無負(fù)壓給水設(shè)備正式投向市場(chǎng)已有七、八年的時(shí)間。由于管網(wǎng)直接增壓方式具有節(jié)能、節(jié)水、省地、省材的優(yōu)點(diǎn)，特別是因其減少或根除水體二次污染，保障水質(zhì)衛(wèi)生安全的特點(diǎn)，而深受業(yè)界﹑用戶的關(guān)注和市場(chǎng)的歡迎，進(jìn)而推動(dòng)了該項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展?？梢哉J(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)已發(fā)展到了具有理論上的說服力和實(shí)踐證明力的較成熟階段。已經(jīng)有條件在較大范圍試用和推廣使用。推廣“直供水”技術(shù)和應(yīng)用“無負(fù)壓給水設(shè)備”的主體應(yīng)該是管網(wǎng)一方，即城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)。因而，管網(wǎng)準(zhǔn)用條件是該項(xiàng)技術(shù)成果推廣應(yīng)用廣度和深度的決定性因素。而如何結(jié)合自己城市和供水系統(tǒng)的具體情況，制定出合理、規(guī)范、便于操作的“準(zhǔn)用條件”是應(yīng)該深入研究的課題。 
1.管網(wǎng)供水能力和取水流量的限定 
1.1管網(wǎng)能力的限制條件 
        為了限制無負(fù)壓給水設(shè)備超過管網(wǎng)能力取水而使管網(wǎng)壓力下降，一些城市在“試用”、“準(zhǔn)用”或“技術(shù)要求”等文件中，提出了各種限制條件，例如： 
●市政管網(wǎng)管徑為300mm時(shí)吸水管管徑不大于100mm（管徑限制）。 
●直接加壓設(shè)備吸水管流速大于1.5m/S（流速限制）。 
●單套設(shè)備的額定供水量不得大于32 m3/d（裝機(jī)容量限制）。 
●供水小區(qū)總建筑面積不得大于20萬㎡（建筑面積限制）。 
●利用管網(wǎng)壓力不得大于0.12MPa（取水管路壓降限制）。 
●水泵吸入口壓力低于0.2MPa時(shí)自動(dòng)停泵（水泵吸水口壓力限制）。 
●管網(wǎng)壓力應(yīng)大于或等于0.22MPa（管網(wǎng)壓力限制）。 
●使用該設(shè)備對(duì)自來水管網(wǎng)串接處產(chǎn)生的壓降應(yīng)小于0.01～0.02 MPa(管網(wǎng)壓降限制)。 
●市政供水管網(wǎng)口徑應(yīng)大于或等于DN300，樓前供水干管管徑應(yīng)大于DN150（管網(wǎng)管徑限制）。 
諸多的限制條件體現(xiàn)了管網(wǎng)方面對(duì)直接供水技術(shù)應(yīng)用的謹(jǐn)慎態(tài)度和對(duì)直接裝泵抽水的重重顧慮，這是可以理解的。但限制條件的保守、繁復(fù)﹑相互矛盾﹑缺乏依據(jù)或難以計(jì)算和預(yù)測(cè)時(shí)，會(huì)使設(shè)計(jì)者無法下手設(shè)計(jì)；設(shè)備投入使用前用戶無法明確得知該設(shè)備是否會(huì)被違規(guī)禁用；或本有條件使用者無法實(shí)施，顯然不利于該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用。 
1.2管網(wǎng)能力的分析 
       宏觀上看，管網(wǎng)供水能力取決于凈水廠制水能力、送水泵站送水能力、管網(wǎng)配水能力與送水量是否配套，以及管網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度的動(dòng)態(tài)供水能力是否可滿足用戶最大需求水量的要求。目前，國內(nèi)很多城市出現(xiàn)供水能力充足或過剩的局面。表現(xiàn)為水廠送水壓力過高；管網(wǎng)服務(wù)壓力升高；末端壓力合格率上升；管段實(shí)際流速低于管網(wǎng)設(shè)計(jì)之最大流速和經(jīng)濟(jì)流速等具象上。管網(wǎng)能力的提高是推廣“直接供水”方式的物質(zhì)基礎(chǔ)和前提條件。 
具體地談管網(wǎng)能力問題實(shí)際上是個(gè)體用戶的需求、管網(wǎng)能否滿足的問題。例如：某用戶申請(qǐng)供水，其居住小區(qū)有普通Ⅱ類住宅500戶，依建筑給水設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)之秒流量（最大短時(shí)流量）為13L/S（47m3/h），根據(jù)地理位置應(yīng)在某管段上（例如DN300管）開口接出取水管。而該管段是否有能力滿足需要？實(shí)際上這是一個(gè)管網(wǎng)水力計(jì)算的問題。管網(wǎng)的拓樸結(jié)構(gòu)有環(huán)狀和枝狀類別之分，水力計(jì)算方法毋需贅述。管網(wǎng)水力計(jì)算題目對(duì)于管網(wǎng)經(jīng)常性管理工作較差的供水系統(tǒng)，可能會(huì)因基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)不足，解題時(shí)有些困難。這可以通過測(cè)壓、測(cè)流、試驗(yàn)等工作來獲取數(shù)據(jù)，并逐步使管網(wǎng)管理工作科學(xué)、正規(guī)地完善起來。 
當(dāng)水力計(jì)算結(jié)果認(rèn)為該管段取水能夠滿足用戶需求時(shí)，則可批準(zhǔn)該用戶之取水流量，并依照國家標(biāo)準(zhǔn)如《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》等設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)合理的居住小區(qū)的進(jìn)水管路圖。 示例如圖1

圖1  小區(qū)進(jìn)水管路計(jì)算示例

水力計(jì)算公式：

             H=(￡a+2￡b+￡v+λL/d+1)v2/2g  ----（1）

            式中：H：管網(wǎng)接口點(diǎn)水壓

                  L：出水管長度

                  d: 出水管徑

                  ￡a、￡b、￡v局部損失系數(shù)

                  λ：取水管摩擦損失系數(shù)

            Q=N/4d2V                       ----（2）

            式中：Q：自由出水流量

                  V：管內(nèi)流速

       依計(jì)算公式(1)、(2)可以算出該小區(qū)進(jìn)水管路的自由出水流量，即管路向開口容器（水池）送水的流量Q=114m3/h。如果在出水管端連接水泵抽水，此流量Q就是應(yīng)限制的負(fù)壓抽水的臨界點(diǎn)，只要可控制水泵的出水流量小于限制流量Q，則不會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓吸水現(xiàn)象。應(yīng)該指出，水泵直接管網(wǎng)增壓時(shí)所增補(bǔ)揚(yáng)程的高、低對(duì)管網(wǎng)的壓力降無任何影響，唯有取水流量是影響管網(wǎng)壓力的因素。例如：500戶低層住宅用水量和經(jīng)過水泵加壓后送至數(shù)十米高層住宅500戶時(shí)的用水量是相同的，水泵增壓而不增流量,自然不會(huì)因?yàn)樵鰤憾绊懝芫W(wǎng)壓力安定。所以，只要可以控制住水泵在任何工況下都不會(huì)超過限量抽水，即：只需要將“水泵應(yīng)在管網(wǎng)限定流量下運(yùn)轉(zhuǎn)不得超量取水”列為管網(wǎng)直接加壓供水設(shè)備的準(zhǔn)用條件就可無能力不足之慮了。 
1.3無負(fù)壓給水設(shè)備   實(shí)現(xiàn)“不超量取水”的原理和方法。 
       負(fù)壓給水設(shè)備按工作原理分類可分為兩類。負(fù)壓消除型和無負(fù)壓生成型。 
1.3.1負(fù)壓消除型 

圖2  無負(fù)壓給水設(shè)備示意圖
       進(jìn)水管從水罐上部注水入罐。罐頂裝有一個(gè)注排氣閥，它具有在滿水時(shí)關(guān)閉，在罐內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓或水位下降時(shí)打開閥門補(bǔ)入大氣的作用，所以也被稱為“真空消除器”“真空補(bǔ)償器”等。該類裝置有浮子、浮球等機(jī)械式、有靠電接點(diǎn)真空表或水罐水位接點(diǎn)控制電磁閥啟閉的電動(dòng)式等方式各異，名稱標(biāo)新的很多品類。在水罐注滿水時(shí)此閥閉緊，此時(shí)水罐為承壓的密閉容器，可視為管路上增加了一個(gè)有突然放大和突然縮小局部阻力損失的異徑管。罐底連接至水泵進(jìn)水口，并建立了水泵出水口的靜水頭。 
設(shè)備運(yùn)行有如下三種工況： 
(1)管流靜止?fàn)顟B(tài)（水泵停轉(zhuǎn)時(shí)） 
Q1 = Q2 = 0 
P1 = P0 = P2                           (3) 
式中 Q1 — 進(jìn)水管流量 
         Q2 — 出水管流量 
P1 — 自來水管網(wǎng)壓力 
P0 — 進(jìn)水口壓力（P0≈水罐內(nèi)壓力） 
P2 — 出水管壓力 
(2)管流為連續(xù)流狀態(tài)（水罐滿水時(shí)） 
Q1 = Q2 = 用戶使用流量 
P0 = P1 - SQ12                          (4) 
P2 = P0 + △H 
式中   S — 進(jìn)水管路阻力特性系數(shù) 
       △H — 水泵作功揚(yáng)程 
       此時(shí)管流可視為連續(xù)性非恒定流。水泵依據(jù)用水流量的變化而變速運(yùn)轉(zhuǎn)，自動(dòng)改變揚(yáng)程P2和流量Q2滿足用水需求。進(jìn)水管流符合不可壓縮流體穩(wěn)定流動(dòng)的連續(xù)性方程式特征，故Q1 = Q2；進(jìn)水口壓力P0可疊加到水泵揚(yáng)程上利用。所疊壓力是隨流量而變的變量而非定量，更不是管網(wǎng)上的壓力P1。在疊壓節(jié)能計(jì)算和設(shè)計(jì)選泵時(shí)應(yīng)考慮此數(shù)學(xué)關(guān)系。 
(3) 管流分離狀態(tài)（水罐接通大氣時(shí)） 
Q1 < Q2 
P0 ≈ 0               (5) 
P2 = △H 
       當(dāng)用水流量增大，水泵升速追隨，致使Q2 > Q1，此時(shí)由于水罐補(bǔ)水△Q = Q2 - Q1，使罐內(nèi)水位下降，導(dǎo)致管流拉斷，破壞了連續(xù)性流態(tài)而產(chǎn)生負(fù)壓。若罐頂上的注氣閥在負(fù)壓生成后可及時(shí)打開補(bǔ)入大氣，則使水罐變?yōu)榱碎_口容器。這時(shí)的進(jìn)水流量Q1為管網(wǎng)壓力P1和管路阻力特性決定的最大能力流量，是負(fù)壓吸水的臨界流量。水泵此時(shí)工況為雖無吸程也無疊壓的水池取水方式，出水則是以設(shè)定的恒壓控制線控制水泵轉(zhuǎn)數(shù)的傳統(tǒng)變頻供水方式。形成了出水管流與進(jìn)水管流不相關(guān)的連續(xù)性流態(tài)，向用戶正常供水。 
       從上述分析中可以看出：由于設(shè)備在負(fù)壓生成后可以消除，所以從管網(wǎng)取水流量不會(huì)大于自由流出流量即負(fù)壓吸水之臨界流量。如果認(rèn)為該流量是管網(wǎng)準(zhǔn)用的最大流量，則設(shè)備并未超此限量。 
然而令管網(wǎng)方有所顧慮的是，進(jìn)氣閥可靠性難以把握，一旦進(jìn)氣閥不能打開，而水泵出水又出現(xiàn)大流量的工況時(shí)豈不是負(fù)壓下超量取水嗎？因此，還需要要求進(jìn)水口有停泵壓力的控制。 
   1.3.2無負(fù)壓生成型 
       以智能控制的手段使水泵在限定流量下運(yùn)轉(zhuǎn)，使水泵出水量不會(huì)大于自由流出流量則根本不會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，而不是產(chǎn)生后再去消除。該類設(shè)備工作原理可用圖3說明。

       以圖1示例管路及數(shù)據(jù)繪制出曲線，可見到當(dāng)滿足用戶所需最大流量13m/S時(shí)，進(jìn)水口之壓力P0為0.17MPa。將此點(diǎn)作為水泵調(diào)速的流量控制點(diǎn)，控制水泵在運(yùn)轉(zhuǎn)或事故等任何時(shí)候均不會(huì)超過控制流量出水，則根本不會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，而使管路水流保持連續(xù)流態(tài)。 
還可以看到，水泵在控制流量下從管網(wǎng)中的最大取水量為43m3/h，而管路自由流入水池時(shí)的流量可達(dá)到114 m3/h。顯然，前者對(duì)管網(wǎng)壓力的影響會(huì)更少。 
    2、不可忽視“瞬變流”對(duì)管網(wǎng)的沖擊 
       對(duì)“無負(fù)壓給水”這一約定俗成的稱謂尚無規(guī)范和準(zhǔn)確的定義。如果以“無負(fù)壓”即“無吸程”來解釋，是指水泵或設(shè)備不會(huì)在負(fù)壓下抽水，即該套設(shè)備不會(huì)比管網(wǎng)取水管向水池放水的流量大。因此，管網(wǎng)有能力向小區(qū)供水時(shí)就無理由準(zhǔn)用“水池”而禁用“無負(fù)壓設(shè)備”。孰不知，承擔(dān)著向社會(huì)提供生活必需的公共產(chǎn)品的責(zé)任人——管網(wǎng)一方，最為擔(dān)心的是五花八門的設(shè)備與管網(wǎng)直接連接后會(huì)對(duì)管網(wǎng)安全產(chǎn)生不良影響。例如“瞬變流”對(duì)管網(wǎng)的沖擊。 
       在密閉的壓力輸配液體的長距離管路中，瞬間產(chǎn)生負(fù)壓的現(xiàn)象是常見或不可避免的。例如：流量（流速）瞬變，旋渦流中心，十字連接管流量分配突變，T型連接時(shí)水射器原理，文丘里管效應(yīng)，虹吸或高差跌落，管網(wǎng)流速圖上流束尖峰等環(huán)境下都會(huì)有“負(fù)壓”生成，其中因瞬變流產(chǎn)生的拉斷——彌合水錘是危害管網(wǎng)安全的大敵?！八N”可產(chǎn)生的超常壓力，以及由于負(fù)壓、氣囊、氣阻、振蕩、沖刷管壁等現(xiàn)象不僅會(huì)影響管網(wǎng)安全運(yùn)行，而且會(huì)產(chǎn)生影響水質(zhì)的“赤水”“混水”出現(xiàn)。所以對(duì)于管齡長、無內(nèi)防腐襯里的陳舊管路，還是應(yīng)慎用直接抽水的設(shè)備。對(duì)于無負(fù)壓類設(shè)備，應(yīng)該要求它具有抑制和消除瞬變流態(tài)的對(duì)策。由于對(duì)瞬變流沖擊的監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)和定量分析是很困難的事情，因此要提出合理的具體的技術(shù)指標(biāo)和檢測(cè)方法，還有待深入地研究，但起碼要求準(zhǔn)用的設(shè)備工作原理清楚并有理論上的說服力，對(duì)于忽視“瞬變流”存在的“無負(fù)壓給水設(shè)備”，有理由持保留態(tài)度。 
3、涉及飲用水衛(wèi)生安全方面的限制條件 
       準(zhǔn)用的給水設(shè)備應(yīng)符合國家和地方生活飲用水衛(wèi)生監(jiān)督管理及涉水產(chǎn)品安全衛(wèi)生的有關(guān)規(guī)定。對(duì)于“無負(fù)壓給水設(shè)備”還應(yīng)包括，防止倒流污染和防止水泵停機(jī)時(shí)間過長而產(chǎn)生“死水”污染等要求。關(guān)于是否要求在設(shè)備中增設(shè)消毒設(shè)施或補(bǔ)氯等措施，應(yīng)視是否存在水體貯留來確定。對(duì)于全密閉無蓄水容積的直供水方式，當(dāng)然可以不必考慮。 
●結(jié)語 
       直接供水系統(tǒng)是指從水廠→管網(wǎng)→增壓→用戶的連續(xù)流程，構(gòu)建這個(gè)系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。而且直接供水方式是對(duì)傳統(tǒng)供水體系的變革，不僅有大量的技術(shù)課題需要面對(duì)，而且還有涉及法律、行政管理和各方面利益等諸多矛盾需要解決，可喜的是，目前一些城市已經(jīng)開始了對(duì)這些課題的研究并取得了成果和經(jīng)驗(yàn)。