中新天津生态城排水泵站生态节能设计

2014-01-16

天津建设科技 2014年6期

关键词：排水泵泵站水泵

1 工程概况

2 排水泵站生态节能设计

1）优化设备选择，降低能源消耗。市政排水泵站运行过程中，水泵是主要的耗电设备，为使排水泵站的日常运行管理中更加节能环保，在工程设计中主要采用了以下的方式。

（1）水泵选择。由于居民日常生活用水的不均匀性，使得污水泵站具有排水流量变化幅度较大的特点，为使污水泵始终能够高效运行，污水泵选用变频潜水排污泵，水泵在PLC的控制下，根据水量大小进行变频调速，使其在高效段运行，节约能耗。

雨水泵选用潜水轴流（混流）泵并且选用进口知名品牌产品，保证了泵站安全、有效地运行并使管理和维护更为简便、高效、节能。水泵运行效率可达84%以上。

（2）附属建筑内用水设施均采用节水型用水器具。选用光电感应式延时自动关闭水龙头、感应式或脚踏式高效节水型小便器和两档式坐便器，以达到节水的目的。

2）利用CFD数值模拟，优化泵池设计。CFD在最近20 a中得到飞速的发展并在近几年广泛的应用于分析和改进泵站设计以及水力性能的计算等方面[1]。采用CFD软件进行数值模拟，能在短时间内较为准确地预测水泵装置的性能并通过改变各种参数来达到最佳设计效果[2]。

以青坨子雨水泵站为例，CFD计算时选取格栅后到水泵出水管口段作为计算区域，采用三维建模软件Autodest Inventor，按1∶1比例创建泵站的3D模型。分别模拟了6台泵全部运行、2台泵运行以及1台泵运行时，泵站内雨水的流动状态，采用Fluent12.1计算流体分析软件对泵站进水流道进行了数值流场计算分析。

根据模拟计算的结果，对青坨子雨水泵站进行如下优化设计。

对于知识分子的道德，责难最多的恐怕就是气节。气节是指坚持正义，在敌人或压力面前不屈服的品质。比如我们常说民族气节、革命气节。留下“人生自古谁无死、留取丹心照汗青”的文天祥表现出的是民族气节；而留下“杀了我一个，还有后来人”的夏明翰表现出的是革命气节。

（1）优化了泵站前池结构形式，减少了由于流态紊乱而造成的泵站水力损失，以达到节能降耗的目的。

（2）对水泵开停泵控制水位进行了优化，减少了整个泵站运行的损失，见图1。

图1 雨水泵站流动模式

3）初期雨水处理，减少对受纳水体的污染。随着城市化进度的不断深化，初期雨水径流的污染问题引起了人们越来越多的重视。在生态城的雨水泵站设计中均考虑了初期雨水的处理问题。在雨水泵站中设置初期雨水泵将初期雨水提升至规划人工湿地，通过湿地处理后排入受纳水体，从而保护了收纳水体的水质。后期雨水水质较为稳定，经雨水泵站提升后直接排入受纳水体，通过生态城水系的自净能力进行净化，见图2。

图2 雨水泵站排水

以中新天津生态城东北部片区雨水泵站为例，该泵站设计规模13.6m3/s，共设置6台潜水轴流泵，针对初期雨水排放的问题，泵站利用其中一台水泵在降雨初期将雨水排入规划人工湿地进行净化处理，利用调节蝶阀调节初期雨水管的出水流量。当降雨量增大时，关闭初期雨水出水管调节蝶阀，打开后期雨水出水管道蝶阀，通过雨水出水管将雨水排入河道。

4）雨水利用，节约优质水资源。随着现代社会水资源日益紧张，将雨水作为一种资源加以利用不但可以缓解水资源紧张的现状，还能缓解暴雨对雨水系统的冲击。

生态城排水泵站实行分质供水，附属建筑用水由市政给水系统提供，雨水主要用于泵站道路清洗、冲洗车辆和绿化用水等方面。

排水泵站内雨水利用主要分为2个方面：雨水下渗及雨水回收利用，见图3。

图3 排水泵站雨水利用系统

（1）雨水下渗。雨水入渗地下可补充涵养地下水资源，是一种间接的雨水利用技术，还有缓解地面沉降、减少水涝和海水倒灌等多种效益。泵站内绿地采用下凹式绿地，设计高程低于泵站设计地坪5 cm并与景观设计相结合，配以洼地、植被浅沟人工入渗设施，降雨时，绿地范围内的雨水及部分径流至低洼绿地内的雨水通过下渗方式补充地下水。有研究结果表明，当绿地下凹5～10 cm时，能够消纳自身和相同面积不透水地面的雨水，使5 a一遇日降雨无径流外排[3]。

（2）雨水回收利用。每座排水泵站都有一定面积的庭院道路，将降落在这部分的雨水收集并回用，不但有利于减轻雨水管道的排放压力，而且可以节省部分优质水资源。以东北部片区雨水泵站为例，该雨水泵站室外场地面积2 900m2，其中厂区道路面积约为1 230m2，占室外场地面积的比例为42.4%。设计考虑将路面部分雨水回收处理后进行回用。庭院路面采用高承载透水路面铺装方式，为对路面径流雨水进行处理并储存，利用附属建筑前停车场地下空间修建雨水砂滤池1座，尺寸L×B×H=12.5m×4m×2.5m。路面雨水通过铺装的砂基透水砖及排水盲管内，收集至雨水砂滤池内，净化后回用于泵站绿化及道路冲洗等用途。按天津市平均降雨量560mm/a计算，道路面积1 230m2，雨水收集系数取0.8，则该雨水泵站每年可收集利用的雨水量为 550m3。

雨水收集利用受季节及降雨量的限制，存在着水量供应不均衡的特点，为弥补雨水供应的缺陷，考虑采用雨水利用系统与市政中水系统并联运行的方式。当雨水量充足时，优先使用雨水，雨水量不足时，利用市政中水系统进行补给。

青坨子雨水泵站经过1 a的运行结果表明，雨水经雨水利用系统处理后，其水质能够满足道路清洗、冲洗车辆和绿化用水等方面的水质要求。在雨水量充足的条件下，完全可以代替部分优质市政水，不仅美化了环境，节约了大量的水资源，而且达到了城市防洪、美化城市景观和节能生态的共赢目的。经测算，采用分质供水方式，泵站每年可节约优质给水1 300m3。

5）太阳能发电，发展清洁能源。太阳能作为一种绿色环保的新型能源，在现代光伏发电技术的发展中越来越普遍的在我们身边加以利用。通过对中新天津生态城太阳能资源的调查，该区域排水泵站可充分利用附属房间屋顶的空地来放置太阳电池方阵，变屋顶为太阳能发电站，以与屋顶相同的倾角朝南设置，可以获得最大的年发电量而不至于影响建筑的美观，通过光电转换系统，将太阳能转化为电能，能满足建筑物内的照明、监控系统、办公用电、空调等工作电源，多余的电力可回馈到电力网。

另外，庭院内的照明设备均采用风光互补的发电方式提供能源，以减少对市电的依赖，见图4和图5。

图4 雨水泵站

图5 庭院照明

以青坨子雨水泵站为例，根据该泵站建筑规模，屋顶太阳电池方阵的总容量可达9.72 kWp（多晶硅太阳电池组件按照屋顶倾斜角度22°设置，方阵倾斜角度和建筑屋顶倾斜角度保持一致，从而不影响建筑物的美观），2011年该泵站太阳能发电量为11 024 kW·h，日均发电量约为30.2 kW·h。与火力发电相比较，可以减少二氧化碳的排放量约为8 kg、二氧化硫的排放量约为89 kg、氮氧化物的排放量约为43 kg，所排放的这些气体如果用森林在一年内来吸收，则需要17 hm2面积的森林。

6）全程监控，突出节能和数字化的理念。以排水泵站为控制节点，以泵站控制中心为纲领，实现城市排水系统工艺设备、动力设备的全程监控，排水系统运行参数的实时采集分析，排水状态视频的实时检测并综合气象会商系统、城市应急系统功能与一体，使城市排水系统实现全过程的监控，逐步推动城市信息化、数字化的建设，提高城市公用设施的利用效率使设备安全、合理、可靠地运行，突出生态城绿色、环保、节能和数字化的理念，见图6。