时间：2013-11-29 分类：水力
摘要：近年来，我国水资源浪费越来越严重，为此，进行全面节水是缓解水资源短缺的重要途径之一，也符合我国资源持续利用、经济和社会可持续发展的一项战略任务。本文结合实际工程应用中存在的问题，分析了在建筑给水设计中与节水节能相关的若干技术问题。
关键词：建筑给排水 节能节水 叠压供水 倒流防止器 减压阀
能源供应紧张、缺水是一个全球性的问题，能源紧缺、能耗大不仅制约经济发展，也对人民生活构成威胁。对于建筑给排水专业来说，节能节水措施尤为重要。近年来，对于给排水专业在节能中的作用及普遍存在的问题，越来越得到重视。2010年颁布了《建筑节水标准》(GB50555-2010)，明确了民用建筑设计标准，要求提高水资源的利用率，在满足用户对水质、水量、水压和水温的要求下，使节水设计做到安全适用、技术先进、经济合理、确保质量、管理方便。
作为一个建筑给排水专业的技术人员，应清醒认识到本专业在建筑节能中得重要作用，真正把节能节水放在重要位置。下面结合工程实例就建筑给排水设计中与节能节水相关的问题提出一些看法，进行分析探讨。
1. 充分利用市政管网压力
给水系统必须充分利用市政管网压力作为节能条款已写入《住宅建筑规范》和《建筑节水标准》，且均为强制性条文，在设计中应严格执行。执行此条时应注意以下几点：
1.1.尽量准确掌握市政管网水压、水量等资料。
工程实践中，往往该资料很难准确收集，前期设计时要尽早提出，从市政部门或现场实测，分析周边用水对本工程用水的影响。尽可能掌握相关的准确资料，才可能使设计的给水系统节能合理。
1.2把握节水与节材的关系。
工程设计中，为了减少立管，低层可以利用市政管网压力的区域也采用压力供水，虽然节省了部分管材，但是整个建筑采用加压泵二次供水，导致人为耗能。
1.3 在供水公司允许的前提下，合理采用叠压供水方式。
目前，叠压供水设备形式很多，设备由稳流罐、真空抑制器、压力传感器及变频供水设备和控制器组成。稳流罐与市政管网相连接，起储水稳压作用;真空抑制器根据补偿器内的压力变化自动启闭，起补气作用，平衡补偿器内的压力，使之不产生负压;控制器根据管网上的压力、流量信号等进行分析，对真空抑制器及水泵进行控制。该系统在工程应用时，应注意以下几点：
(1) 凡可能对公共供水管网造成回流污染危害的相关行业(如有医院、化工行业等)严禁设计安装。
(2) 吸水管应独立接自市政环状管网(或小区环状管网)，且供水管径必须≥150mm，市政管网管径为150mm，供水设备吸水管管径≤50mm;市政管网管径为200mm，供水设备吸水管管径≤80mm;市政管网管径为300mm，供水设备吸水管管径≤10mm。
(3) 设备安装处市政管网水压能确保在0.2Mpa以上，吸水管流速不大于1.5m/s。直接加压供水设备利用市政供水管网压力不得大于0.12Mpa。
(4) 叠压设备启动时，泵吸水口压力下降值不得超过0.02 Mpa。
叠压供水系统是否能节能，节能效果的好坏，主要取决于市政管网供水压力的稳定情况及泵组选择的合理性。设计如果采用该方式，首先应征得当地市政供水主管部门的批准，在此基础上选择叠压供水设备的扬程。有的叠压供水设备设计，为了安全供水，选泵时，其扬程未减去市政管网可利用的水压，仍按一般的变频供水泵组选泵，使水泵低效工作时间增长，违背了通过选择叠压设备达到节能目的的初衷，使节能设备实际工作中成了耗能设备。
2. 控制倒流防止器的不合理应用。
规范要求采用倒流防止器的部位。\"规范\"第3.2.5条规定，在给水管上单独接出消防用水管道时，在消防管道的起端;城市给水管直接向热水机组等密闭容器注水的进水管上;居住小区从城市给水管引两路及以上进水构成环状管网的引入管上等，需设管道倒流防止器或其他有效的防止倒流污染的装置。
用于管道交叉连接的防回流污染装置有减压型倒流防止器、非减压型倒流防止器、双止回阀、真空破坏器等。目前用于干管上连续压力水流，既可防虹吸回流又可防背压回流，有效的防止倒流污染装置只有减压型倒流防止器，这也是新的国家《给水系统防回流污染技术规程》(审批中)中强制规定的倒流防止器形成。
减压型倒流防止器是由两个相互独立的弹簧助闭弹性密封止回阀和中间减压腔内一个独立的水力差动式泄水阀构成两个止回阀组合而成。在正常水流状态下，两个止回阀被正向水压力开启，上游压力为P1，第一个止回阀产生的水头损失使中间泄水腔的压力Pi恒小于P1，其压差∆Pi使泄水阀关闭，水流正常流通。泄水阀的关阀压力∆Pi，一般欧美国家规定不小于2psi(14kPa)，此时阀组水头损失约60-90 kPa。在静压状态下，两个止回阀都被弹簧关闭，中间泄水阀被压差∆Pi关闭。如果上游压力P1降低，泄水阀将可能开启泄水除一部分水以维持压差∆Pi>14kPa;一旦上游压力P1降低至14kPa时，泄水阀将开始开启;当P1低于14kPa时，泄水阀将完全开启，将中间腔泄空，形成空气隔断或维持其最大泄流能力，从而防止虹吸倒流。当下游压力P2升高至接近或超过上游压力p1，两个止回筏都被弹簧快速关闭，防止背压倒流，万一下游止回阀密封不严，则倒流水向中间减压腔渗漏使减压腔压力升高，导致∆Pi≤14kPa时，泄水阀开启并维持足够的泄流能力，以维持减压区的存在，严格防止倒流发生。#p#分页标题#e#
非减压型倒流防止器是由双止回阀及与大气相通的泄水阀组成，没有减压腔，水头损失较小，一般30-50kPa。双止回阀仅有两个止回阀组成，中间无泄水阀，结构简单压损小，一般只有30-40kPa。真空破坏器一般只用于末端的非连续水流。
减压型倒流防止器是目前世界上最高等级的防回流控制设备，能有效防止虹吸回流和背压回流。它的最大确点是其水头损失相当大，达到60-90kPa，即使目前最新研制的一些低压损系列，其水头损失也有40-60kPa，在工程使用中还是偏大的。这是产品安全技术要求的结果，目前还不能克服，在实际应用中由此产生的水头损失会更大。首先，产品样本上注明的水头损失一般是额定流量下的出厂测试值，尽管其水头损失与流量不成比例关系，但从笔者了解的几种产品的水头损失曲线看，其水头损失随流量的增加而有所上升，尤其是超过一定流量后其上升幅度较大。另外，倒流防止器是一套机械产品，有严格的安装，检测和维护要求，阀体前后均须设隔离阀检修阀，阀前一般还需设管道过滤器，故整套阀组的水头损失会达到100kPa以上。因此减压型倒流防止器是不经济的，只有在必须时使用，不可盲目滥用。
3 供水方式及系统分区对能耗的影响
3.1给水系统的方式
多层、高层建筑中常用的供水方式可分为以下4种：
(1) 市政水源→水池→加压泵→高位水箱→用户
(2) 市政水源→水池→加压泵→气压罐→用户
(3) 市政水源→水池→变频调速加压泵→用户
(4) 市政水源→叠压供水设备→用户
3.2给水系统方式能耗的理论比较
上述4中供水方式中，前两种是90年底前的主要供水方式，第三种是近些年普遍采用的供水方式，而第四种是近几年发展很快的新的供水方式。4种方式各有利弊，后两种因为取消了部分或全部供水调节构筑物，因而能够有效的防治和减少二次污染、简化供水系统。但是从节能方面分析，第一种最为节能，因为水泵始终在高效段工作，且水泵Q按最大时选择，其值为计算变频调速泵选用设计秒流量的1/1.5~1/3。第四种方式虽然变频泵能随管网流量的变化可调频变速，比常速泵节能，但因其一天中基本不间断运行，且有部分时间在低流量、低效状态下工作，因此比高位水箱供水耗大。叠压供水按理论推测，因其充分利用了市政供水管网的余压，所以节能效果明显。但是实际应用中，它与市政供水条件、设备参数的选择是否恰当等有很大关系。气压供水设备与高位水箱供水相比，主要是不需要设置高位水箱，缺点是要提高供水压力，因此供水耗能要大于高位水箱的供水方式。
设计中采用何种供水方式，除了考虑耗能情况，还要考虑供水的安全稳定性、二次污染问题、一次投资费用、运行管理费用等，只有结合工程实际，合理的选择供水方式，才能达到安全节能的目的。
3.3 高层建筑系统分区和减压阀的设置在节能中的作用
3.3.1 分区供水压力
分区供水压力应按\"规范\"3.3.5及3.3.5A条执行，各分区最低卫生器具配水点处的静水压不宜大于0.45Mpa;静水压大于0.35Mpa的入户管(或配水横管)，宜设减压和调压设施;居住建筑入户管给水压力不应大于0.35Mpa。在工程设计中，往往控制用水点处P=0.35 Mpa就不再减压了，但从节能方面考虑，宜将水表前支管压力控制为≥0.15 Mpa。
系统的竖向分区可采用给水设备分区，也可共用给水设备竖向采用减压阀分区，或结合支管减压阀分区等，供水系统的方法需结合建筑竖向标高、建筑功能、用水量大小等综合考虑。在具体工程设计中，则需要对几种可行的系统分区方案，进行设备管网投资、运行费用、管网复杂程度等作分析比较，得出最优方案。
3.3.2供水机组能耗分析
建筑供水能耗与供水系统分区方式有很大关系，但运行费用的量化测算比较复杂。一方面，减压阀消耗的水头损失为无效压损，引起水泵机组所作的有用功增加：另一方面，水泵机组的效率也是运行能耗的关键因素。笔者认为在设计阶段，水泵的功率可以用公式N=qH/(3.6x102η)来估算，为进一步简化单位换算(注：仅用于相对比较)，水泵的全年运行能耗W可以用全年水泵对用水量所作的有用功与水泵机组平均效率η的比值作粗略的比较，而水泵所作的有用功即为年用水量Q水贡扬程H，故供水机组的年运行能耗公式可简化为W=QH;而减压阀引起的无效能耗，理论上即为全年通过减压阀的流量与所减压力值的乘积。
水泵运行效率可从水泵性能的效率曲线图上查得。一般地建筑给水系统中的水泵都是小流量泵，高校区效率约为50-78指进口或合资泵。从各系列水泵的效率曲线图可以看出，较大流量泵其效率也较高，水泵工频运行时的高效区域较宽，变频运行时效率有所下降，而且高效区变窄。设计选泵时是依据最高可能流量来确定的，这就意味着它将通常运行在最大流量以下区域，所以一般选变频泵应选择工频时效率曲线的右边，以保证在流量下降时保持较高效。但即便如此，变频泵在某些时段也会滑出高效区运行，尤其是对某些用水量不大但用水变化系数比较大的建筑。
3.3.3给水设备分区与减压阀分区的比较
#p#分页标题#e#供水竖向分区是采用水泵分区还是减压阀分区，在有些工程中是明显容易选择的，而有些工程却要需要作一番分析比较。
例如，一个住宅小区，有20栋一梯二户的14-16层住宅，底部2层市政直供，2层以上供水设备可以不分区设一组，也可以分区设两组低区3-9层，高区10-16层。对两种方式作以下比较
前者能耗W1=QH/η，后者能耗W2=Q1H1/η1+Q2H2/η2，其中Q，H，η为水泵不分区时的全年供水量(即用水量)、水泵扬程、水泵机组的平均效率，Q1，H1，η1和Q2，H2，η2分别为水泵分区时的高低区全年供水量(即用水量)、水泵扬程、水泵机组的平均效率，Q，H，Q1，H1，Q2，H2均可经计算而得，且H≈H1，Q=Q1+Q2，水泵机组的平均效率可根据水泵效率曲线测算(注：供水机组的流量是按设计秒流量选用)。因小区比较大，供水流量比较大，每组供水设备均由3台水泵并联，运行时水泵多在工频高效区，只有一台水泵是变频运行，根据水泵效率曲线分析，两种分区方式其供水机组的平均效率相差不大，均可维持在50-50%;能耗测算结果，分区比不分区可节约能耗15%，分析其原因，这部分能耗主要是消耗在减压阀上。所以在水泵机组平均效率相差不大的情况下，不可为简化系统而盲目采用减压阀分区。
如果能耗测算结果是不分区供水与分区供水的能耗相差不大，则从简化管网、降低初次投资考虑应优先采用不分区供水。但如果能耗测算结果是不分区供水有所下降，但下降幅度不大，则要针对具体工程的管网布置、管道井、机房设置情况、投资成本和使用成本比较等作具体优化分析，才能得出最佳方案。
4.结束语
综上所述，在建筑节能设计中，给排水专业必须充分利用市政管网压力，在有条件的区域推广使用无负压变频供水技术;减少无效水头损失所引起的供水系统能量浪费，慎重使用倒流防止器;优化供水系统和分区方式，使节能节水做到安全适用、经济合理。
