建筑给水系统的节能与优化

　　【摘要】比较两种不同的供水方式能耗的情况，通过试算分析高层建筑供水系统的经济合理的供水方式，讨论可知目前的供水方式都各有利弊，提出建议选择水泵水箱联合供水方式，还有目前正处于研究阶段的无负压供水等供水方式的优化组合。所得结论给既有建筑的改造和新建建筑的给水设计工作提供了一些参考依据。
　　关键词：高层建筑，供水系统，节水，节能
　　1引言
　　目前国内主要应用的供水方式共有三类八种。主要有水泵-水箱联合供水方式，变频供水方式，变频泵加水箱供水方式等。其中每类供水方式又根据并联，串联，上行及下行分成不同的种类。在实际应用中通常是这几种供水方式联合使用，设计中还要根据具体建筑的类型，用途，具体要求以及层高，同时考虑市政管网的压力状况等多方面因素，优化选择供水方式，不能凭空的说那个建筑就改用那种供水方式，实际的设计工作是需要大量的调研与比较而得出选择方式，这是个复杂的过程。在本文中，主要讨论水泵水箱联合供水方式与变频恒压供水方式，是种极端假设的讨论方法。
　　2水泵-水箱联合供水方式与变频恒压供水方式
　　2.1水泵-水箱联合供水系统
　　上世纪90年代中前期的建筑给水设计普遍采用水泵-水箱联合供水方式，见图1。水泵水箱联合供水，必须要有解决水质二次污染的方法，保证供水水质。常采取的措施有：（1）生活水箱和生活水池都宜采用先进的防污染水箱；（2）屋顶水箱出水前可设置过滤消毒水处理装置使系统供水满足生活饮用水标准；（3）生活用水与消防用水的地下储水箱及高位水箱宜分开设置。
　　
　　图1建筑物二次供水示意图
　　2.2水泵变频调速供水
　　该供水方式仅需设地下水池1座、变频调速设备1套，不需再设屋顶水箱。设备由变频控制柜和1个水泵机组组成。水泵机组在通常状况下只有1台水泵变频运行，其余在工频状态或停机状态。处在变频状态下的水泵根据流量大小调节电机转速，从而保证供水系统压力恒定。变频调速供水系统占地面积小、自动化程度高，节省管理费用。该供水方式最大的优点是取消了屋顶水箱，在一定程度上减轻了水质的二次污染[28]。
　　3变频供水与水泵-水箱联合供水的方案比较
　　最近变频调速恒压供水装置在新建高层建筑中的应用越来越广泛，但是也出现很多令开发商和物业管理公司头疼的问题，逐渐对这一技术产生了怀疑，主要原因是加压电费过高和容易产生噪音。
　　3.1计算模型
　　设工程条件为：一栋8层住宅楼，共128户。1-4层由市政自来水直接供水，5-8层采用二次加压供水。住宅层高为3米，底层室内外高差为0.6米，每户居住5人，用水量标准按qd=150L/人。取时变化系数Kh=2.5，每户卫生器具当量数Ng=10(为便于计算，暂不考虑消防用水）。根据上述条件可知，该栋住宅4-8层需加压供水的最大日用水量为：
　　
　　最高日最大时用水量为：
　　
　　给水设计秒流量（由总当量数查表可得）。
　　3.2方案比较
　　（1）定速泵-高位水箱联合供水方式
　　水箱容积按最高日最大时用水量的50%计算，V=2.5m3，选用3m3标准水箱，其尺寸长×宽×高=2000×1400×1400mm，水箱最低水位标高Hmin=25.6m，最高水位高Hmax=26.6m，选用40LG6-15×2水泵二台，其性能参数为：Q=6m3/h，H=30m，N=2.65kW。
　　由公式（1）计算水泵最大日耗电量：
　　
　　W1=NT=2.65×4812×2=21.2kWh
　　上式中T为水泵最大日工作时间（h），T=Qd/Q=48/12=4h
　　（2）变频调速恒压装置供水
　　由于生活用水的不均匀性，在采用变频调速供水设备时，若系统没有流量调节装置，水泵装置应按满足系统设计秒流量的需要来选择，本工程系统设计秒流量为qg=5.5L/s，选择40LG6-15×2水泵三台，三台泵并联工作时，满足秒流量qg=5.50L/s的要求。分析全日用水曲线，用水一般都集中在早晨6-8时，中午11-13时，下午17-19时，晚上22-24时这8个小时，为用水高峰，而0点至6点这6个小时用水量很少，为用水低峰，其它10个小时为供水中峰。
　　为简化计算假定变频泵（由变频器驱动的水泵）在供水高峰和供水中峰期间均运转在额定负荷的60%，而在供水低峰期间则运转在额定负荷的80%，工频运转的水泵可近似看作额定负荷下工作。平均每天耗电计算：
　　供水高峰耗电W1＝（2.65kW×0.6＋2.65×2kW）×8＝55.12kWh。
　　由上面的例子可以看出，对于单一的水泵水箱联合供水比单一变频恒压供水要节能许多。因此，变频调速恒压供水方式比定速泵-高位水箱联合供水方式节能的说法是不合理的。
　　3.3变频供水方式的缺点
　　与水泵-水箱联合供水相比，除了运行费用高和不节能之外，变频供水还有以下几个缺点：
　　（1）占用更多的有效建筑面积
　　变频供水方式中水泵、控制柜本来就要占用一定的建筑面积，而且在中小城市一般不允许生活水泵直接从市政给水管网上吸水，需设置生活水池供生活水泵吸水，生活水池占用的建筑面积有时是相当大的。
　　（2）供水的可靠性差
　　采用变频供水方式，一旦停电或者生活储水箱清洗，则依靠变频供水的高区用户将全部停水。而且相对于水泵水箱联合供水来说，变频供水系统的组成比较复杂，不仅有储水箱、水泵，还有变频控制柜，组件多，损坏的几率也大，尤其目前国产变频器的质量稳定性并不高，当变频器失灵时可能使水泵不工作，大大降低了供水的可靠性。
　　（3）给水系统的技术要求高
　　变频供水系统较为复杂，水泵、变频器的安装、维护较麻烦，尤其是国内的变频技术还不是很成熟，供水压力的设定也很复杂，若压力设定太低，用水点的压力不足，若压力设定太高，使给水管网处于超压状态，易造成管道和设备的损坏，也使用水点的流量增加，压力设定太高也浪费电能。
　　（4）同样存在二次污染的风险
　　虽然变频供水系统取消了高位水箱，但是由于设有地下储水池，同样存在二次污染的问题。
　　（5）减少给水配件的使用寿命
　　变频供水系统普遍采用的是恒压变量供水，即根据水泵出水管上的压力波动来调节水泵的流量，水泵出水口的压力是恒定的，此压力为用水高峰时流量达到设计秒流量时给水系统所需的压力[25]。
　　（6）设备和管道的投资费用高
　　变频供水中水泵和管道投资一般大于水泵-水箱联合供水系统中水泵和水箱的投资，又变频泵供水水泵的台数一般多于2台，且要配置价格昂贵的变频器，其总投资远远大于水泵-水箱联合供水系统。
　　（7）对环境的影响
　　变频供水中水泵运行时振动，并容易产生噪音干扰，水泵的振动不仅对工作环境和人身健康有影响，而且对建筑结构、设备仪表的正常工作造成危害。
　　3.4水泵-水箱联合供水存在问题的对策
　　由以上所讨论的内容可以得出以下结论：在现有技术和条件下，高层建筑中采用变频供水取代水泵-水箱联合供水技术上是不合理，也是不节能的。高层建筑中最节能的给水方式还是传统的水泵-水箱联合供水。当然该供水方式也存在一些问题，但现在已经有比较成熟的技术来解决。下面即是存在的问题及可以采取的措施：
　　（1）水箱重量大
　　城市现用的水箱多是铸铁或钢筋混凝土水箱，重量较大，现在厂家已经生产出不锈钢、玻璃钢水箱、搪瓷钢板水箱等等，这些水箱重量轻，质量好，组装方便，极大的减轻了屋顶负荷。
　　（2）供水系统存在二次污染的问题
　　①加强屋顶水箱的管理
　　为了保证屋顶水箱出水水质，需要加强屋顶水箱的管理，应对屋顶水箱建立专门的检修机构，对屋顶水箱进行定期清洗、消毒、维护管理，阀门坏了需及时更换，以最大限度地保证用户安全、健康地用水。
　　②采用新型水箱
　　铸铁或钢筋混凝土水箱由于表面粗糙、密封性能差、不易清洗等，所以容易滋生细菌.而现在出现的不锈钢、玻璃钢等水箱，有排污装置，不滋生细菌、青苔，不易生锈，密封性能良好，可确保用水质量，且不易产生二次污染。
　　③对屋顶水箱中的水进行消毒
　　屋顶水箱出水前可设置过滤消毒水处理装置以保证系统供水满足生活饮用水标准。目前有加氯消毒系统和紫外C消毒设备两种可以选择[37]。
　　（3）顶层压力不足
　　顶层压力不足可以将水箱的位置适当抬高，如设在电梯机房顶上；并且要正确选择合适的加压装置。
　　（4）高位水箱影响美观
　　高位水箱放置在顶层有时会影响立面效果，可以与建筑专业配合选好水箱的位置，必要时可采用装饰进行遮挡；还可以选用球形等新款式的水箱，这样不仅解决了影响美观的难题，还为建筑物增添一道风景线。
　　4结论
　　在目前各方面的综合考虑之下，水泵-水箱联合供水方式是高层建筑的最适选择，但其还是存在一些不易彻底解决的弊端，比如增加土建投资，能耗浪费和有水质二次污染的风险。这无论从工程建设、运行管理、供水的可靠性，技术含量等方面来考虑，都不是经济合理的。近年来又一新型的供水设备出现——无负压变频恒压供水，该系统与传统给水设备的最大区别是引水方式的不同。无负压变频恒压供水系统的水泵是直接连接在市政管网上，充分利用市政管网余压，节能效果好，不需要建造蓄水池，直接与市政管网连接，没有水质的二次污染。无负压变频恒压供水有着水泵-水箱联合供水和普通变频恒压供水不可比拟的优势，有很大的节能潜力，在人们对水质要求越来越高，并且更加注重节能的社会，是未来高层建筑供水方式的发展方向。
　　无负压变频恒压供水是在变频恒压供水设备上发展起来的，它主要由无负压调节罐、水泵、气压罐、智能控制系统等组成，系统如图2所示。作为一种新型的供水方式，叠压供水较传统的供水方式有它独到的特点和优势：水质安全、卫生；充分利用原有管网的压力节能；设备管理方便、简单；投资少、运行成本低；施工周期短，安装简单；占地面积小，检修方便。
　　
　　图2无负压变频恒压供水系统图
　　参考文献
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