专利名称：在高原地区和寒冷地区一种城市给水防冻新型技术的制作方法
(一)所属技术领域本技术方案是应用于高原地区和寒冷地区城市给水。
背景技术：
目前高原地区和寒冷地区城市给水管建设方式与温带地区建设方式相同，城市配水管敷设在冻土层以下，一般在城市道路下敷设，用户给水管直接连接在城市配水管上，当使用自来水时，用户给水管内的水流动；在不使用自来水时，用户给水管内的水不流动。这样，在冬天由于气温很低，导致在用户内给水管结冰堵塞，严重地影响人们的生活质量、环境卫生，为了解决在冬天结冰堵塞问题，人们研究了许多办法，其中具有代表意义技术方案有方案一，凡是在地下防冻层上面敷设的给水管和室内给水管均用暖气、空调等加热防冻措施；方案二，在冬天，把用户取水点均放在地下防冻层之下；方案三，在用户内所有的自来水水龙头均放任自流。三个方案均有严重的缺点，方案一运行成本非常高，不容易实施，方案二的住户用水非常不方便，方案三用水损失相当大，而且在地势较高的用户和住在楼上的用户用不到水，方案二、三严重地影响到人们的生活质量、环境卫生。
发明内容冬季在高原地区和寒冷地区用户给水管冻结的原因，出了气温以外主要与给水管的水压和水流有关，当给水管水流达到一定的流速，给水管就不会冻结。为此，可利用连通器(上端开口、中间连通的容器)原理防止用户水管冻结。具体的说，根据城市大小和地形条件把城市给水区划分为若干单元，把距离较近、地势高度相接近的用户划在同一个用水单元内，把每个单元的给水管网做成一个连通器，其管网系统由给水配水干管(网)、“出水输送管道系统”、“用户连通管道”组成，给水配水干管(网)的进水口作为连通器的一个上端的进水管、把“出水输送管道系统”的管道出水口抬高到一定的地势高度，做成连通器的一个上端出水口，“用户连通管道”为连通器的中间连通管。自来水在管道压力作用下，流水方向为水厂(或高位水池)→给水配水干管(网)→“用户连通管道”→“出水输送管道”→“出水输送管道”的高位出水口。只要给水配水干管(网)的水压力和流量足够大，“用户连通管道”内的自来就水有一定的速度流动，并从“出水输送管道”的上端出口流出，此时“用户连通管道”内的自来水，在寒冷的冰冻季节，也不会冻结。
城市配水干管(网)是指一般城市建设的给水干管系统，敷设在冻土层之下，一般敷设在城市道路下面。“用户连通管道”的首端连在城市配水管道上，末端连在“出水输送管道系统”上，为用户生活性管道，一般暴露在空气中。
“出水输送管道系统”是把从单元用户连通管中流出的水汇流后输送到地势较高的位置并自由流出或加压流出进入高位水池的管道系统，一般情况下，由“出水输送管道”、加压泵站、输送管道末端的出水口、高位水池构成。“出水输送管道”是把在用水单元内的所有用户连通管的末端与它连接(“用户连通管”的首端连在城市配水管道上)，然后把管道出水口抬高到一定的地势高度，做成连通器的一个上端出水口。管道上端出水口应结合高位水池进行建设。“出水输送管道系统”须做防冻处理。
一般情况下，对“出水输送管道”上端出水口在抬高过程中，在某一地势高度位置处应增设一个加压泵站(加压泵站建设具体地势高度以下论述)、在“出水输送管道”的出水口处增设高位水池，其目的是为了将“出水输送管道”中的自来水在流速低时通过加压后流入高位水池。为了让高位水池内的水在用水高峰期作为城市的补充水源，在高位水池底部与城市配水干管之间用给水管连接，把它敷设在冻土层之下，并在此给水管上增加阀门或电动阀门。在寒冷的冰冻季节，在用水高峰期打开阀门，在用水低峰期关闭阀门，不让城市配水干管内的水直接流入高位水池，只能通过“出水输送管道系统”进入高位水池，以使“用户连通管道”中的自来水有一定的速度流动而不冻结。在这寒冷的冰冻季节，整个管道系统给水的工艺流程为水厂(或高位水池)→给水配水干管(网)→“用户连通管道”→“出水输送管道”→高位加压泵→高位“出水输送管道”及其高位出水口→高位水池→给水配水干管(网)。其中因为加压泵建设的地势高度比用水单元内规定的地势最高的“用户连通管”高一些，因此称之为“高位加压泵”；高位“出水输送管道”是指在地形地势上比高位加压泵高的一段“出水输送管道”；高位水池的地势高度高于高位加压泵的地势高度。在不寒冷的冰冻季节，高位水池与给水配水干管(网)之间的阀门可一直打开，“出水输送管道系统”中的加压泵站不需工作，以节省用电，此时整个管道系统的工作原理与温带地区城市给水管道系统原理一样，在用水低峰期，让城市配水干管内的自来水直接流入高位水池；在用水高峰期，由高位水池流向城市配水干管，作为城市补充水源。
确定“出水输送管道”的出水口及高位水池的地势高度，相当于连通器上端出水口，其出水口高度应取决于在用水单元进水口处的水压力(相当于连通器进水口的压力)、水流量、以及用户的地势高度。按供水方式和供给量多少确定①如果城市供水为重力供水，自来水供给量相当丰富，考虑到城市远期发展，供给量仍有多余，此时“出水输送管道系统”中可不建高位水池和加压泵站，但要把“出水输送管道”的出水口抬高到一定的地势高度。其出水口的地势高度根据用水单元入口处的水压力、最高的用户用水高程、用地条件共同确定，但至少比用水单元内规定的地势最高用户的用水高程高出4米左右，保证最高用户的给水压力、并有一定的流速。
②如果城市供水为压力供水或在用水高峰期城市供水不足，那么应在“出水输送管道系统”中建设高位水池和加压泵站。高位水池和加压泵站的位置应统筹考虑，特别是平原城市，高位水池和加压泵站应在高位水塔的建筑物上统一考虑和设计，设计的原则是在“出水输送管道系统”中尽量减少水能的损失，减少运行费用，因此“出水输送管道”的出水口处的地势高度位置设置方法为在“用水低峰期”，在用水单元入口处的水压力作用下，能保证用水单元内规定的地势最高的“用户连通管”内的自来水有一定的压力和流速而不冻结并且在加压泵站不工作的条件下，自来水通过“出水输送管道”上端出水口能流出的最高的地势高度，即为“出水输送管道”的出水口处的地势高度，也是建设高位水池的地势高度。从“出水输送管道”的出水口内流出的自来水应从高位水池顶部或中上部流入高位水池内，最好从高位水池的顶部流入水池。加压泵站设置的地势高度位置为在用水高峰期，在用水单元入口处的水压力作用下，能保证用水单元内规定的地势最高的“用户连通管”内的自来水有一定的压力和流速而不冻结的条件下，自来水通过“出水输送管道”上端出水口能流出的最高的地势高度，即为加压泵站建设的地势高度。加压泵站建设的地势高度至少比用水单元内规定的地势最高用户的用水高程高出4米左右，保证最高用户的给水压力、并有一定的流速。在“出水输送管道系统”中设置加压泵站的目的是，在寒冷冰冻季节，在用水高峰期在“出水输送管道系统”内自来水经加压泵加压后通过“出水输送管道系统”中的出水口流入高位水池，以保证单元用户连通管内的水流动而不冻结。设置加压泵站的方法有两个，第一种方法是对管道直接加压，但做起来麻烦，第二种方法是在加压泵站设置的前面位置把“出水输送管道”分成两支，第一支管道直接连接高位水池，第二支管道进入加压泵站后再连接高位水池，并在加压泵站前设一阀门或电动阀门，在用水低峰期，关闭阀门，让自来水从第一支管道直接进入高位水池；在其他时候，打开阀门，让自来水经加压泵站加压后进入高位水池，以节约用电。第二种方法优于第一种方法，便于实施和操作。
在“出水输送管道系统”中的自来水经加压后可直接进入城市配水干管中，但在用水高峰期，相对于使用高位水池，调节能力较差，甚至可以说没有调节能力。因此在实施时应使用高位水池。
“用户连通管道”，相当于连通器中的中间连通管道，暴露在空气中，作为用户使用的生活性管道，其首端连在城市配水管道上，末端连在“出水输送管道系统”上，“用户连通管水龙头”即用户取水点就在这个连通管上。“用户连通管道”上可安装一个或多个“用户连通管水龙头”，水龙头的开关应尽量靠近“用户连通管道”的内壁，这种水龙头可特制。打开“用户连通管水龙头”时流出的水可看着是“用户连通管”上的一个分流点，其管径大小，包括“出水输送管道”的管径大小，应根据管网平差水力计算确定，以节省投资，并达到水管防冻的目的。用户热水器和洗衣机等生活设施通过“用户连通管水龙头”连接在“用户连通管道”。在热水器、洗衣机等生活设施与“用户连通管水龙头”之间连接管上地势高度最低的位置再设一出水开关，为了叙述的方便把此水龙头开关称为“放水开关”，其目的是在使用热水器、洗衣机等设施后立即关闭“用户连通管水龙头”和“放水开关”，把热水器、洗衣机及其进水管、出水管中的自来水全部放出，以防热水器、洗衣机中的水结冰堵塞管道，在设计热水器、洗衣机以及安装时均应考虑到这种因数。另外，室内污水排水管、粪便池在设计施工时应做到不能让这些设施在使用时有水滞留。
本技术方案的有益效果是1、节约用水在高原和寒冷地区，在冬季枯水期季节，可利用的有用的饮用水资源是有限的，另一方面，在冬季在地势较低的用户水龙头又放任自流，饮用水浪费惊人。利用本技术方案，在冬季枯水期季节，城市自来水利用率大幅度提高。
2、解决了冬季处在地势较高的用户的饮用水问题。
水是生命之源，离开了水，生活一切变得非常糟糕，处在地势较高的用户不能洗澡淋浴，不能冲洗厕所，粪便垃圾到处都是，洗衣服也比较困难，可以想象，在冬季没有水的用户，生活有多么艰辛，生活质量有多么的差，因此解决生活饮用水问题对他们来说是头等大事。
3、城市建设将上一个新台阶在冬季，处在地势较高的用户得不到饮用水，因此城市建筑的高度和用地地势条件也将得到约束，严重地制约了城市的发展。利用本技术方案将解出这一约束条件，同时提高了城市土地的价值，促进了城市建设的发展。
4、城市污水处理量将减小采用了本技术方案，在冬季处在地势较低的用户就不会让自来水放任自流，在不用饮用水时会关掉自来水龙头，减少污水进入污水处理厂的流量。
5、经济价值显著虽然给水系统建设成本比其它温暖地区相应城市的建设成本高出30～45％，但是解决了由于处在城市地势较高的用户缺水造成的种种弊端，提高了城市给水利用率，减少了城市污水处理费用，净化城市环境，提高了城市生活质量，提升了城市土地价值以及城市建设水平，经济效果极其显著。
(四)下面结合附图和实施例子对本技术方案进一步说明。
图1、图2、图3中给小管布置为城市给水防冻示意图，箭头表示流水方向。
图1是把3个用户作为一个用水单元的给水防冻示意图。
图2是把给水用户划分为两个用水单元，处在同一个用水单元的用户的地势高度相差不宜过大，即把距离较近、地势高度相接近的用户划在同一个用水单元，以保证处在地势最低的用户连通管的首末端有一定的压力差，使用户水管有一定的流速而不被冻结。
图3是把给水用户划分为一个用水单元，满足以下要求的给水防冻示意图。即如果城市供水为重力供水，自来水供给量相当丰富，考虑到城市远期发展，供给量仍有多余，此时“出水输送管道系统”中可不建高位水池和加压泵站，但要把“出水输送管道”的出水口抬高到一定的地势高度。其出水口的地势高度根据用水单元入口处的水压力、用户最大高程、用地条件共同确定，但至少比用水单元内规定的地势最高用户的用水高程高出4米左右，保证最高用户的给水压力、并有一定的流速。
在图1、图2、图3中，I为城市配水管网中的一部分给水管，用最粗的粗线表示，埋在地下防冻层之下。II为把单元内所有“用户连通管”中流出的水汇流后输送到地势较高的位置并自由流入或加压流入高位水池的管道系统，即“出水输送管道系统”，用中粗线表示，也埋在地下防冻层之下。III为“用户连通管”，为用户的生活性管道，用户热水器、洗衣机等设施都连接在这个连通管上，“用户连通管”的首端连接在给水配水管上，末端连在“出水输送管道”上，“用户连通管”敷设在室内，暴露在空气中，其首端和末端有一定的压力差，保证管内的水有一定的速度流动，在寒冷的冬天不被冻结。为了保证“用户连通管“首末端有一定的压力差，配水干管I和“出水输送管道”II不能合并为一条，配水给水干管、“出水输送管道”和用户连通管III的管径大小，应根据管网平差水力计算确定。
图中①为配水干管进水管；②为阀门或电动阀门，在寒冷的冰冻季节，在高位水池的水作为城市补充水源时(一般在用水高峰期)打开阀门，在用水低峰期关闭阀门，不让城市配水干管内的水直接流入高位水池，只能通过“出水输送管道系统”进入高位水池，在用水高峰期如果高位水池的水不能进入配水管道，此时应在高位水池附近增加加压泵站；在其他季节，阀门可一直打开，“出水输送管道系统”中的加压泵站不需工作，以节省用电，在用水低峰期，让城市配水干管内的自来水直接流入高位水池，在用水高峰期，由高位水池流向城市配水干管，作为城市补充水源；③为“用户连通管水龙头”，一个或多个，用户热水器、洗衣机等生活设施连接在这些水龙头上，C点为用户水龙头与用户连通管交叉点，D点为水龙头开关，在设计时，D点应尽量靠近C点，即开关尽量靠近“用户连通管”的内壁，以减少用户水龙头冷冻的长度，在这种情况下，即使在水龙头开关处有冻结现象，可以通过加热解冻开关，或增加一些防冻措施让水龙头开关处不冻；④为室内排水口；⑤为热水器，通过“用户连通管水龙头”与“用户连通管”连接；⑥为放水开关；⑦为洗衣机，通过“用户连通管水龙头”与“用户连通管”连接；⑧为热水器淋浴出水口；⑨为加压泵站；⑩为高位水池。
在图中A点表示为用水单元进水压力；B点表示自来水从高位水池进入配水给水干管的连接管上，在高位水池出水口的位置；C点、D点意义前面已叙述；E点为设置加压泵站前的地势高度位置，此处应在某一地势高度上，此处应满足进入用户单元A点给水压力和流量能使在寒冷的冰冻季节在用水高峰期在用水单元规定的地势最高的“用户连通管”的水有一定流速而不冻结的时候，在此处有一定流速的水进入加压泵站；F为“出水输送管道”的上端出水口，也是高位水池入水口的位置，高位水池入水口从高位水池的顶部进入；L为在图3中“出水输送管道”的出水口，此位置应在某一地势高度上。A点与E点、以及与规定的最高用户的地势高度都有一定的关系。一般地，E点的地势高度应高于用水单元规定的地势最高的用户的用水高度，并有一定的高差，同时在用水高峰期在A点的给水压力能让在“出水输送管道”内的自来水流入加压泵站⑨；F点的地势高度应高于E点的地势高度，且在用水低峰期，在A点的给水压力能够保证在E点的加压泵站在不工作的情况下自来水能顺利地从“出水输送管道”进入F点的高位水池内。如果配水干管A点的压力较小，在用水高峰期不足以使“出水输送管道”中的水进入E点加压泵站，此时应在用水单元入口的A点处增加压力。
权利要求
1.利用连通器原理可防止冬季高原地区和寒冷地区用户给水管冻结。根据城市大小和地形条件把城市给水区划分为若干单元，把距离较近、地势高度相接近的用户划在同一个用水单元内，把每个单元的给水管网做成一个连通器，其管网系统由给水配水干管(网)、“出水输送管道系统”、“用户连通管道”组成，给水配水干管(网)的进水口作为连通器的一个上端的进水管、把“出水输送管道系统”的管道出水口抬高到一定的地势高度，做成连通器的一个上端出水口，“用户连通管道”为连通器的中间连通管。自来水在管道压力作用下，流水方向为水厂(或高位水池)→给水配水干管(网)→“用户连通管道”→“出水输送管道”→“出水输送管道”的高位出水口。只要给水配水干管(网)的水压力和流量足够大，“用户连通管道”内的自来水有一定的速度流动，并从“出水输送管道”的上端出口流出，此时“用户连通管道”内的自来水，在寒冷的冰冻季节，也不会冻结。
2.给水配水干管和“出水输送管道”不应合并为一条，应通过“用户连通管”连接，其首端连在城市配水管道上，末端连在“出水输送管道”上。用户连通管的首端和末段不能同时连接在给水配水干管上，更不能连接在给水配水干管上的同一处。给水配水干管和“出水输送管道”可以同路敷设在冻土层以下。
3.“出水输送管道系统”是把从单元内所有“用户连通管”中流出的水汇流后输送到地势较高的位置并自由流出或加压流出进入高位水池的管道系统，由“出水输送管道”、加压泵站、输送管道末端的出水口、高位水池构成。“出水输送管道”是把在用水单元内的所有用户连通管的末端与它连接(用户连通管的首端连在城市配水管道上)，然后把管道出水口抬高到一定高度，做成连通器的一个上端出口。管道上端出水口应结合高位水池进行建设。“出水输送管道系统”须做防冻处理。
4.一般情况下，对“出水输送管道”上端出水口在抬高过程中，在某一地势高度位置处应增设一个加压泵站、在“出水输送管道”的出水口处增设高位水池，其目的是为了将“出水输送管道”中的自来水在流速低时通过加压后流入高位水池。为了让高位水池内的水在用水高峰期作为城市的补充水源，在高位水池底部与城市配水干管之间用给水管连接，把它敷设在冻土层之下，并在此给水管上增加阀门或电动阀门。在寒冷的冰冻季节，在用水高峰期打开阀门，在用水低峰期关闭阀门，不让城市配水干管内的水直接流入高位水池，只能通过“出水输送管道系统”进入高位水池，以使“用户连通管道”中的自来水有一定的速度流动而不冻结。在这寒冷的冰冻季节，整个管道系统给水的工艺流程为水厂(或高位水池)→给水配水干管(网)→“用户连通管道”→“出水输送管道”→高位加压泵→高位“出水输送管道”及其高位出水口→高位水池→给水配水干管(网)。其中因为加压泵建设的地势高度比用水单元内规定的地势最高的“用户连通管”高一些，因此称之为“高位加压泵”；高位“出水输送管道”是指在地形地势上比高位加压泵高的一段“出水输送管道”；高位水池的地势高度高于高位加压泵的地势高度。在不寒冷的冰冻季节，高位水池与给水配水干管(网)之间的阀门可一直打开，“出水输送管道系统”中的加压泵站不需工作，以节省用电，此时整个管道系统的工作原理与温带地区城市给水管道系统原理一样，在用水低峰期，让城市配水干管内的自来水直接流入高位水池；在用水高峰期，由高位水池流向城市配水干管，作为城市补充水源。
5.确定“出水输送管道”的出水口及高位水池的地势高度，相当于连通器上端出水口，其出水口高度取决于在用水单元进水口处的水压力(相当于连通器进水口的压力)、水流量、以及用户的地势高度。按供水方式和供给量多少确定①如果城市供水为重力供水，自来水供给量相当丰富，考虑到城市远期发展，供给量仍有多余，此时“出水输送管道系统”中可不建高位水池和加压泵站，但要把“出水输送管道”的出水口抬高到一定的地势高度。其出水口的地势高度根据用水单元入口处的水压力、最高的用户用水高程、用地条件共同确定，但至少比用水单元内规定的地势最高用户的用水高程高出4米左右，保证最高用户的给水压力、并有一定的流速。②如果城市供水为压力供水或在用水高峰期城市供水不足，那么应在“出水输送管道系统”中建设高位水池和加压泵站。高位水池和加压泵站的位置应统筹考虑，特别是平原城市，高位水池和加压泵站应在高位水塔的建筑物上统一考虑和设计，设计的原则是在“出水输送管道系统”中尽量减少水能的损失，减少运行费用，因此“出水输送管道”的出水口处的地势高度位置设置方法为在“用水低峰期”，在用水单元入口处的水压力作用下，能保证用水单元内规定的地势最高的“用户连通管”内的自来水有一定的压力和流速而不冻结并且在加压泵站不工作的条件下，自来水通过“出水输送管道”上端出水口能流出的最高的地势高度，即为“出水输送管道”的出水口处的地势高度，也是建设高位水池的地势高度。从“出水输送管道”的出水口内流出的自来水应从高位水池顶部或中上部流入高位水池内，最好从高位水池的顶部流入水池。加压泵站设置的地势高度位置为在用水高峰期，在用水单元入口处的水压力作用下，能保证用水单元内规定的地势最高的“用户连通管”内的自来水有一定的压力和流速而不冻结的条件下，自来水通过“出水输送管道”上端出水口能流出的最高的地势高度，即为加压泵站建设的地势高度。加压泵站建设的地势高度至少比用水单元内规定的地势最高用户的用水高程高出4米左右，保证最高用户的给水压力、并有一定的流速。在“出水输送管道系统”中设置加压泵站的目的是，在寒冷冰冻季节，在用水高峰期在“出水输送管道系统”内自来水经加压泵加压后通过“出水输送管道系统”中的出水口流入高位水池，以保证单元用户连通管内的水流动而不冻结。
6.设置“出水输送管道系统”中的加压泵站的方法有两种，第一种方法是对管道直接加压，但做起来麻烦，第二种方法是在加压泵站设置的前面位置把“出水输送管道”分成两支，第一支管道直接连接高位水池，第二支管道进入加压泵站后再连接高位水池，并在加压泵站前设一阀门或电动阀门，在寒冷冰冻季节，在用水低峰期，关闭阀门，让自来水从第一支管道直接进入高位水池；在其他时候，打开阀门，让自来水经加压泵站加压后进入高位水池，以节约用电。第二种方法优于第一种方法，便于实施和操作。
7.“用户连通管水龙头”即用户取水点连接在“用户连通管道上”，其开关尽量靠近“用户连通管道”内壁，以减少“用户连通管水龙头”冷冻的长度。“用户连通管水龙头”在打开时可看着是“用户连通管”上的一个分流点。
8.用户热水器、洗衣机等生活设施通过“用户连通管水龙头”连接在“用户连通管道“上，并在热水器、洗衣机等生活设施与“用户连通管水龙头”之间地势最低的位置增设一放水开关，目的是这些生活设施在使用后立即放掉这些设施内及其与用户水龙头之间的连接管内所有的水，避免这些生活设施及其连接管冻结。
全文摘要
利用连通器原理可防止冬季高原地区和寒冷地区用户给水管冻结。根据城市大小和地形条件把城市给水区划分为若干单元，把距离较近、地势高度相接近的用户划在同一个用水单元内，把每个单元的给水管网做成一个连通器，其管网系统由给水配水干管(网)、出水输送管道系统、用户连通管道组成，给水配水干管(网)、出水输送管道系统构成连通器的上端，用户连通管道为连通器的中间连通管道。给水配水干管(网)的自来水在压力作用下通过用户连通管道把水压入“出水输送管道系统”，使得用户连通管道内的自来水有一定的速度流动而不会冻结。用户连通管道，其首端连在城市配水管道上，末端连在出水输送管道上，用户热水器等设施就连接在这用户连通管道上。
文档编号E03B7/00GK1773030SQ200410081209
公开日2006年5月17日 申请日期2004年11月10日 优先权日2004年11月10日
发明者雍尚平 申请人:雍尚平