绿色建筑中给排水节能新技术应用

刘 志

(山东华邦建设集团有限公司 山东 潍坊 262500)

建筑物给排水系统的节能设计方法随着材料、设备以及工艺的发展而不断更迭,在绿色建筑设计中要运用各种新设备和新工艺来降低建筑物给排水系统的能耗水平。当前需从多个方面实现这一目标,其一是提高给排水系统中各类能耗设备的能源利用效率,其二是使用清洁能源供热代替传统的市政集中供热,其三是采用中水回用等技术节约水资源,同时降低能耗,新技术的推广和应用尚需时间。

1 建筑给排水系统能耗过高的原因分析

1.1 未能充分利用市政供水的余压

建筑给水系统的主要水源为市政供水,而市政供水为了将水资源从自来水厂输送到各个终端,必须设置一定的压力,通常在0.3MPa左右,建筑物供水分为消防、自来水以及生产用水三种,其中用水量和能源消耗量最大的是市政自来水供应。以高层建筑供水为例,通常6层以上建筑物要采用二次加压供水的方式,常用实现原理是水箱+变频泵。水箱可设置在建筑物的地下室,先将市政水存储在水箱中,再使用变频泵将水上高层用户。但是在这一过程中市政供水原本的余压和功能被卸去,没有达到有效的利用,这一部分能量也就损失了[1]。

1.2 水泵设备选型不合理造成超压出流

水泵分为工频和变频可调速两种类型,工频水泵以电机带动水泵运转,过程中不可调速。而变频水泵可采用无冲击切换、低频启动等多种控制模式,可根据负荷变化及时地调整水泵的转速,维持水流的平稳性,从节能角度看,变频水泵的工作电流相对工频水泵较小,因而其整体的能耗水平更低。变频供水技术是当前建筑物节能供水的重要形式,通常将变频水泵作为给水加压系统的核心设备。但变频水泵的价格比工频水泵更加昂贵,这是导致一些建筑工程项目放弃变频水泵,转而使用工频水泵的直接原因。另外,并非所有的工况下都要采用变频水泵,如果供水符合非常稳定,不存在忽大忽小的情况,使用工频水泵将起到节约成本的作用。

典型的应用场景是大于100m 的高层建筑采用高位水箱重力供水的模式,工频水泵了用于对高位水箱补水,由于过程比较简单,几乎不存在负荷变化,因而这种情况下可采用工频水泵,能耗可控[2]。可见,在不同的供水工况下要合理选择水泵的技术类型,发挥节能型供水设备的优势。如果在变负荷的情况下采用工频水泵,就会造成能源和水资源的双重浪费。最典型的问题是超压出流,这是由水泵供水压力过大所引起的,而供水压力实际上就是能耗。

1.3 高层建筑分区供水设计不合理

高层建筑给水系统的设计常采用分区、分段供水的方式,其主要目的是维持高层建筑各个楼层供水压力的稳定性,但如果楼层分区设计不合理,就会出现供水压力不足或者供水压力过大的问题。压力不足通常是在某一分段的上部楼层,而压力过大主要集中在某一分区的下部楼层。如果发现压力不足,往往要通过水泵增加,此时虽然满足了中上部楼层的供水压力,但靠下的楼层却会出现供水压力超过设计承载能力的问题,一方面威胁到给水管件、阀门等配套设施的安全性,另一方面也会造成超压出流[3]。因此如果不能合理设计分区,供水过程中的能耗控制和水资源控制目标都会落空。

1.4 缺乏有效节水措施导致给水设备高位运行

表面上看节水与节能是两个不同的概念,实际上二者相互影响,当建筑物缺乏有效节水措施时,为了满足用水需求,给水系统的整体运行时间会更长,因而能耗也更高。造成建筑物节水效果差的原因包括缺乏雨水回收利用设计、超压出流、清洁水箱、无效冷水排放等。以水箱为例,无论是设置在高层建筑楼顶的高位水箱,还是设置在地下室的低位水箱,长期使用之后都会存在内部污染的问题,因而需定期清洁,这一过程中会会浪费大量的水资源。

2 绿色建筑理念下的给排水节能新技术及其应用

2.1 使用新型建筑节能给水设备和技术

传统的建筑给排水系统设备并未充分利用市政供水的余压,造成一定程度的能源浪费,无负压恒压供水是一种相对新颖的节能型供水技术,这种市政供水方式的优点在于无需将市政水先存储在水箱中,而是利用加压设备直接将市政供水加压送到高层用水终端。由于市政供水本身就具有一定的余压,而无负压恒压供水设备利用变频调节的方式自动化地弥补压力缺口,精确控制供水压力,于是市政供水的压力就转化为高层建筑供水的一部分动力源。

另一方面,虽然无负压供水设备中也设计了水箱,以便于在市政供水故障的情况下维持短时间内的用水需求。但这种设备的优势在于其水箱为不锈钢全密封结构,几乎不会产生水资源污染的情况,因而也无需清洁水箱,不会造成水资源浪费以及更高的能耗[4]。由于此类设备充分利用了市政供水的余压,可减少越1/3的水泵养成,节能效果突出。但在具体应用过程中需获得市政部门的批准,因为此类设备直接从市政供水中吸水,有可能导致其他市政用水单位水压不足,在设计时要全盘考虑和规划。

2.2 开发利用中水,减少自来水供应设备运行时长

绿色建筑给排水节能设计应秉持“开源节流”的基本思想,除了降低建筑给排水系统中各类设备的直接能耗水平外,还可转换思路,通过节约用水来降低给水系统的运行时长,从而达到节能控制的目标。在这一方面,开发利用中水的效果最为突出,在现代化的建筑设计中,中水回用已经成为不可缺失的一部分。

(1)中水的水源。中水是建筑物空调系统冷却水、生活污水以及雨水的合称,将这些水资源经过适当的处理之后可用作建筑物周边绿化、卫生间冲厕等。降低了对市政自来水的消耗,这一过程中可产生一定的节能效果。

(2)雨水的回收利用。雨水是中水的重要组成部分,在建筑设计中需设计专门的雨水回收装置,图1是一种典型的雨水回收利用设计方案,借助建筑物上设计的屋面排水管将雨水收集到截污挂篮,过滤掉较大的垃圾异物,然后再通过气流过滤装置和雨水过滤器进一步过滤沉淀,雨水进入水池之后经提升泵加压用于绿化及冲厕等[5]。这一过程水路程较短,实现了就近利用,无需远距离输送,其节能效果突出。

(3)生活污水及废水的回收利用。由于生活污水及废水中含有较多难以直接处理的污物,因而需经过专门的中水处理站实现净化,而中水处理站的选址问题将直接关系到后期使用的能耗水平,对于建筑群,中水处理站选址要考虑到各个用水区的分布,因为输水过程中势必会消耗电力能源,合理布置中水处理站可降低整体能耗。原则上应将中水处理站布置在所收集污废水建筑群与中水回用点便于连接的地中水的供水方式主要包括余压供水系统、水泵+水箱供水系统等。同样的,中水设备设置在靠近建筑群的位置上,其输水过程的能耗相对于市政水更低,可起到良好的节能效果。

2.3 采用清洁型建筑热水供应技术

建筑采暖、洗漱等均要使用热水,而热水供应系统是建筑物中的高能耗单位,从分类来看,采暖主要由市政热力管网集中供水,经由建筑物内的地暖和暖气片发挥作用,目前国内的市政热力管网的热能以热力发电的产生的余热为主,其碳排放水平很高。在绿色建筑设计中要重视开发利用清洁热源,实现建筑热水供应的绿色化、节能化以及无污染化。典型的技术路径为地热能供水,目前已经建设了一批成功的案例,西安交通大学创新港采用大规模无干扰地热供热系统为159 万平方米的建筑物供应生活热水,加热水源的能量为地下几千米的地热能,清洁、高效、无污染,节能效果和环保效果远超传统的市政集中供水系统。当然,不可否认的是这种热水供应方式建造成本极高,更加适用于大型公共基础设施、大型商业建筑等。在住宅建筑室内洗漱热水供应方面推荐采用太阳能热水加热系统,并且现阶段这种热水供应系统的应用已经形成了一定的规模,一方面为用户节约生活成本,另一方面则显著地降低了能耗[6]。

2.4 优化及创新传统给排水系统设计

传统的建筑给排水系统在设计中常常存在一定的缺陷,导致其整体能耗水平偏高,如水泵选型不合理、管材阻力大、供水设备易污染、高层建筑供水分区设计不合理等。在绿色建筑给排水系统节能设计中要对这些传统设计方案加以优化和创新。例如,在建筑物给排水管路的选型上要优先使用阻力小、抗污染、耐久性强的新型管材,如PE 管材、PVC 管材等。在建筑供水分区设计中要严格控制每一分区的建筑物总高度,既要考虑到最不利点的供水压力需求,又要防止有利点供水压力过大的问题,高层建筑物供水分区通常按照高、中、低三部分划分,低区直接采用市政供水,高于100m 的建筑物采用高位重力水箱供水,低于100m 的建筑物可采用低位水箱+变频泵供水的方式。

3 结语

建筑物给排水系统节能设计涵盖了多个方面,新型节能设计方案主要包括无负压恒压供水技术、清洁能源热水供应技术、中水回用以及雨水回收利用等。这些节能技术侧重点有所差异,无负压恒压供水技术重在全面利用市政供水的余压,清洁能源热水供应系统可代替传统的市政热力管网,节能环保效果优异。中水回用和雨水回收利用可实现污废水及雨水的就近利用,输送过程能耗低。