对压力区中的水压进行闭环或开环控制的方法和系统及其执行装置和操作装置

摘要

对压力区中的水压进行闭环或开环控制的方法，按照所述的方法，在取水站（2，2a）上检测到取水或者故障之后，至少根据取水站（2，2a）的大地高度（9），采用对取水站（2，2a）供水的供水泵（4）的泵驱动转速进行闭环或开环控制的方式，调整相应取水站（2，2a）的最大允许供水压力给定值使得流动水压力适应于该取水站（2，2a）；其中，如果检测到在至少另外一个取水站（2，2a）上取水的情况下，将新的供水压力调整为已检测到正在取水的该另一个取水站（2，2a）的最大允许供水压力给定值；而且，如果之前没有检测到取水，在至少另一个取水站（2，2a）上检测到故障的情况下，则将新的供水压力调整为已检测到故障的所有取水站（2，2a）的最低供水压力给定值；也可分别至少根据相应取水站（2，2a）的大地高度（9）采用对取水站（2，2a）供水的供水泵（4）的泵驱动转速进行闭环或开环控制的方式调整新的供水压力；以及一种基于上述方法的系统，包括相应设置的计算机系统和相应操作的计算机程序，必要时存在于数据载体或载波信号上。

说明书

本发明涉及一种对压力区中的水压进行闭环或开环控制的方法和系统及其执行装置和操作装置。

出于安全或者技术方面的考虑，在高层建筑中通常按标准要求限制工作用水消耗装置（例如消防水龙或者自动喷水灭火器）上的最大水压。

如果给高度为 120 m 的第 40 个楼层中的消防水龙准备供水压力，那么出于（例如消防员）操作安全方面的考虑，在取水时地下车库中的最大动水压力同样不可超过 8 巴（Bar）。 出于保护消防员的考虑，将 80 MPa（8 巴）压力规定为最大合理极限值。尽管多年以来已按照标准（DIN 1988）从消防设备中去掉了这些减压阀，但是以往通常使用减压器来限制消防水龙上的压力。

根据申请时公认的技术规范，已知有以下两种不同类型的设备可以限制最大压力：

- 第一种类型是将建筑物划分为多个水压区， 这里可以给所有 10 个楼层敷设独立的管道，分别通过单独的增压设备给这些管道供水。 在附件 1 中的2008 年出版的 DIN EN 1988-500 标准草案中即可找到根据现有技术的设计方案，即设计方案B。

-   第二种设备类型是通过立管给建筑物供水， 通过压力调节器和/或者减压器保证最大供水压力。 在附件 1中的上述 DIN EN 1988-500 标准草案中可找到根据现有技术的设计方案，即设计方案 C 和/或者设计方案 D。

但是这两种类型均有缺点：现有技术的第一种类型由于需要准备多个立管和增压泵，如果不能超过规定的最大压力，就需要很高的材料和技术费用，这就使得这些设计方案非常昂贵。在第二种类型中，压力调节阀和/或者减压阀非常敏感，从而可能会使供水受到威胁。 因此将其用于消防水设备中很有争议，应当避免使用（参考 DIN 1988）。

基于这种情况，希望能够开发出一种设备，该设备一方面给高层建筑物中每个楼层的工作水和/或者消防水设备提供所希望的或者所需的压力，但另一方面也可在不使用压力调节器和/或者减压阀的情况下，仅仅利用一根立管和一个泵设备按照相应的压力极限提供所需的压力。

按照现有技术的一种设备中的解决方案（参考 G?tsch、Enrico 于 2009 年5月6日在网上发表的高楼饮用水分离站控制类型，网址："http://www.gep-h2o.de/service/fachbibliothek/fachbeitrag-detail.html?beitrag_id=87"），在单路控制情况下触发消防水模式时采用针对每个楼层保存的某一供水压力，该供水压力可在所需的取水点提供所需的动水压力：大致需要 4.5 巴。 当第 20 个楼层中触发消防水报警时，泵必须产生例如 15 巴的供水压力，才能在第 30 个楼层上达到所需的 4.5 巴。 反之当操作地下车库中的消防水龙时，泵仅需产生例如 5 巴的供水压力，即可达到相同的动水压力。相应的值被保存起来，并且在某一楼层上触发报警的情况下仅需查询该楼层的值。实际中可通过变速泵实现这一点，譬如可采用具有变频三相交流电机驱动的泵。

但是这种做法也有与上述做法一样的明显缺点，如果在第 20 个楼层中进行灭火，那么在地下车库中就要同时存在 15 巴的供水压力。 之后如果在地下车库中出现火灾，那么这里就会大大超过 8 巴的最大允许动水压力。

除了该问题之外，在此类设备中还有故障检测问题。在取水站上检测到故障（通常是相应取水站的信号线断线或者短路）应导致将供水压力调整或调节到相当于该取水站最大允许动水压力的水平，因为在这种情况下必须尽可能考虑到针对某一报警信号（即取水）向该取水站提供相应的最大允许供水压力。这是有道理的，因为只有当火灾被（烟感探测器）检测出来之前可能已经侵袭导线以及取水站的信号线时，才要在火灾情况下尽可能首先进行这种故障检测。因此这种故障检测表示可能存在火灾情况的证据，可能要以相应调整压力的方式使得消防水供应系统对此有所准备，从而使其能够在随后触发报警的情况下立即利用相应的供水压力做出反应。

现在仍然存在的难题是，调整或调节水压，以使得一方面在触发报警、也就是在取水情况下有以上所述与高度相关的充分（但也是最大允许的）供水压力可供使用，但另一方面也要根据故障检测结果（尤其是根据断线和/或者短路识别结果）保证以前瞻性方式调整压力。之所以很难做到，是因为相应的结果也有可能相互有关。如果已经在第八个楼层中探测到火灾或者这里的消防水系统已经发出报警，则已经在第八个楼层上导致了取水，那么当火灾侵袭到信号线时，完全可能在其它楼层上引起故障检测。

因此就以上提及的 G?tsch 于 09 年 5 月 6 日公布的现有技术背景而言，本发明的任务在于提供一种对压力区中的水压进行闭环或开环控制的方法和系统，其中，即使在不同楼层上按照最大动水压力极限同时取水的情况下也能使用成本低廉的单路设备，并且一方面能以力求遵守最大压力极限的方式保证尽可能高的灭火安全性，但另一方面也能以检测故障、尤其以识别断线或短路的方式对水压进行预防性调整。

采用权利要求 1 所述对压力区中的水压进行闭环或开环控制的方法，即可解决这一任务，所述方法与以上提及的 G?tsch 于 09 年 5 月 6 日所公布的方法一样，在取水站上检测到取水或者故障之后，至少根据取水站的大地高度采用对取水站供水的泵的泵驱动转速进行闭环或开环控制的方式，调整相应取水站的最大允许供水压力给定值使得动水压力适应于该取水站，但是本发明的特征在于，

-   在至少另一个取水站上检测到取水的情况下，

将新的供水压力调整为已检测到正在取水的另一个取水站的最大允许供水压力给定值，

-   如果之前没有检测到取水，在至少另一个取水站上检测到故障的情况下， 

将新的供水压力调整为已检测到故障的所有取水站的最低供水压力给定值。

也可分别至少根据相应取水站2、2a的大地高度9采用对取水站2、2a供水的供水泵4的泵驱动转速进行闭环或开环控制的方式调整新的供水压力。

如果检测到另一个取水，则将新的供水压力调整为另一个取水站的最大允许值。

反之如果继续检测到故障（例如断线、短路）并且之前没有发现（检测到）取水，则将新的供水压力调整为已检测到故障的所有取水站的最低供水压力给定值。

在这种情况下可将新的供水压力调整为已检测到故障的最低位置取水站的最大允许供水压力给定值。如果在第 50 个楼层、然后在第 4 个楼层、然后在第 3 个楼层中检测到故障，之前没有在任何一个楼层中检测到取水，并且每个楼层中的目标动水压力为 4.5 巴，则可按照本发明所述适当调整供水压力，使其在第 3 个楼层上产生 4.5 巴的动水压力，并且在其上面的楼层上产生比较小的动水压力。以这种方式可以在所述的实施例中操作消防水设备，从而可在地下车库中出现火灾时设定泵驱动装置的转速给定值，使得泵仅仅产生能够在地下车库中形成 8 巴动水压力而不是产生 15 巴动水压力的压力（供水压力）。在此要有意识地考虑到用于灭火的动水压力在较高的楼层中下降。后来的取水地点优先于之前的取水地点，因为在实践中应考虑到从之前的取水地点到后来的取水地点期间灭火已经转移，现在应通过重新调整水压来保证灭火安全性。

本发明所述的方法也能保证因为检测到故障而对水压进行前瞻性调整，方法是对首先发现了故障的取水地点的水压进行调整，因为要考虑到这里或者附近可能存在火源，并且要考虑到最有可能在这里进行灭火，也就是取水。

触发报警也就是取水始终优先于按照故障检测结果调整水压，因为在取水地点应有最大允许动水压力可供用来尽可能有效扑灭火灾。

可以设定泵驱动装置的转速，将泵的特性曲线保存在用于执行本发明所述方法的计算机系统的存储器之中，从而可针对任何设定供水压力确定相应的转速。在该情况下不需要使用独立的传感器来测量泵压，也就是供水压力（= 压力区的工作压力）。但是也可以选择借助于压力传感器来测量供水压力（即通过泵在压力区中产生的压力），并且可将泵驱动装置的转速给定值作为调整水压的控制变量。

优选地，不仅仅根据大地高度，而且也根据管道摩擦损失来调整供水压力，譬如可以校准水分配设备，并且对每个楼层所保存的供水压力值中找到的值加以考虑。

可以用不同的方式和方法来检测其中某一个取水站上正在取水，譬如可以借助于一种可在手动操作取水点时触发的测量元件，或者采用一种可在达到和/或者超过一定的水体积流量时触发的测量元件。 也可以检测取水站上的故障，也就是取水站的相应测量元件的故障，譬如短路或者断线故障，可以使用常闭触头替代常开触头。

如果要满足 DIN 14462 标准的要求，则必须逐一检查所有测量元件是否断线、短路和触发报警：譬如手动操作某个取水点或者达到和/或者超过一定的水体积流量。

可以如常见的方式一样，利用一种调速（更准确的说是无刷的）直流驱动电极作为泵驱动装置，对泵（更准确地说是泵驱动装置）的转速进行开环或闭环控制。但是目前通常优先采用变频交流驱动电机作为泵驱动装置。

采用本发明所述对压力区中的水压进行闭环或开关控制的方法，可以针对压力降低的情况来调整供水压力，（至少也可）采用以下方式：使得执行器或者调节器最好是排水阀一直保持开启或者使得降压泵一直持续降压，直至达到或者低于新的供水压力。

关于解除本发明所述的对压力区中的水压进行闭环或开环控制的方法，应注意在停止所有取水检测并且停止取水站上的所有故障检测之后，将供水压力调整为相当于压力区中所有取水站最大允许供水压力（通常为最高位置取水站的最大允许供水压力）的给定值。如果建筑物有20个楼层并且第20个楼层的最大允许压力为20.5巴，则在停止所有楼层中的所有检测（故障检测以及取水检测）之后将压力区中的供水压力调整到20.5巴备用压力，这样在最为不利的情况下，譬如在第20个楼层中发生火灾，就会在这里的取水点上立即有充分的动水压力可供使用。

本发明这里所述的方法在那些使用特别长立管的情况下（高楼大厦）可能会变得有问题，因为对于远在下面的管道部分而言，立管中的压力将会由于水柱而变得相当高。这种情况下很难借助于排放阀迅速降低管道中的供水压力来达到最大允许动水压力，因为水柱的下降（肯定要使用成本不菲的排放阀）可能会持续一段时间，这对于下方区域而言有可能太长。在具有多个压力区的传统型系统中通常不会出现该问题，因为这里可将建筑物划分为不同的压力区，从而限制了各个立管的高度。

因此在本发明的情况下，可以用一种减压装置来执行本发明所述的方法，该减压装置经过设计，使得供水管也就是立管具有至少一个止回阀，该止回阀可在从水压源向上指向取水点的水流方向开启，并且在相反方向仅差不多闭合，因为该阀具有一个经过设计的开口，使得水可以在重力作用下在与上述流动方向相反的方向通过，以使得位于止回阀后面的供水管区域（在向上流动方向观察）在止回阀闭合时不会受到超出重力引起的压力之外的压力的作用。水的压缩系数很小（在 20 °C 温度下为0.00021 m3/m3 K），阀中直径不大于10 mm、特别优选不大于5 mm 的小圆孔就足以使得水在重力作用下回流，从而以极快的速度降低压力。如果并非将开口设计成圆孔，也就是没有将其设计成钻孔，则以（大致）等于圆孔面积的其它几何形状开口横断面面积替代以直径表示的开口尺寸。

如果水管（也就是立管）比较长，则可以采用本发明所述类型的多个相隔一定距离的止回阀，通过这些止回阀限制相应分段中由于管内水柱引起的压力，因为这些阀仅仅在重力产生的（回）流方向具有很小的开口。

仅为了完整性起见，应该提及的是本发明在这里所述的减压装置并非仅可与本发明这里所述的方法及其执行装置一起使用，而是也可独立表示用于在液体输送管道中、尤其在立管中进行减压的独立发明，因为可以单独或者相隔一定距离依次成排布置在管道之中，可以在管道中实现快速降压，也没有很高的液体（尤其是水）排出体积流量。

以上本发明所述对压力区中的水压进行闭环或开环控制的方法的所有实施方式均可在经过相应设置的计算机系统上运行，所述计算机最好具有用来控制执行器的接口（这里是设定泵驱动装置的转速给定值），并且/或者具有用来读入测量值或者传感器状态的接口（这里是诸如压力传感器、水流量计或者取水阀传感器）。本发明所述的方法也可以作为可下载的计算机程序，譬如存在于数据载体或者电子载波信号上。

可以借助于这种计算机系统和相应的测量元件和/或者执行机构（执行器和/或者传感器）构建一种根据本发明所述对压力区中的水压进行闭环或开环控制的开环或闭环水压控制系统，所述控制系统具有一个如前所述设置的计算机系统，并且还采用在取水站上检测取水或故障的检测器，通过用来连接一个检测器或者多个检测器的接口将其连接到计算机系统。此外在这种系统中还采用一个给取水站供水并且具有泵驱动装置的泵，可以通过用来输出转速给定值的接口设定泵驱动装置的转速，计算机系统通过用来输出转速给定值的接口与泵驱动装置相连。本发明所述的系统也最好具有一个压力传感器，该传感器可测量相应的供水压力（也称作泵压力），也就是测量泵在压力区中引起的工作压力。

本发明所述的闭环或开环水压控制系统最好用来对尤其是至少一个居留空间的地板位于（高楼周围）地面上方 22 米以上的高楼中的工业用水和/或者饮用水供应水压进行闭环或开环控制。所述高楼特别优选只有唯一一个用于供水的压力区，也就是只有唯一一个工业用水供水立管和/或者唯一一个饮用水供水立管。但不可不提及的是，在具有多个压力区的（特别大的）建筑物之中，如果建筑物对于唯一一个压力区而言太大，也就是当必须在较低楼层中的取水点上的压力不会变得太高的情况下，相互并行供水的两个楼层之间的距离变得太大的时候，也可以使用本发明所述的系统（与本发明所述的方法一样）。在这种情况下，本发明能够减少压力区的数量，因为本发明可以设置该数量，从而恰好可以给两个不同的楼层相互并行供水，且较低楼层上的压力在取水点处不会变得太高，或者较高楼层上的压力不会变得太低。

尤其在高楼中特别优选使用本发明作为消防水供应水压的闭环或开环控制系统。在这种情况下，高楼的消防水网络也可以只有唯一一个压力区。如果压力仍然变得太大，那么这种使用情况下也可以将本发明至少用来减少压力区的数量，这与上述用于工业用水和/或者饮用水供应的情况一样。

以下将根据附图描述一种具体实施例，但本发明不应局限于该实施例而理解。 附图如下：

附图 1是一幢只有一个消防水压力区的50 层高楼的纵剖面示意图，其中使用了本发明的一种实施方式，

附图 2是一个具有一种根据本发明所述的减压装置实施方式的立管的纵剖面图，以及

附图 3是一个具有另外一种根据本发明所述的减压装置实施方式的立管的纵剖面图。

附图 1 是一幢只有一个消防水压力区的50 层高楼的垂直纵剖面示意图，其中使用了本发明的一种实施方式，高楼 1 具有一个含地下车库 T 的地下层和 50 个楼层 OG，没有逐一绘出其中的所有楼层。

在各个楼层 OG 上均有取水站 2，这些取水站均连接到唯一一个共同的水管路 3、3a（作为立管 3 通向上面的楼层 OG），通过该管路从位于地下层中的泵 4 给取水站 2 供水。 泵 4 具有一个转速可调的泵驱动装置，计算机系统 5 可以通过用来输出转速给定值 6 的接口对该泵驱动装置进行控制。 此外计算机系统（计算机）5 还通过一个接口连接到用来在取水站 2、2a 处检测取水的检测器 7上。 通过信号线 8、8a 将该接口 7 与取水点 2、2a 上的相应检测器相连，从而能够将检测器的触发信号发送给计算机系统 5。 最好将这些信号线 8、8a 呈星形连接到计算机 5，尤其是最好监测这些信号线是否断线和/或者短路，例如可以使用相应的线路监测模型（一种包含电阻网络的模型，例如 Walluszek GmbH, 01591 Riesa 公司的线路监测系统）。 优选将呈星形从计算机 5 通向检测器的信号线 8、8a 尽可能共同敷设在一根电缆束之中或者将其相邻铺设在同一个电缆桥架上，使得某一地点的火灾大致同时侵袭信号线。如果发生这种情况，将会检测出所有的导线均是短路和/或者断线，也就是检测出一个故障。 按照本发明所述，这将会导致将供水压力（只要之前没有检测到取水）调整为已检测到故障的取水站的最低水压给定值。 如果例如在第二和第三个楼层 2.OG、3.OG 之间起火，那么在短时间后，第二个楼层 2.OG 上方的所有信号线 8 都将会发出产生故障的信号，因为这里的火灾将会侵袭所有这些导线，然后要么导致短路要么（之后）甚至断线。反之，第一和第二个楼层 1.OG、2.OG 的导线则仍然保持无损伤。此时，根据本发明所述方法运行的计算机 5 可以适当调整供水压力，使其等于供水压力给定值，该给定值相当于已检测到故障的取水站的最低水压给定值。已检测到故障的取水站的最低水压给定值在这种情况下就是第三个楼层 3.OG 的水压给定值。 这样供水压力被调整到该值，然后就可以供这里的消防作业使用。 除了传统的星形信号线敷设与常见类型的断线/短路监测之外，自然也可以选用现代化的总线系统，该总线系统具有例如定期通过总线向控制中心、也就是向计算机 5 发出准备就绪信号的有源信号检测器和/或者其它有源信号元件。 如果在某一固定的设定时段之内缺少这种准备就绪信号（类似于安全按钮开关），则该位置存在某个故障，例如断线、短路或者信号检测器失灵。 此外如果通过另外的第二个信号总线在另一个独立的、也就是设置在其它空间路径上的线路中将信号检测器连接到控制中心，那么就能以很高的概率区别是否是该线路产生故障（断线或者短路）或者是检测器产生故障。 如果检测器仅仅在两个信号线的其中一个信号线上登录，则另一个线路有故障；如果在两个空间分开设置的线路上均没有登录，则检测器本身很有可能存在故障或者检测器的周围环境中存在故障事件（譬如火灾）。

在地下层中也设有一个取水站 2a 在地下车库 T 之中。计算机系统 5可通过按照本发明所述的方法进行相应的编程，根据本发明对高楼 1 的消防水设备进行开环或闭环控制。

在触发消防水模式时采用针对每个楼层保存供水压力（也称作泵压，也就是泵在压力区中产生的水压），该供水压力在所需的取水点 2、2a 提供所要求的动水压力 - 大致要求 4.5 巴。 此后如果在第 50 个楼层 50.OG 中发出消防水报警，则泵 4 必须产生例如 20.5 巴的供水压力，以便在第 50 个楼层 50.OG 达到所要求的 4.5 巴压力。 反之如果在地下车库 T 中操作消防水龙 2a，则泵 4 只要形成例如 5 巴的供水压力，以便在这里达到同样的 4.5 巴动水压力。 相应的值被保存起来，并且在某一个楼层 OG 发出报警的情况下仅仅通过计算机 5 在存储器中（内存和/或者大容量存储器）查询该楼层的值，然后借助于转速值对泵 4 进行相应控制，或者如果已经存在较高的压力，则开启排放阀 11，直至达到或者（恰好）低于压力，然后重新使得泵达到所需转速值。

此时，如果在第 50 个楼层 50.OG 出现火灾事件之后导致地下车库 T 中随后出现火灾事件，那么这里将会大大超过 8 巴的最大允许动水压力。

这时可以采用本发明，不仅能在检测到取水之后将相应取水站 2、2a 上的动水压力调整为该取水站 2 的最大允许水压给定值，另外可根据第 50 个楼层 50.OG 中取水站 2 的大地高度 9 对通过立管 3 给取水站 2 供水泵 4 的泵驱动装置转速进行闭环控制的方式进行调整；此外也能在另一个取水站 2a（这里是在地下车库 T 中）检测到取水的情况下调整动水压力使之适应于已经检测到（另一个）取水的取水站 2a 的最大允许值，也可（至少）根据相应取水站 2、2a 的大地高度采用对泵 4 的转速进行闭环控制的方式进行调整，以及/或者通过排放阀 11 进行调整，以及/或者通过降压泵（也就是采用调整供水压力的方式）进行调整。

这里最好采用一个蝶形止回阀形式的止回阀 10，该止回阀可从水压源向上指向取水点的水流方向开启，并且在相反方向仅差不多闭合，因为该阀具有一个经过适当设计的开口，使得水可以在重力作用下沿与上述流动方向相反的方向通过，以使得位于止回阀后面的供水管区域（在向上流动方向观察）在止回阀闭合时不会受到超出重力引起的压力之外的压力的作用。 因此在第 50 个楼层 50.OG 中建立起取水站的供水压力之后，可以借助于一个简单的排放阀将供水压力降低到地下车库 T 的水平，不必使用具有很大横断面的昂贵工业用阀。

这样就能适当操作消防水设备，从而可在地下车库 T 中出现火灾事件时适当设定泵驱动装置的转速给定值，使得泵 4在地下车库 T 中仅仅产生 8 巴而不是 15 巴的压力。在此有意识地考虑到第 50 个楼层 50.OG 中用于灭火的动水压力下降，因为在某一时刻通常只有一个灭火地点。

附图 2 所示为一个具有一种根据本发明所述的减压装置实施方式的立管的纵剖面图。 立管 3（供水管）具有一个止回阀 10，这里是一个可以沿着导向装置 12 在水管 3 的轴向方向在一定范围内运动的盖板 13，该止回阀可从水压源向上指向取水点的水流方向 14a 开启，因为可通过供水压力迫使盖板 13 向上朝向支柱 12b 运动，从而将朝向该方向的管道 3的分段闭合，并且在盖板将处在该方向中的管道部分完全遮盖的相反方向 14b 处仅几乎闭合，因为采用了一个经过适当设计的开口 15，使得水可以在重力作用下在与上述流动方向 14a 相反的方向通过，以使得位于止回阀 10 后面的供水管 3 区域（在向上流动方向 14a 观察）在止回阀 10 闭合时不会受到重力引起的压力之外的压力的作用。

附图 3 所示为一个具有另一种根据本发明所述的减压装置实施方式的立管的纵剖面图。 这里也可看到一个供水管 3（这里同样也是立管），该供水管具有一个止回阀 10，该止回阀可在从水压源向上指向取水点的水流方向 14a 开启，即借助于一个可以围绕轴 12c 摆动的阀片 13a，这里也最好朝向支柱 12b 压迫阀片，使其至少开启 90°以上，并且可通过水压使其始终保持闭合，并且在相反方向 14b处，通过向下流出的水向下压迫没有完全垂直开启的阀片 13a，并且因此而仅差不多闭合。因为有一个经过适当设计的开口 15，使得水可以在重力作用下在与上述流动方向 14a 相反的方向通过，以使得位于止回阀 10 后面的供水管 3 区域（在向上流动方向 14a 观察）在止回阀 10 闭合时不会受到重力引起的压力之外的压力的作用。