給水減壓閥在工程中應用探討

傅星幃

(福州城建設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來，隨著高層建筑越來越多，建筑高度越來越高，給水減壓閥及減壓分區在建筑設計中也越來越常見。在給水及消防系統中，合理地選用減壓閥及設置減壓分區以保證給水及消防系統的安全性及穩定性，是我們設計上需要研究及探討的課題。本文主要介紹了給水減壓閥分類、具體使用范圍以及設計過程需要注意的一些細節。

1 給水減壓閥分類[1]

減壓閥根據工作原理可以分為3種：比例式減壓閥、可調式減壓閥及雙級減壓閥。

其中可調式減壓閥根據工作原理及結構形式又可以分為4種：直接作用式穩壓減壓閥、先導式穩壓減壓閥、直接作用式壓差減壓閥及先導式壓差減壓閥。

2 各類型給水減壓閥特點

2.1 比例式減壓閥

比例式減壓閥，閥后壓力與閥前壓力呈一固定比例。其減壓效果好、閥體體積小、不需人工調節、維護安裝便捷、價格低、使用壽命長，適用于進口壓力穩定、出口壓力值穩定性要求不高的場所。

2.2 可調式減壓閥

穩壓式減壓閥出口的壓力相對穩定，適用于進口有一定變化，但是對出口壓力值的穩定性要求較高的場合。當設置減壓分區需采用可調式減壓閥時應選用穩壓式減壓閥。

壓差式減壓閥進口與出口的動態減壓差相對穩定，適用于進口壓力穩定，且動態減壓差小于0.15MPa場所，一般在減壓分區內供水壓力超過0.2MPa進戶管上設置，不能作為分區減壓閥使用。

直接式減壓閥結構相對先導式減壓閥更簡單，體積更小，但對應的減壓管道口徑較小(DN<50)；通常多用于減壓分區內供水壓力超過0.2MPa進戶管、單個用水區域及減壓管徑小于DN50管道上。

先導式減壓閥相比直接作用式減壓閥增加了先導閥，利用水力控制主閥實現減壓效果。其精度比直接作用式減壓閥更高。在壓力值精度要求較高的場合，或需減壓管道管徑較大(DN≥50)，建議采用先導式減壓閥。

相比比例式減壓閥，可調式減壓閥運作反應靈敏，但是閥門構造相對比例式減壓閥更加復雜，閥體體積較大，價格相對較高。

2.3 雙級減壓閥

雙級減壓閥是由兩級串聯減壓裝置組合而成的減壓閥。用于單個減壓閥減壓比無法滿足設計要求的情況。一般前級為比例式減壓，后級為穩壓式減閥。單級減壓的性能與同類型單級減壓閥相同。

3 給水減壓閥主要技術參數(表1)

表1 給水減壓閥主要技術參數[1]

注：減壓比是減壓閥進出口壓力的比值，分為動壓比及靜壓比。特別需要注意的是所有類型的減壓閥(除了雙級減壓閥)減壓比均不宜大于3∶1。對于比例式減壓閥設計人員通常都會復核減壓閥減壓比，使減壓比滿足設計要求；但是在使用可調式減壓閥時設計人員常常只根據國家標準《建筑給水排水設計規范》GB50015-2003(2009年版)第3.4.9條，第1款“可調式減壓閥的閥前與閥后的最大壓差不宜大于0.40MPa，要求環境安靜的場所不應大于0.3MPa。”[2]核對閥前與閥后的最大壓差，忽略了若可調式減壓閥減壓比大于3∶1同樣有可能會出現氣蝕現象，導致系統工作的不穩定。例如減壓閥出口壓力為0.1MPa時，即使減壓差小于0.4MPa，仍然有氣蝕的可能。

4 生活給水系統案例分析

該案例為高層公共建筑，建筑高度小于100m，其中17F至24F為酒店。17F樓面相對標高66.15m(相對本樓±0.00，以下標高同)，24F樓面相對標高為91.7m。酒店設置集中熱水系統，考慮冷熱水壓力平衡，冷熱水系統采用相同的分區，且冷熱水壓力差不宜大于0.02MPa。如分別采用兩組變頻泵組供給冷水及開式熱水系統用水，考慮到變頻泵組出口壓力波動值通常≥0.05MPa，因此兩套變頻泵組分別供給冷水及開式熱水系統用水無法有效地保證冷熱水壓力值平衡。若采用一臺變頻泵組，同時供給冷水及閉式熱水系統用水，雖然可以保證冷熱水壓力平衡，但閉式熱水系統的維護運營相對復雜，且投資造價相對大于開式熱水系統。

在該樓屋面有條件設置冷熱水箱的基礎上，設置冷熱供水箱。冷水及熱水箱底相對標高相同，均為104.75m。由地下室工頻進水泵供水。水箱進水泵停泵水位相對標高106.95m。

因生活熱水分區與冷水分區相同，同時熱水系統較冷水系統增加了循環回水管道，所以僅以熱水系統進行比選分析。

4.1 熱水方案一

由于21F樓面相對標高80.75m與水箱停泵水位最不利相對標高106.95m相差26.20m，致使21F及以下各用水點的供水壓力(扣除水損后的動壓)大于規范0.20MPa限定值，需設置減壓閥減壓。方案一考慮采用集中減壓方式，在17F至20F設置了減壓分區。因為并聯減壓的方式適用于干管和總管減壓，而且增加了供水的保證率，綜合熱水管道的設置方式，在21F(相對標高80.75m)樓板下并聯設置先導式穩壓減壓閥組，閥后壓力值0.09MPa，同時在17F設置熱水循環泵，如圖1所示。

圖1 熱水方案一系統示意圖

根據方案一的減壓分區，扣除水損后， 17F及21F供水壓力(動壓)依然大于0.2MPa。對照表1，比例式減壓閥、穩壓減壓閥最小的動態減壓差△P≥0.15MPa，供水壓力扣除動態減壓差后，供水壓力值不足。為了確保減壓閥在設計流量時出口壓力穩定且考慮到供水支管管徑均不大于DN50。所以采用單閥直接作用式壓差減壓閥作為支管減壓，控制供水壓力不大于0.2MPa。

4.2 熱水方案二

因21F及以下各用水點的供水壓力值大于0.20MPa需要配置減壓，方案二考慮熱水支管上設置減壓閥，在各熱水配水管上配置分支減壓閥，為了盡可能保證減壓閥后出水壓力穩定，17F至20F設置單閥直接作用式穩壓減壓閥，21F設置單閥直接作用式壓差減壓閥，將壓力值減壓至0.20MPa以下。同時，屋面上設置熱水循環泵，如圖2所示。

圖2 熱水方案二系統示意圖

4.3 兩種方案的比選

熱水方案一采用分區設置減壓閥組，相比熱水方案二的各支管減壓閥在土建造價方面具有優勢。

但因減壓閥設置在熱水供水干管上，導致17F至20F在閥后回水主管的壓力小于20F以上的管網回水壓力，所以需設置兩套熱水循環泵增壓，兩個熱水分區的回水分別循環至熱水箱。相對方案二的熱水系統方案一增加能耗和設施(多設置了一套循環泵；17F～20F減壓分區的熱水循環泵揚程還需考慮減壓閥減壓損耗)。

其次，根據國家標準《建筑給水排水設計規范》GB50015-2003(2009年版)第5.5.10條，第3款“循環水泵應選用熱水泵，水泵殼體承受的工作壓力不得小于其所承受的靜水壓力加水泵揚程。”[2]在熱水系統減壓閥僅設置于非循環管上(方案一21F～24F及方案二)，為了減少泵殼承受的靜水壓力；節省酒店樓層使用空間；在水泵氣蝕余量滿足水泵負壓吸水的情況下，優先設置熱水循環水泵于大屋面。但是設置分區減壓閥組后(方案一17F～20F)降低了減壓分區的靜壓及動壓，為了避免熱水循環泵負壓吸水時，汽蝕余量無法提供足夠的吸水高度，導致無法形成循環，需降低熱水循環泵設置高度，在17F增設設備用房，該系統增加了循環泵泵殼壓力，占用酒店樓層使用面積且存在噪音隱患。

綜合節能、減少循環泵能耗和投資、建筑布局合理性等因素，設計上考慮采用熱水方案二的熱水系統。

若該工程僅有冷水系統，未設置熱水系統，不需要考慮熱水循環回水泵時，采用方案一可以減少減壓閥數量，也便于后期的維護，方案一是較好的解決方式。

另外，熱水系統設置的減壓閥應注意采用熱水型減壓閥，因為不論是比例式減壓閥還是可調試減壓閥，它們的密閉部件、閥腔的隔膜等均有橡膠制品。熱水系統中的供水溫度一般都大于50℃，而普通型的橡膠制品若是長期處于高溫環境下工作，會導致減壓效果下降、密封性能降低。為了保證密閉性及減壓效果，則需頻繁地更換相應的零部件，這對系統運行及維修成本都帶來不便和負擔。設計人員應根據系統的運行溫度，按國家標準《橡膠密封件給、排水管及污水管道用接口密封圈材料規范》HG/T3091-2000(適用于水介質溫度達50℃管道所使用的橡膠密封件)及國家標準《橡膠密封件-110℃熱水供應管道的管接口密封圈-材料規范》HG/T 3097-2006(2012)(適用于水介質溫度達110℃管道所使用的橡膠密封件)的要求選擇相應材質的減壓閥組件。

5 消防給水系統案例分析

工程為高層公共建筑(建筑高度小于100m)，最高層25層樓面相對標高95.35m，消防水箱底相對標高106.6m，消防水箱最高水位相對標高108.1m；地下室底面相對標高-5.0m，低區減壓閥組安裝位置相對標高-1m，地下室消防水池最高水位相對消防水泵吸水口高度為2m。裙房共6層，6層樓面相對標高23.2m。

室內消火栓系統分為高低兩區，每區最大靜水壓力均小于100m。裙房6層及以下為低區，7層以上為高區，低區環網的供水由高區環網經減壓后供給，如圖3所示。

圖3 消火栓系統示意圖

消火栓栓口動壓不應小于0.35MPa，經計算消火栓低區環網所需壓力值0.70MPa(位于低區減壓閥出口處壓力值)。該樓消防用水量40L/S。消防泵揚程1.6MPa(40L/S工況時)，對應零流量揚程為2.03MPa。

5.1 消防方案一

經計算水泵至低區減壓閥組處動壓P1=1.51MPa(在系統流量為40L/S時，扣除減壓閥與消防水泵的高差及管道水損)。當消防系統減壓閥進口壓力超過1.20MPa時宜采用先導式減壓閥，但若采用先導式減壓閥，其閥前與閥后的最大壓差不宜大于0.40MPa，而低區消火栓環網所需的壓力值為0.70MPa。若考慮僅并聯設置4組減壓閥組時(根據規范要求，每一供水分區應設不少于兩組減壓閥組，每組減壓閥組宜設置備用減壓閥)[3]，先導式減壓閥組無法滿足需要，所以考慮并聯設置四組比例式減壓閥組。

比例式減壓閥組的出口靜壓及動壓采用下面的公式計算：

靜壓：P2j=P1/Bj

動壓：P2=K×P1/Bj

式中：P2j——出口靜壓(MPa)；

P2——出口動壓(MPa)；

P1——進口壓力(MPa)；

Bj——靜壓比；

K——動壓折減系數，K=0.7～0.9，該工程K采用0.9。

Bj=K×P1/P2=0.9×1.51/0.7=1.94，小于2∶1，故，低區減壓閥組采用靜壓比為3∶2比例式減壓閥組。3∶2比例式減壓閥組閥后壓力值P2=K×P1/Bj=0.9×1.51×2/3=0.906MPa。

校核消防系統最大工作壓力(取消防水泵零流量時的壓力、消防水泵吸水口最大靜壓之和)低區減壓閥組進口處工作壓力P1max=2.03(消防水泵零流量揚程)+0.02(消防水泵吸水口最大靜壓)-0.03(減壓閥與消防水泵出水口標高高差)=2.02MPa。低區減壓閥后比例式減壓閥組出口處工作壓力P2max=K×P1max/Bj=0.9×2.02×2/3=1.212MPa。

校核屋面消防水箱穩壓。考慮減壓閥出口靜壓為減壓閥密封關閉后(無流量通過時)的出口壓力，在減壓閥接近封閉時，流量很小，水損忽略不計，則低區減壓閥組進口壓力P1x=1.066(消防水箱關閥水位)+0.01(減壓閥組相對±0.00高差)=1.076MPa，低區減壓閥組后靜壓P2j=P1x/Bj=1.076×2/3=0.717MPa。滿足水滅火設施最不利點處的靜水壓力。

5.2 消防方案二

方案一為并聯設置4組比例式減壓閥的情況，現考慮設置4組串聯在一起的減壓閥。因為串聯減壓的減壓閥，宜采用不同類型的減壓閥；且第二級減壓閥宜采用先導式減壓閥。所以在方案一的3∶2比例式減壓閥組后再串聯一組先導穩壓式減壓閥組，閥后壓力設置為P3=0.70MPa。

在40L/S的工況下，

△P=P2-P3=0.906-0.70=0.206MPa，滿足穩壓減壓閥動態減壓差。且減壓比小于3∶1。

校核消防系統最大工作壓力，低區減壓閥組3∶2比例式減壓閥出口處水壓P2max=1.212MPa；先導穩壓式減壓閥組閥后水壓P3max=0.70MPa,減壓比小于3∶1。雖然規范要求可調式減壓閥閥前與閥后的最大壓差不宜大于0.40MPa，要求環境安靜的場所不應大于0.3MPa，但考慮到水泵零流量工況持續時間很短，平時減壓閥組僅處于準工作狀態，氣蝕和噪音不是首要考慮因素，該減壓閥符合設計要求。

校核屋面消防水箱穩壓，低區減壓閥進口壓力P1x=1.076MPa，P2x=K×P1/Bj=0.9×1.076×2/3=0.645MPa，由于先導穩壓式減壓閥設置的壓力值為0.70MPa，故不能滿足先導式穩壓減壓閥動態減壓差，所以考慮獨立設置低區穩壓管道，供給低區消火栓環網穩壓。

當系統設置有消防穩壓設備時，也可以考慮相應提高消防穩壓設備的設計壓力，使穩壓壓力值提高，滿足先導式穩壓減壓閥動態減壓差。

5.3 兩種方案比選

方案一雖然比方案二少設置了4個串聯的先導式穩壓減壓閥及獨立的低區穩壓管道，但是方案一的最大工作壓力P2max=1.212MPa大于P3max=0.70MPa。若采用方案一，低區消火栓環網管道系統工作壓力值需抬高，系統承壓能力加大，對造價的影響較大，所以設計上考慮采用方案二的消火栓系統。

6 結語

隨著給水減壓閥在高層建筑的生活給水及消防給水系統中的廣泛應用，減壓閥的選型、減壓值的設定對生活及消防給水系統的運行起著至關重要的作用。

在實際工程應用中采用循環回水的熱水系統宜位于非循環熱水支管上設置減壓，能有效節能、減少循環泵能耗并且循環泵的設置位置更加靈活；而非循環給水系統中分區集中設置減壓閥則能有效節約初始投入資金，且便于后期維護。

而在消防給水系統的實際運用過程中，應根據各運行工況下不同減壓閥的壓力值狀態，選取合適的減壓閥用于降低減壓分區的工作壓力、節省工程造價。針對部分減壓閥導致穩壓壓力值不能滿足設計需要的情況，可以采用增加穩壓壓力值或對該分區獨立設置減壓，使消防系統滿足計要求。

根據不同工程情況核對減壓閥的要求及減壓閥使用的局限性，合理地選用減壓閥和設定減壓值，使生活及消防給水系統達到穩定、節能、安全可靠等目標，是設計人員義不容辭的責任。

參考文獻

[1] CECS109-2013 建筑給水減壓閥應用技術規程[S].2013.

[2] GB50015-2003(2009年版)，建筑給水排水設計規范[S].2009.

[3] GB50974-2014 消防給水及消火栓系統技術規范[S].2014.