一种基于实际存留水量的组合式二次供水水箱的供水方法与流程

1.本发明涉及城市供水管网系统二次供水领域，尤其涉及一种基于实际存留水量的组合式二次供水水箱的供水方法。


背景技术：

2.目前我国城市生活饮用水(俗称自来水)的消毒绝大多数都是采用氯消毒法。氯消毒法的突出优点是余氯具有持续的消毒作用，余氯系指用氯消毒时，加氯接触一定时间后，水中所剩余的氯量。余氯浓度在城市供水管网系统中随时间的推移会逐步衰减，在城市供水管网系统中保持足够的余氯浓度就能保证自来水中的微生物被控制在合格范围内。
3.二次供水是指当民用与工业建筑生活饮用水对水压、水量的要求超过城镇公共供水或自建设施供水管网能力时，通过储存、加压等设施经管道供给用户或自用的供水方式。二次供水设施主要包括储水设备、加压设备和管线三部分。自来水在二次供水储水设备(以下简称水箱)中会停留一段时间，如果停留时间过长则余氯浓度可能衰减到很低的水平，起不到有效杀灭水中微生物的作用，造成水箱中自来水的微生物指标超标。因此尽量减少自来水在水箱中的停留时间有着重要的意义。
4.水箱被使用的方式有以下三种。第一种：水箱安装在高层建筑的楼顶或中间楼层，城市供水管网系统中的自来水通过泵房内的水泵送至楼顶或中间楼层的水箱，然后再自然流到用户家中；第二种：水箱安装在泵房内，城市供水管网系统中的自来水首先流至泵房内的水箱中，然后通过变频水泵直接加压送到高层用户家中；第三种：水箱安装在两处形成组合式供水，一处安装在泵房内，一处安装在高层建筑的楼顶或中间楼层，城市供水管网系统中的自来水首先流至泵房内的水箱中，再通过泵房内的水泵送至楼顶或中间楼层的水箱，然后再自然流到用户家中。安装在高层建筑楼顶或中间楼层的这种水箱又称高位水箱，安装在泵房内的这种水箱又称低位水箱。
5.上述第三种二次供水模式，自来水是靠城市供水管网系统的压力流进低位水箱，靠水泵送至高位水箱的。对于高位水箱，根据国家标准gb50015-2003(2009年版)《建筑给水排水设计规范》中第3.8.3条的规定：“建筑物采用高位水箱调节的生活给水系统时，水泵的最大出水量不应小于最大小时用水量”，选用水泵时需考虑其额定流量要大于高位水箱的最大小时用水量。对于低位水箱，通常情况下，每小时进水量会大于每小时用水量，但是在用水高峰期则可能会出现每小时进水量小于每小时用水量，这时低位水箱的储水作用就体现出来。这种二次供水模式的高位水箱可能只有一个，也可能有多个。这种二次供水模式，由于自来水要在高低两个水箱中停留，更容易出现自来水在水箱中停留时间过长的情况，从而导致出现微生物指标超标，因此需要同时对自来水在高低两个水箱中的停留时间进行控制。
6.水箱进口流量指水箱进口处某一时刻自来水的流量，对于高位水箱其大小由水泵决定；对于低位水箱其大小由城市供水管网系统中自来水的压力及进水管管径决定。水箱出口流量指水箱出口处某一时刻自来水的流量，对于高位水箱其大小由高位水箱所服务用
户的用水情况决定；对于低位水箱其大小由其供水的所有高位水箱进口流量之和决定。水箱存留水量指水箱中某一时刻自来水的总体积，水箱存留水量的多少及水箱出口流量的大小决定了自来水在水箱中的停留时间。目前对于水箱存留水量的控制都是通过水箱中的水位控制阀来实现的，当水箱中的水位下降超过预设值时，水位控制阀即开启并开始供水，当水位上升到预设高度时，水位控制阀即关闭并停止供水，这种控制方法完全没有考虑自来水在水箱中停留时间的问题。目前有人提出根据实际用水量的大小来调节水泵给水箱的供水量，具体来说就是在用水量大时增大水泵的供水量，在用水量小时减少水泵的供水量，这种供水方法主要能解决在用水量大时保证供水充足，在用水量小时减少电力浪费及水泵损耗的问题。但是这种供水方法由于没有专门考虑水箱存留水量与自来水在水箱中停留时间的定量关系，因此无法根据给定停留时间来定量计算存留水量，也就无法根据给定停留时间来定量计算给水箱的供水量，结果是无法对自来水在水箱中的停留时间进行定量控制。
7.为了解决上述技术问题，公开号为cn110258721a的文献于2019年9月20日公开了一种组合式二次供水储水设备的供水方法，其技术方案包括以下步骤：步骤一、计算高位水箱在一天不同时间段的理论出口流量a；步骤二、计算在给定停留时间情况下高位水箱在一天不同时间段开始时刻的理论存留水量a；步骤三、计算高位水箱在一天不同时间段的理论进口流量和修正进口流量a；步骤四、计算开启的水泵在一天不同时间段需要的关闭的具体时刻；步骤五、计算低位水箱在一天不同时间段的修正进口流量b；步骤六、计算开启的自动阀门在一天不同时间段需要关闭的具体时刻。该方法能对高、低位水箱定量供水，解决了对自来水在储水设备中的停留时间进行定量控制的难题，降低了因自来水在储水设备中停留时间长而导致的微生物指标超标的风险。
8.但上述文献中，其涉及到的存留水量都是通过将测量得到的水箱水位高度乘以水箱的纵截面积计算得到的。水箱纵截面指用与水箱长和宽平行的平面去截水箱得到的截面，水箱横截面指用与水箱高和宽平行的平面去截水箱得到的截面。而目前使用的绝大多数水箱都是不锈钢水箱，通常都是用若干块大小相等的正方形不锈钢板在现场焊接而成，为了增加强度及防止变形，几乎所有不锈钢水箱其侧面和顶面的正方形不锈钢板都冲压成向外突出的形状，这种形状在数学上称之为球缺。如公开号为cn203256059u的现有技术在2013年10月30日就公开了水箱的侧壁是由厚度不同的若干冲压不锈钢板拼装焊接而成的。通常来说，不锈钢水箱的高度最多见的是两层，也有单层和多层的，但无论是单层还是多层，每层的结构都类似，且每层都包含有相同数量的球缺。通过球缺能够有效增加水箱的强度，但目前通过检测并计算水箱的存留水量时通常是直接将水箱水位高度乘以不含球缺的水箱纵截面积，并未考虑球缺部分所对应水量，导致计算出来的存留水量通常存在着5％左右的误差，不利于水箱供水的精确控制。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种基于实际存留水量的组合式二次供水水箱的供水方法，本发明能够基于实际存留水量分别对高位水箱和低位水箱定量供水，解决了对自来水在水箱中的停留时间进行定量控制的难题，最大限度地降低了因自来水在水箱中停留时间过长而导致的微生物指标超标的风险，同时对现有设备的改动很小，实施方便，且实际运行时的能耗、维护费用和运行成本都很低。
10.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
11.一种基于实际存留水量的组合式二次供水水箱的供水方法，其特征在于：所述的组合式二次供水水箱包括一低位水箱和至少一高位水箱，在低位水箱进水端设有自动阀门，在每一高位水箱进水端设有水泵；
12.所述的供水方法包括以下步骤：
13.步骤一、根据最近若干天出口流量的历史数据计算高位水箱在一天不同时间段的理论出口流量a；
14.步骤二、根据得到的理论出口流量a计算在给定停留时间情况下高位水箱在一天不同时间段开始时刻的理论存留水量a；
15.步骤三、根据得到的理论出口流量a和理论存留水量a，计算高位水箱在一天不同时间段的理论进口流量和修正进口流量a；其中，高位水箱在一天不同时间段的修正进口流量a由理论出口流量a和理论存留水量a结合实时检测并计算得到的高位水箱的实际存留水量a计算得出；
16.步骤四、在一天不同时间段的开始时刻根据修正进口流量a向水泵发送是否开启向高位水箱供水的控制信号指令，如果需要开启供水，则计算开启后的水泵在该时间段需要关闭的具体时刻，并根据计算结果关闭水泵停止供水，完成该时间段高位水箱的供水，依此循环完成高位水箱一天的供水；
17.步骤五、根据高位水箱的理论进口流量计算低位水箱的理论出口流量b，根据理论出口流量b计算在给定停留时间情况下低位水箱在一天不同时间段开始时刻的理论存留水量b，根据得到的理论出口流量b和理论存留水量b，结合实时检测并计算得到的低位水箱的实际存留水量b，计算低位水箱在一天不同时间段的修正进口流量b；
18.步骤六、在一天不同时间段的开始时刻根据修正进口流量b向自动阀门发送是否开启向低位水箱供水的控制信号指令，如果需要开启供水，则计算开启后的自动阀门在该时间段需要关闭的具体时刻，并根据计算结果关闭自动阀门停止供水，完成该时间段低位水箱的供水，依此循环完成低位水箱一天的供水；
19.所述的实际存留水量a为高位水箱中除去球缺部分的第一水量与高位水箱中属于球缺部分的第二水量之和，所述的实际存留水量b为低位水箱中除去球缺部分的第一水量与低位水箱中属于球缺部分的第二水量之和；其中，第二水量的计算方法为：先根据实际存留水量在水面所在层的高度的不同将实际存留水量的水位高度分为多种类型，并为每种类型确定用于计算第二水量的公式，再根据对应的计算公式计算出第二水量。
20.实际存留水量的计算方法为：
21.设第一水量为w1，第二水量为w2，水箱中实际存留水量为w，则：
22.w＝w1 w2ꢀꢀꢀꢀ
(1)
23.式(1)中w1为实际存留水量w中不考虑球缺部分的体积，w2为实际存留水量w中属于球缺部分的体积。
24.第一水量由实际存留水量的水位高度与不含球缺的水箱纵截面积相乘得出。
25.第一水量的计算方法为：
26.设水箱内水位高度为y，与水位高度y对应的实际存留水量为w，不含球缺的水箱纵截面积为s，则：
27.w1＝y
·
s
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
28.式(2)中w1为实际存留水量w中不考虑球缺部分的体积。
29.第二水量的计算方法为：
30.设水箱共有n层，每层高度为h0，每层水箱含有m个向外突出的球缺，设球缺的高为h，球缺的底面半径为r，球缺最低处到该层最低点的距离为a，设实际存留水量的水位高度为y，设实际存留水量在水面所在层的高度为h，h也表示水位高度y减去水面所在层最低点高度的差值，根据h的大小将水位高度y分为以下四种类型：
[0031][0032][0033]
式(3)中mod是求余运算符；式(4)中y1表示水位高度y界于每层最低点到该层球缺最低点之间，y2表示水位高度y界于每层球缺最低点到该层球缺底面圆心之间，y3表示水位高度y界于每层球缺底面圆心到该层球缺最高点之间，y4表示水位高度y界于每层球缺最高点到该层最高点之间；
[0034]
根据y的不同类型分别确定的计算第二水量w2的公式为：
[0035][0036]
式(5)中是向下取整符号，(是球缺对应球的半径，w
x
和w
y
是为了方便计算而设定的中间变量，r、w
x
和w
y
的计算公式如下：
[0037][0038][0039][0040]
[0041][0042]
式(7)、(8)中x是为了计算w
x
而设定的中间变量，表示当y＝y2时，实际水位高度y减去该层球缺最低点高度的差值；式(9)、(10)中y是为了计算w
y
而设定的中间变量，表示当y＝y3时，实际水位高度y减去该层球缺底面圆心高度的差值。
[0043]
采用本发明的优点在于：
[0044]
1、本发明特定用于包括低位水箱和高位水箱的组合式二次供水模式，充分考虑了水箱具有球缺这一实际形状的情形，通过找到实际存留水量与自来水在水箱中停留时间之间的定量关系，实现根据给定停留时间来定量计算理论存留水量，再由计算出的理论存留水量计算进口流量，按计算出的进口流量给高位水箱和低位水箱供水就能实现对自来水在水箱中的停留时间进行定量控制。解决了对自来水在水箱中的停留时间进行定量控制的难题，最大限度地降低了因自来水在水箱中停留时间过长而导致的微生物指标超标的风险，同时对现有设备的改动小，实施方便，且实际运行时的能耗、维护费用和运行成本都很低。
[0045]
2、本发明为精确控制水箱供水提供了有力的技术支持，能够有效地避免出现自来水在水箱中停留时间过长的技术问题。
[0046]
3、本发明科学地根据高度的不同将水位高度划分为四种类型，从而根据水位高度的具体类型分别计算实际存留水量，简化了计算的过程。
附图说明
[0047]
图1为本发明实施例2中高位水箱纵截面的结构示意图；
[0048]
图2为本发明实施例2中高位水箱横截面的结构示意图；
[0049]
图3为本发明实施例3中低位水箱纵截面的结构示意图；
[0050]
图4为本发明实施例3中低位水箱横截面的结构示意图；
[0051]
图中标记为：1、侧面长边，2、侧面短边，3、顶面，4、底面。
具体实施方式
[0052]
实施例1
[0053]
本发明公开了一种基于实际存留水量的组合式二次供水水箱的供水方法，所述的组合式二次供水水箱包括一低位水箱和至少一高位水箱，在低位水箱进水端设有自动阀门，在每一高位水箱进水端设有水泵。通常来说，不论是高位水箱，还是低位水箱，水箱中的实际存留水量包括两部分，一部分为不考虑球缺部分的水量，设为第一水量；另一部分为对应于球缺部分的水量，设为第二水量；第一水量与第二水量之和即为水箱的实际存留水量。基于此，本方案具体包括以下步骤：
[0054]
步骤一、根据最近若干天出口流量的历史数据计算高位水箱在一天不同时间段的理论出口流量a。
[0055]
步骤二、根据得到的理论出口流量a计算在给定停留时间情况下高位水箱在一天不同时间段开始时刻的理论存留水量a。
[0056]
步骤三、根据得到的理论出口流量a和理论存留水量a，计算高位水箱在一天不同时间段的理论进口流量和修正进口流量a；其中，高位水箱在一天不同时间段的修正进口流
量a由理论出口流量a和理论存留水量a结合实时检测并计算得到的高位水箱的实际存留水量a计算得出。
[0057]
步骤四、在一天不同时间段的开始时刻根据修正进口流量a向水泵发送是否开启向高位水箱供水的控制信号指令，如果需要开启供水，则计算开启后的水泵在该时间段需要关闭的具体时刻，并根据计算结果关闭水泵停止供水，完成该时间段高位水箱的供水，依此循环完成高位水箱一天的供水。
[0058]
步骤五、根据高位水箱的理论进口流量计算低位水箱的理论出口流量b，根据理论出口流量b计算在给定停留时间情况下低位水箱在一天不同时间段开始时刻的理论存留水量b，根据得到的理论出口流量b和理论存留水量b，结合实时检测并计算得到的低位水箱的实际存留水量b，计算低位水箱在一天不同时间段的修正进口流量b。
[0059]
步骤六、在一天不同时间段的开始时刻根据修正进口流量b向自动阀门发送是否开启向低位水箱供水的控制信号指令，如果需要开启供水，则计算开启后的自动阀门在该时间段需要关闭的具体时刻，并根据计算结果关闭自动阀门停止供水，完成该时间段低位水箱的供水，依此循环完成低位水箱一天的供水。
[0060]
所述的实际存留水量a为高位水箱中除去球缺部分的第一水量与高位水箱中属于球缺部分的第二水量之和，所述的实际存留水量b为低位水箱中除去球缺部分的第一水量与低位水箱中属于球缺部分的第二水量之和；计算时，先分别计算出各自对应水箱中除去球缺部分的第一水量和各自对应水箱中属于球缺部分的第二水量，再根据第一水量和第二水量求和即得出各自对应水箱的实际存留水量。其中，第一水量由实际存留水量的水位高度与不含球缺的水箱纵截面积相乘得出。第二水量的计算方法为：先根据实际存留水量在水面所在层的高度的不同将实际存留水量的水位高度分为多种类型，并为每种类型确定用于计算第二水量的公式，再根据对应的计算公式计算出第二水量。
[0061]
具体的，水箱中实际存留水量、第一水量和第二水量的计算方法分别如下：
[0062]
设第一水量为w1，第二水量为w2，水箱中实际存留水量为w，则：
[0063]
w＝w1 w2ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0064]
式(1)中w1为实际存留水量w中不考虑球缺部分的体积，w2为实际存留水量w中属于球缺部分的体积。
[0065]
第一水量由实际存留水量的水位高度与不含球缺的水箱纵截面积相乘得出。
[0066]
第一水量的计算方法为：
[0067]
设水箱内水位高度为y，与水位高度y对应的实际存留水量为w，不含球缺的水箱纵截面积为s，则：
[0068]
w1＝y
·
s
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0069]
式(2)中w1为实际存留水量w中不考虑球缺部分的体积。
[0070]
第二水量的计算方法为：
[0071]
设水箱共有n层，每层高度为h0，每层水箱含有m个向外突出的球缺，设球缺的高为h，球缺的底面半径为r，球缺最低处到该层最低点的距离为a，设实际存留水量的水位高度为y，设实际存留水量在水面所在层的高度为h，h也表示水位高度y减去水面所在层最低点高度的差值，根据h的大小将水位高度y分为以下四种类型：
[0072][0073][0074]
式(3)中mod是求余运算符；式(4)中y1表示水位高度y界于每层最低点到该层球缺最低点之间，y2表示水位高度y界于每层球缺最低点到该层球缺底面圆心之间，y3表示水位高度y界于每层球缺底面圆心到该层球缺最高点之间，y4表示水位高度y界于每层球缺最高点到该层最高点之间；
[0075]
根据y的不同类型分别确定的计算第二水量w2的公式为：
[0076][0077]
式(5)中是向下取整符号，r是球缺对应球的半径，w
x
和w
y
是为了方便计算而设定的中间变量，r、w
x
和w
y
的计算公式如下：
[0078][0079][0080][0081][0082][0083]
式(7)、(8)中x是为了计算w
x
而设定的中间变量，表示当y＝y2时，实际水位高度y减去该层球缺最低点高度的差值；式(9)、(10)中y是为了计算w
y
而设定的中间变量，表示当y＝y3时，实际水位高度y减去该层球缺底面圆心高度的差值。
[0084]
需要说明的是，实际存留水量a和实际存留水量b均采用上述实际存留水量的计算方法得出，即所述的实际存留水量的计算方法为实际存留水量a和实际存留水量b的计算方法。当计算实际存留水量a时，计算方法中涉及到的水箱均为高位水箱；当计算实际存留水
量b时，计算方法中涉及到的水箱均为低位水箱。
[0085]
本发明采用上述特定的技术方案充分考虑了水箱的实际形状，能够根据水位高度计算出高位水箱的实际存留水量a和低位水箱的实际存留水量b，保证了实际存留水量计算结果的精确性，从而能够基于实际存留水量分别对高位水箱和低位水箱定量供水，解决了对自来水在水箱中的停留时间进行定量控制的难题，最大限度地降低了因自来水在水箱中停留时间过长而导致的微生物指标超标的风险，同时对现有设备的改动很小，实施方便，且实际运行时的能耗、维护费用和运行成本都很低。
[0086]
实施例2
[0087]
在实施例1所述技术方案的基础上，本实施例使用纵截面如图1、横截面尺寸如图2所示的水箱作为高位水箱，并结合具体数据对高位水箱中的实际存留水量的计算方法作进一步描述，具体如下：
[0088]
高位水箱包括侧面长边1、侧面短边2、顶面3和底面4，高位水箱的长宽高分别为3m、2m和2m，不含球缺的总体积为12m3，不含球缺的高位水箱纵截面积s为6m2，高位水箱共有2层，每层高度h0为1m，每层高位水箱含有向外突出的球缺数m为10，球缺的高h为0.11m，球缺的底面半径r为0.4m，球缺最低处到该层最低点的距离a为0.1m。
[0089]
在某一时刻测得高位水箱水位高度y为1.027m，设与水位高度y对应的实际存留水量为w，则：
[0090]
w＝w1 w2ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0091]
w1＝y
·
s＝1.027m
×
6m2＝6.162m3ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0092]
式(1)中w1为水位高度y对应实际存留水量w中不考虑球缺部分的第一水量的体积，计算方法见式(2)；w2为水位高度y对应实际存留水量w中属于球缺部分的第二水量的体积。
[0093]
进一步的，第二水量的计算方法为：
[0094]
设实际存留水量在水面所在层的高度为h，h也表示水位高度y减去水面所在层最低点高度的差值，根据h的大小确定水位高度y的类型：
[0095]
因为
[0096]
且
[0097]
0.027m＜a＝0.1m
[0098]
所以水位高度y属于第一种类型，即：
[0099]
y＝y1，当0≤h≤a时
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0100]
式(3)中mod是求余运算符；式(4)中y1表示水位高度y界于每层最低点到该层球缺最低点之间；
[0101]
由此确定出计算第二水量w2的公式为：
[0102][0103]
式(5)中是向下取整符号，r是球缺对应球的半径，r计算公式如下：
[0104][0105]
将r的值代入公式(5)得到：
[0106][0107]
将第二水量w2的值代入公式(1)，即得到高位水箱的实际存留水量w：
[0108]
w＝w1 w2＝6.162 0.2834＝6.4454m3。
[0109]
实施例3
[0110]
在实施例1所述技术方案的基础上，本实施例使用纵截面如图3、横截面尺寸如图4所示的水箱作为低位水箱，并结合具体数据对低位水箱中的实际存留水量的计算方法作进一步描述，具体如下：
[0111]
低位水箱同样包括侧面长边1、侧面短边2、顶面3和底面4，低位水箱的长宽高分别为5m、3m和2m，不含球缺的总体积为30m3，不含球缺的低位水箱纵截面积s为15m2，低位水箱共有2层，每层高度h0为1m，每层低位水箱含有向外突出的球缺数m为16，球缺的高h为0.12m，球缺的底面半径r为0.4m，球缺最低处到该层最低点的距离a为0.1m。
[0112]
在某一时刻测得低位水箱水位高度y为0.476m，设与水位高度y对应的实际存留水量为w，则：
[0113]
w＝w1 w2ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0114]
w1＝y
·
s＝0.476m
×
15m2＝7.14m3ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0115]
式(1)中w1为水位高度y对应实际存留水量w中不考虑球缺部分的第一水量的体积，计算方法见式(2)；w2为水位高度y对应实际存留水量w中属于球缺部分的第二水量的体积。
[0116]
进一步的，第二水量的计算方法为：
[0117]
设实际存留水量在水面所在层的高度为h，h也表示水位高度y减去水面所在层最低点高度的差值，根据h的大小确定水位高度y的类型：
[0118]
因为
[0119]
且0.476m＞a＝0.1m
[0120]
0.476m＜a r＝0.1m 0.4m＝0.5m
[0121]
所以水位高度y属于第二种类型，即：
[0122]
y＝y2，当a＜h≤a r时
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0123]
式(3)中mod是求余运算符；式(4)中y2表示水位高度y界于每层球缺最低点到该层球缺底面圆心之间；
[0124]
由此确定出计算第二水量w2的公式为：
[0125][0126]
式(5)中是向下取整符号，r是球缺对应球的半径，w
x
是为了方便计算而设定的中间变量，r和w
x
计算公式如下：
[0127][0128]
[0129][0130]
式(7)、(8)中x是为了计算w
x
而设定的中间变量，表示当y＝y2时，实际水位高度y减去该层球缺最低点高度的差值。
[0131]
将r和w
x
的值代入公式(5)得到：
[0132][0133]
将第二水量w2的值代入公式(1)，即得到低位水箱的实际存留水量w：
[0134]
w＝w1 w2＝7.14 0.2224＝7.3624m3。
[0135]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。