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管道直饮水系统的设计
作  者:施卫红;赵芝;宁蔚;
出  自:《工业用水与废水》2003年 第3期
发表时间:2003-6-28
摘  要:以工程实例从用水定额、管道设计秒流量、工艺流程、管网设计、管材等方面谈谈管道直饮水的设计,同时对管道水的经济效益进行了分析。

施卫红1,赵芝2,宁蔚3

(1.同济大学环境科学与工程学院,上海 200092; 2. 深圳市自来水集团公司,广东 深圳5l8052;3.南京市排水管理处,江苏 南京 210009)

  摘要:以工程实例从用水定额、管道设计秒流量、工艺流程、管网设计、管材等方面谈谈管道直饮水的设计,同时对管道水的经济效益进行了分析。
   关键词:给水;直接饮用水;给水定额;饮用水设计
   中图分类号:TU991.02 文献标识码:B  文章编号:1009-2455(2003)03-0018-03

  随着人民生活水平的不断提高,人们对饮用水的水质提出了更高的要求。越来越多的用户把目光投向管道直饮水。
   管道直接饮水是“管道优质直接饮用水”的简称。即采用分质供水方式,在居住小区内设净水站或小型水厂利用深度水处理技术和设施,将自来水进一步处理,达到直接饮用的水质要求,由独立的供水管道输送到各家各户。
   自1997年上海浦东锦华小区建成全国第一例管道式分质供水示范工程以后,全国已有300多个住宅新区的150多万户居民喝上了管道直供水。由于管道直饮水的设计尚没有国家规范,本文以一工程实例谈谈管道直饮水的设计。

1 系统设计

1.1 定额及水量
  我国的管道直饮水是20世纪90年代末才开始试点的,再加上对不同地区、不同性质的建筑物而言,饮水定额是不同的,目前国家对直接饮水定额还没有制定规定,工程所采用的数据一般根据工程经验得来[1]。一般居民用水定额为q=3~5 L/(人·d)。南方部分城市可适当提高用水定额。
1.2 管段设计秒流量
  
管段设计秒流量一般采用传统的生活给水设计秒流量公式和经验公式来计算。陈和苗提出了用概率法计算直饮水管段设计秒流量的方法[2]。计算水龙头使用概率p可由以下三种方法确定。
   ①方法一:亨特概率法(最高峰使用概率)

             p=t/t0           (1)

 式中:t0——最忙用水时段器具连续两次的间隔,S;
     t—t0期间的放水时间,s。

  ②方法二:最大时平均使用效率。

           P=(qt/q0)/t1         (2)

  式中:t1—某一时间段,s。
     qt—t1时段上的龙头累计用水量,L;
     q0—龙头流量,L/s。

  当在最大用水小时的整个时段上(t1=3600s)
   概率公式可转化为.

     P=(qh/q0)/t1=qh/3600q0       (3)

  式中:qh—器具最高时用水量,L。

  假设系统中各同器具用水量及用水间隔都相等,则(3)可转化为,

     P=qh/(3600)q0=Qh/(3600n·q0)   (4)

  式中:qh—系统全部龙头的最大时用量。
      n—龙头(器具)数量。

  ③方法三:最大时内高峰时段的平均使用效率。
   最大用水小时一般出现在下午5:30~6:30,而该高峰用水时段一般出现在6点左右的半个小时内,因此龙头的使用概率又可变为:

       p=t/tl
       
t=aQh/(n·q0)     (5)

  式中:t1<3600s,为用水高峰时段的延续时间,需现场观测;a为小于1的系数。aQh是t1时段的耗水量,需现场测试。
   上述三种方法中,方法二最简单。一般首先考虑此方法。以住宅为例,基础数据如下:每户人口为 3.5人,龙头额定流量为0.05 L人。取用水量标准5L/(人·d),龙头的使用概率为:
   按(5)式设变化系数Kh=4,最大时用水量的80%集中在半小时之内用完。
   取a=0.8
   Qh=qhn=(3.5×5×4/24)n=2.92nL/h,
   q0= 0.05L/s,t1=1800S
   t= 0.8 ×2.92n/(0.05n)=46.72S
   p=46.72/1800=0.026
   按(4)式设变化系数Kh=4,最高用水小时内的流量分布完全受概率规律的支配。
   Qh= qhn=2.92nL/h,qo= 0.05 L/s
   P=2.92n/(3600n×0.05)=0.016
   有了p值后,即可得到设计同时用水器具数m,再通过公式qs= qom求得管段设计秒流量qs。在计算p值时,需涉及到一些基本参数。各参数的取值工程建议如下:
   ①时变化系数Kh尚未有权威的统计值,为安全起见,建议取4~6。
   ②最大用水小时之内的流量分布与变化在目前尚未做系统的观察情况下,建议a取0.8。
   ③每户人数取3.5~5人。
   ④用水量标准一般取5L/(人·d)。
   利用上述参数及龙头数量,就可根据概率法计算出瞬时高峰流量。
1.3 工艺流程及管网设计
  管道直饮水系统由两个系统组成:净水系统和供水管路系统。
   目前管道直饮水项目所采用的净水工艺流程见图1。

  为保证管网水质,在设计中各栋建筑的入户管在与室外管网连接处应设回流阀;管网输送系统应设计成全封闭循环式,尽量减少用户支管长度(建议不超过12 m[3])。在住宅小区中每栋楼和整个供水管网都要循环,保证用户用水是在12h之内生产的(除水表之后的支管内的水);从安全考虑,循环回水须经过净化与消毒处理方可再进入直饮水管道;直饮水管道应有较高的流速,以防止管内细菌繁殖和微粒沉积。根据设计经验,干管设计流速宜采用1.0~1.2m/s,支管设计流速宜采用0.6~0.8 m/s。
1.4 管材
  
在目前的管道直饮水给水管网中较常用的有PPR管、不锈钢复合管、铜管、铝塑复合管等。在保证水质的前提下,根据工艺及使用条件的需要,可以选用不同的管材和管件。以下是不锈钢复合管与PPR管在工程应用上的技术经济比较。
1.4.l 技术性
  
①PPR管
  
目前国内市场PPR管材的种类比较多。PPR管中添加了各种各样的添加剂,使管材的硬度及稳定性得不到100%的保证。施工中PPR接口等物理性能较为直观,便于识别,但在对水质的影响上,其化学性能目前还不能定量评价,要用较长的时间来验证。小范围的、单栋楼房管网因水力停留时间短其水质尚可保证,而对建设规模大,管网管线长的工程,由于化学物质的渗透交换等因素,使水质不能得到100%的保证。同时根据PPR管道技术规程规定,PPR管作为立管方城墙敷设,在施工中就必须在墙上开槽,大量增加厂工程量和施工难度,从而造价亦相应增加,而且维护管理极为不便。
   PPR管对温度敏感,其膨胀系数比金属大10倍,如果设计、施工过程中对补偿处理不当,就会增大附加应力而产生破坏,缩短使用寿命。且PPR管抗紫外线能力差,在阳光的直接照射下容易老化,影响水质和使用寿命。同时塑料可作为微生物养料,容易滋生细菌、藻类,从而影响水质。其刚性和抗冲击性能较刚性管道差,在施工和运输过程中容易遭受损坏。
   ②不锈钢复合管
   不锈钢复合管外表美观,强度大,耐用,而且价格适中;抗酸碱腐蚀性能好,能在风吹日晒雨淋的环境下工作。其外层为真空的塑料保护膜,施工中不易破坏,接口密封性好,可拆卸,检修方便。不锈钢复合管综合了不锈钢管和塑料管的优点,即临不锈钢管的刚性条件和塑料管内壁光滑的水力性能相结合,内置的PE管与刚性管力学结合性能好。其保温性好,不受室外温度影响,不变形。
1.4.2 经济性
  
通过工程预算得出,在标准户型标准工程量的条件下,每户立管(按3m计算)采用不锈钢复合管的造价为180元左右,而采用PPR管(明装,不含开槽费用及沟槽恢复费)每户立管造价在100元左右,即价差为80元左右。对于1000户左右规模的小区而言,总的工程造价仅相差8万元左右,而且根据PPR管设计规范,PPR管作为立管,只能在室外嵌墙敷设或设于室内。嵌墙敷设将增加开槽和沟槽恢复工程量,相应大幅增加工作造价,若算上开槽费用和恢复费用,采用PPR管既不经济,维护管理也很不方便。而不锈钢复合管的经济合理性和技术可靠性却远远高于PPR管。若将立管设于室内,将影响美观,同时增加施工难度。
1.5 计量
  
管道直饮水由于用量小,流动慢,水价高等特点,因此要求管道直饮水水表具有特殊的性能,其计量范围、计量单位、最大允许温度、公称口径与材质要求与普通水表有很大的区别。管道直饮水系统的用户,平均每户用水不超过0.1m3/d,而目前普通水表的国家标准规定的适用流量为0.6~40000m3/h;按照普通水表国家标准的规定,水表累计读数的指标范围应为 0.001~9999.999m3,而实际上管道直饮水水表的计量范围一般在0.1~9999.9 L之间;在南方的一些常年处于高温的城市,还要求水表机芯材料要有较好的耐温性,而普通水表则没有这方面的要求。因此从以上分析看管道直饮水计量水表是一种有别于普通水表的专用水表,还处于开发研究阶段。

2 效益分析

  以北京某小区管道工程的投资效益进行分析[4]。该小区总建筑面积为10.8×104m3,由3栋高层住宅楼组成,有居民656户,管道直饮水系统按3.5人/户、5L/(人·d),用水量为11.8 m3/d设计,供水能力为24m3/d,采用反渗透工艺,出水中浓水与纯水的比例为1:1,总投资为200万元,包括管道费110万元,设备费25万元及安装施工费和其他费用,系统投资折合为10~12元/m2,综合投资小于20元/m2。设备的使用寿命按30 a考虑(一般是15a),用水量按12 m3/d计,则整个系统的效益分析如下:
   ①总投资为200万元。
   ②自来水费为2元/m3。30a水费合计为51.84万元。
   ③电费为0.4元/(kw·h)。设备每天工作12 h,耗电量为72kw·h;30a总费用为31.104万元。
   ④管理费用、维修费用及其他用料费用合计为58.096万元。30 a总费用为341.04万元。制水成本为26元/m3。纯净水售价为200元/m3,赢利为173.68元/m3。年赢利为173.68×129 600/30= 75万元。30 a赢利为173.68× 129 600=2 251万元。
   由此看出,管道直饮水的成本不到0.03元/L,而售价却是0.20元/L,是成本的6倍多。
   东莞管道直饮水的成本每升为0.08元,定价为0.21元/L,一个3000户居民的小区直饮水系统工程总投资不到300~400万,估计运行两三年即可收回建设成本。同目前市场上流行的桶装水和瓶装水比较,桶装水售价一般为0.5~1.0元/L,瓶装水为3.6元/L,而管道直饮水仅为0.2-0.4元/L,因此可以看出管道直饮水前景十分广阔。