水箱的联合供水方式；
 （2）各级供水均选用水池（水箱）-变频供水设备-各用水点的供水方式；
 （3）初级供水采用市政管网-无负压供水设备-各用水点的供水方式，二级供水采用转输水箱-变频供水设备-各用水点的供水方式。
各种供水方式分析比较：
   第一种供水方案的优、缺点在上面已经阐述过了在这里不在赘述。在乾元大厦及阳光财富大厦的给水系统设计中因为两座大厦共用地下室加压设备，所以如果采用此系统，在乾元大厦和阳光财富大厦两座楼的高位水箱中任一个达到最低水位时地下室工频泵都要启动，两个水箱都到达高水位时才能停泵，造成工频泵启动频繁，运行费用增大，所以不是合适的供水方案。
   第二种供水方案是将市政管网的水引入地下室生活水箱后由变频供水设备加压后供给各用水点。该方案的优点为：地下室水池（水箱）的容积保证供水范围内最高日用水量的20%，在市政管网暂时停水时仍能保证供水的可靠性；变频供水设备可选用3-4台同类型、配备电机功率较小的且水泵效率较高的不锈钢水泵和一台小型立式隔膜气压罐，这样在用水量变化大时解决小流量供水时的节能问题。
   缺点为：
   a、不能有效的利用市政管网的水压，不符合当前节能的政策要求，地下室水池（水箱）体积过大，增加投资费用和泵房面积。
   b、高区给水干管承压较高，管材的造价高，使用寿命短。
   第三种供水方式的优点为：初级供水有效的利用了市政管网的水压，同时设备采用变频泵组，符合节能要求。缺点为：无负压供水设备的应用需要得到当地自来水公司的许可，且市政管网的管径需要足够大才能不影响其他用水用户，若采用罐式无负压则初级供水无贮存水量，供水安全性差。
   分析乾元大厦.阳光财富大厦的市政管网情况，市政管网的压力为0.45MPa，市政主干管管径为DN300mm，从干管引两根DN200mm给水管在基地内形成环网，满足无负压供水的市政条件，且由于供水设备同时供应乾元大厦和阳光财富大厦，高峰期和低谷期的流量差不大，系统不存在低谷期流量过小问题。为保证供水的安全可靠性，设计时初级供水可选择采用差量补偿箱式无负压供水设备，并合理增大水箱的体积，同时在设备选择时采用多泵并联的形式。
   综上所述，乾元金融大厦.阳光财富大厦选用第三种供水方式。
   2.5给水系统竖向分区的划分：
   因乾元大厦的给水系统与阳光财富大厦共用加压设备，所以给水竖向分区要兼顾两个楼的给水系统，使之保持一致同时使各分区的压力均小于0.45MPa。两个楼的层高及分区详见图1所示。
   2.6乾元大厦、阳光财富大厦给水系统分区及加压方案：
   经方案比较和给水系统的分区计算，乾元大厦、阳光财富大厦给水系统分区及加压方案确定为：采用并联与串联相结合的供水方式，给水系统共分为四个区。
   (1)一区：地下二层至地上四层，由市政自来水直接供给。
   (2)二区：地上五层至十三层，由地下二层生活水箱及本区箱式无负压供水设备联合供水。
   (3)三区：十四层至二十二层，由地下二层生活水箱及本区箱式无负压供水设备联合供水。
   (4)四区：二十三层至三十一层，采用二级变频泵串联接力供水 ，由三区的箱式无负压供水设备至避难层（22层）中间转输生活水箱，再由设于本避难层的四区变频供水设备作为二级提升泵联合供水。
   各区的箱式无负压的水箱体积均为供水范围内最高日用水量的12%。

   3.结论

   在超高层建筑的给排水设计中，给水系统分区及加压方案的合理选择需要根据工程的具体情况进行具体分析，同时在其它系统的设计中及管材运用上也尽量符合国家相关的节能标准，使超高层建筑设计逐步满足国家关于绿色建筑的设计标准。