节能环保材料及设备在给排水中的运用

2013-02-20□□

建材技术与应用 2013年3期

□□

(上海师范大学建筑工程学院，上海 201418)

引言

随着生活水平的提高，人类为发展和繁荣城市建设进行了不懈的努力，同时为了造福于子孙后代，营造良好的生活环境，也肩负着节约能源、保护环境的责任。经过20世纪后50年的持续努力，特别是改革开放以来的快速发展，中国能源建设取得了巨大成就，能源供应已经从以前的严重短缺，实现了总量基本平衡。但是，能源品种结构不合理，煤炭直接用于终端消费的比例过大，天然气、风能、太阳能等洁净能源所占比重过低，能源利用效率、环保措施与世界先进水平相比还有较大差距。因此，节约能源和利用太阳能等洁净能源依然是需要重视的问题。

本文主要从变频水泵的变频节能、二次供水的污染防治等几个方面，阐述民用建筑特别是住宅给排水设计中的环保问题。

1 变频水泵的变频节能

上海市政府自20世纪90年代开始，在全市高架道路和主要景观道路两侧进行了多层住宅“平改坡”改造。“平改坡”是指在建筑结构许可的条件下，将多层住宅平屋面改建成坡屋顶，以解决多层旧住宅的防渗漏、隔热、保温问题。在“平改坡”的同时，对小区实施变频恒压水泵供水改造，取消了屋顶水箱，不仅减少了对饮用水的二次污染，而且也节约了电能，使居民从中受益。

下面分析变频水泵的节能原理。由流体力学可知，功率P与流量Q、压力H之间有如下关系：

P=Q×H

(1)

流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的二次方成正比，功率P与转速N的三次方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例地下降，而此时轴输出功率P成三次方关系下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成三次方的关系。例如，1台水泵电机功率为55kW，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16kW，省电48.8%；当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875kW，省电87.5%。在使用一般的水泵时，水泵的转速是无法调节的，无论用水量多少，水泵依然全速转动，无功功率不但增加线损和设备的发热，而且功率因数的降低会导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路中，致使设备使用效率低下，浪费严重。变频水泵的功率因数补偿功能，减小了无功功率的能量损耗。

有功功率P、无功功率Q与视在功率S有如下关系：

P=S×cosφ

(2)

Q=S×sinφ

(3)

由(2)式可知，功率因数cosφ越大，有功功率P越大。普通水泵电机的功率因数在0.6～0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，使得cosφ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。

普通水泵的电机启动为直接启动或Y/D启动，启动电流为额定电流的4～7倍，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，对电网容量的要求很高，而且启动时产生的震动对挡板和阀门的损害极大，这对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，变频器的软启动功能使得启动电流从零开始，启动电流的最大值也不超过额定电流，从而减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备的维护费用。

变频水泵特别适合用户集中的大型社区，由于变频水泵的能耗较普通水泵低，在分摊电费时又为用户节省了费用。

2 屋顶水箱的二次污染防治

我国在20世纪70至80年代的住宅小区房屋设计，由于城市供水仅能供应3层用水，所以采用水泵-屋顶水箱联合供水的方式，以供3层以上的居民用水。水泵-水箱这种二次供水方式是建筑给排水设计中保证3层以上住户用水水压的必然措施，但也因此增加了屋顶水箱这样的贮水设施，增大了水质污染的可能性。特别是在户数较少的低层住宅楼，容易出现屋顶水箱中的水停留时间超过24h的情况，这样就产生了饮用水的二次污染。

变频调速供水设备自20世纪90年代以来在住宅小区供水中得到了广泛应用，它是采用变频器改变电机的供电频率，根据高峰用水量和低谷用水量的不同，采用改变转速的方式进行调节，实现对水泵的无级调速和循环软起动。现在的住宅小区大多采用变频水泵供水，较成功地解决了住宅饮用水的二次污染问题。

3 太阳能热水器

建筑能耗约占社会总能耗的三分之一，是节能减排的重点领域，为此建设部于2005年4月15日印发了《关于新建居住建筑严格执行节能设计标准的通知》，强调了建筑节能设计规范，从源头上控制建筑能耗。从2006年1月1日起施行的《民用建筑节能管理规定》，将建筑节能标准从节能50%提高到75%。2007年4月，国家发改委印发《推进全国太阳能热利用工作实施方案》，其中明确提出我国即将制定太阳能热水器的强制安装政策。2007年5月18日，国家发改委、建设部联合印发《关于加快太阳能热水系统推广应用工作的通知》(发改能源[2007]1031号)，提出“有条件的医院、学校、饭店、游泳池、公共浴室等热水消耗大户，要优先采用太阳能集中热水系统；新建建筑在设计时，要预设安装太阳能热水系统的位置和管道等构件，尽可能安装太阳能热水系统；对于既有建筑，如具备条件也要支持安装太阳能热水系统；政府机构的建筑和政府投资建设的建筑要带头使用太阳能热水系统;在有条件的农村地区也要积极推广太阳能热水系统及太阳灶等其他经济实用的太阳能热利用技术，把推广应用太阳能热利用技术作为社会主义新农村建设的重要措施予以重视。”

太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器，目前以真空管式太阳能热水器为主，占据国内95%的市场份额。真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关附件组成，将太阳能转换成热能主要依靠集热管。集热管利用热水上浮、冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需温度。

太阳能主要应用于热水系统，是取之不尽、用之不竭的无污染能源。

4 节约用水

我国是一个缺水的国家，人均水资源占有量仅为世界人均水资源占有量的四分之一。近20年来，随着我国国民经济的快速发展，我国的水资源短缺问题也更加突出，而且水污染日益加剧，水质性缺水的城市数量呈上升趋势，严重缺水的城市主要集中在华北和沿海地区，并已蔓延到南方地区。上海就是一个典型的水质性缺水城市，虽然有黄浦江，却要到青浦区的淀山湖、宝山区陈行水库或上溯几十千米的上游取水，因为黄浦江水质已严重污染，即使加强对自来水的工艺处理，但出水仍然有令人难以接受的异味。水质性缺水的直接表现首先是环境的恶化，而受污染的水体即使勉强用作给水水源，一方面其处理工艺复杂，处理费用很高；另一方面也难以保证处理后的水质优良。这种以河流为水源而又面临水质性缺水情况的发生，主要是由于城市生活污水和工业废水的排放造成的。应该说，在所有的天然水体中，河流由于流动快、复氧率高、水流更新期短而使得其自净能力较其他水体强，但是也受径污比的制约，即受河流的纳污容量的限制。特别是伴随着近代工业发展而产生的大量的、种类繁多的污染物进入水体，它们难于被水中的微生物降解，却容易通过生物食物链富集于生物体，对人造成危害。为了确保饮用水卫生，只能不断地提高饮用水卫生标准。因此，节约用水、减少水源污染成为重要而紧迫的任务。

以下从卫生器具及其给水配件和建筑中水等两个方面，简要介绍一下节约用水。

4.1 采用新型卫生器具及给水配件

新型的卫生设备如陶瓷芯水龙头的密封性能好，开关可以多次使用而不滴漏，又如虹吸式高效节水型坐便器每次冲洗水量仅为5L，可节约50%用水，而旧式卫生器具的耗水量大，卫生器具给水配件的密封性差，易造成漏水现象。另外，在学校等的公共浴室如果采用脚踏阀淋浴器、光电淋浴器、计取费用的自闭淋浴器等，可比一般的淋浴器节水20%～50%。

4.2 利用中水

中水是指各种排水经过物理、化学或生物处理，达到规定的水质标准，可在生活、市政、环境等范围内杂用的非饮用水，如用来冲洗便器、冲洗汽车、绿化和浇洒道路等。将污水、废水在经过处理后回用，可以使污水无害化、资源化，起到缓解水资源不足的作用。建筑中水系统适用于缺水地区的各类民用建筑和建筑小区的新建、改建扩建工程。在GB50336—2002《建筑中水设计规范》中，对常用的3种中水处理方法(生物处理法、物理化学处理法、膜处理)都作了详细的规定，同时对中水水源、水质标准、中水系统、处理工艺等几个方面也有具体要求。随着城市的发展和人民生活水平的提高，中水系统的普及也越来越成为可能。

目前，中水处理设备已有定型产品供设计选用，我国的一些城市已经开展了中水技术开发和利用的试验研究，并且有的已在工程中实施。例如北京高碑店污水处理厂将城市污水进行深度处理后，用于电厂冷却水的研究；上海市白龙港城市污水处理厂中水回用，其沉淀池的出水达到中水回用的设计目标，中水主要用于沉淀池的加药稀释水和污泥脱水装置的加药稀释水、冲洗用水、绿化用水和道路冲洗用水，大大节约了新水用量。此外，还有上海市青浦第二污水处理厂中水示范工程等。