我国建筑给排水行业建筑节能的现状与发展趋势

我国建筑给排水行业建筑节能的现状与发展趋势

0建筑领域建筑节能要求中国是一个能源需求大国，建筑能耗占总能耗的1.3%，其中99%的建筑节约能源。因此，国家发展和改革委员会在新时期的建设中发挥了重要作用。在建筑给排水行业,建筑节能主要体现在限压、节水以及太阳能卫生热水等方面。在节水方面,我国规定了强制淘汰冲水量9L以上的便器水箱和铸铁龙头,提倡节水型的卫生用具;太阳能作为绿色能源,在建筑卫生热水供应方面的应用也越来越普及;但在供水压力和水头损失的控制方面,在《建筑给水排水设计规范》(GB50015—2003,以下简称“规范”)和具体的工程设计中,均没有引起足够的重视。1流量控制不合理的应用1.1管道回流防止器“规范”第3.2.5条规定,在给水管上单独接出消防用水管道、城市给水管直接向热水机组等密闭容器注水的注水管上、居住小区从城市给水管引两路进水构成环网的进水管上等七个部位需设管道倒流防止器或其它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式。1.2下降后的下腔压力p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ΔPi使泄水阀关闭,水流正常流通。泄水阀的关阀压力ΔPi,一般欧美国家规定不小于2psi(14kPa),此时阀组水头损失约60~90kPa。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ΔPi关闭。如果上游压力P1降低,泄水阀将可能开启泄除一部分水以维持压差ΔPi>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P1,两个止回阀都被弹簧快速关闭,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ΔPi≤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。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。双止回阀仅由两个止回阀组成,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。它的最大缺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,尤其在超过一定流量后其上升幅度较大。而在工程设计中,小区进水管的管径是按最高日小时流量选用,再叠加一次火灾的消防流量校核管径。故在实际工况中,应该按高峰时的设计秒流量以及消防时的流量校核倒流防止器的水头损失值。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。1.3合理使用反向过载装置1.3.1地下主流系统在目前的居住小区或大型公建设计中,为保证消防供水及生活用水的可靠性,往往设有两路市政进水,设计一般都在进水总管上设总水表和倒流防止器,其后管道再在小区室外成环布置。当从小区环网上接出消防给水系统、地埋式喷灌系统等,则需再次设倒流防止器。若市政供水压力为0.2MPa,倒流防止器两级串联后,其后管网压力基本已无法满足室外低压消防和采用地埋式喷头喷灌的最低水压要求。笔者认为,将串联系统作适当调整,改为并联系统,可适当降低水头损失。1.3.2空气间隙对于水景池、游泳池、游乐池、冷却塔集水盘等开口容器的补水,设计应创造条件满足补水管口与溢流水位之间有2.5倍进水管径的空气间隙,既可降低水头损失,同时防回流也更可靠。目前的工程设计中,由于受建筑景观的影响,冷却塔往往设在最高屋面上。若在冷却塔集水盘的补水管上安装倒流防止器,则满足冷却塔补水所需水压往往已大于顶层卫生器具使用所需的水压,增加了加压水泵的扬程,所以在这种情况使用倒流防止器很不合理,额外造成能量浪费。1.3.3容器补水的回流防止器设置减压型倒流防止器的防回流污染可靠性很高,但压降相当大,从而会引起供水能量的巨大浪费,国外一般用于有可能遭受有毒污染或严重有害污染场所的管道交叉连接。对于轻微有害污染的场所,可采用非减压型倒流防止器或双止回阀倒流防止器。而“规范”仅仅对需设防回流污染装置的部位作了强制性规定,没有对不同污染液体采用的防回流污染安全等级作出规定,致使在设计中也无法对倒流防止器的类型作出合理选择而一律采用最高等级的减压型倒流防止器。“规范”第3.2.5条的第4点与第3.4.7条的第2点相互有些矛盾,前者规定从城市给水管直接向水加热器等密闭容器补水的补水管上需设倒流防止器,而后者规定从已在市政引入管上设倒流防止器的小区给水环网或二次加压给水管向水加热器注水的进水管上,则仅需设止回阀而无须再次设倒流防止器,规范对前后两者因影响范围不同而有所区别对待。但从小区或建筑供水的卫生标准与城市供水的卫生标准一致性角度理解,后者也应设倒流防止器,由此却造成冷热水系统压力的不平衡,淋浴器水温调节困难而无效出流,造成水量浪费和能量浪费。笔者认为,在卫生热水供应中,卫生热水是采用间接换热制备的,换热器或密闭贮水罐内的热水不含其它添加剂,其进水管上可以仅设止回阀或双止回阀。“规范”第3.2.3条规定城市给水管道严禁与自备水源的供水管道直接连接。条文解释这是国际惯例。但笔者对“自备水源”不能明确理解,市政供水至小区后经二次加压是否为自备水源,还是用水单位从其它渠道获得的辅助水源才是自备水源,笔者查找国外的部分文献,认为所指的是后者。比如在杭州地区,城市供水条例规定多层住宅取消屋顶水箱,采用城市管网直供,但目前某些区域在夏季用水的高峰时段,顶层(6层)的供水压力会出现不足,所以设计一般在市政供水的旁通管上设置临时增压设备,水压不足时启用,一般时段利用市政供水压力直供。但因二次加压管与市政管的连接而需在市政供水管上设置倒流防止器,市政供水压力因此损失40kPa以上,则原本非高峰时段可供至6层的市政压力却只能供至4层,本来只需短时间启动的增压设备反而需全年启动,造成能量巨大浪费。如果同样从卫生标准一致性角度要求,则此处可不设倒流防止器而仅设止回阀或非减压型的倒流防止器。另外,“规范”第3.6.15条,管道倒流防止器的局部水头损失宜取25~40kPa,对于非减压型支管减压阀(如双止回阀型、真空破坏型等,安全等级有所下降)的取值差不多,对于减压型倒流防止器明显是偏小的。2给水系统明智选择2.1分压阀分区设计加压给水系统有水泵-水箱联合供水、变频调速供水;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,供水系统的方式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。2.2水泵运行效率的计算建筑供水能耗与供水系统方式有很大关系,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/(3.6×102η)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)×水泵扬程(H),故供水机组的年运行能耗公式可简化为W=QH/η;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,高效区效率约为50%~70%(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,并且高效区变窄。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率。但即便如此,变频泵在某些时段也会滑出高效区运行,尤其是对于某些用水量不大但用水变化系数比较大的建筑。2.3水泵效率比较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)。对两种方式作如下比较: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%~55%;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。如果只有一栋这样的住宅,其供水流量比较小,水泵多在变频区运行,平均效率约50%,分区后流量更小,效率更低下,高区、低区水泵效率均只有40%左右,比较结果是不分区比分区的能耗还略有增加。原因是水泵效率下降引起的能耗增加还不足以克服由减压阀无效压损引起的有用功增加,供水系统毫无疑问应该选择不分区供水。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比分区供水有所下降,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。2.4水泵-水泵供水以前的建筑给水设计比较普遍采用水泵-水箱联合供水方式,近年来,为防止屋顶水箱引起的二次污染和随着水泵变频技术的发展,水箱供水方式已逐渐被变频给水方式替代。但在一些办公建筑和教学楼中,其用水点仅为各层洗手间,用水量不大。在这种情况,采用水箱供水比变频供水更节能,因为两者全年所作的有用功基本相同,虽然前者水箱进水水头为无效压损,但两者全年所作的有用功相差不大,而前者的水泵是在工频高效区运行;而后者因为用水量不大,供水机组采用一泵或二泵即可满足水量要求,所以运行时机组水泵(至少为1/2水泵)大多时段是变频运行,效率低下。而水箱的二次污染是完全可以通过设计避免的,并且有许多办公楼的饮水多采用直饮水或桶装水,笔者设计现已投入运行半年的上海某办公大楼,即采用水泵-水箱供水,运行稳定,业主反映良好。现在杭州地区的工程审批中,把水箱供水方式全盘加以否定,笔者认为是不合理的。以上只是介绍一种粗略的比较方法,实际工程千变万化,而实际用水曲线、水泵机组的实际效率等都存在很多不可预见性。对于竖向系统的优化,经验性也比较重要,应对一些已建工程作一些回访调研,采集流量、电耗等数据进行统计分析,得出一些概率统计性的参考经验。3次加压与市政最低水压在以往的工程设计中,一般均不允许二次加压水泵直接抽吸城市管网水,以防止城市