綠色建筑中給排水節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用

劉 志

(山東華邦建設(shè)集團(tuán)有限公司 山東 濰坊 262500)

建筑物給排水系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)方法隨著材料、設(shè)備以及工藝的發(fā)展而不斷更迭,在綠色建筑設(shè)計(jì)中要運(yùn)用各種新設(shè)備和新工藝來降低建筑物給排水系統(tǒng)的能耗水平。當(dāng)前需從多個方面實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),其一是提高給排水系統(tǒng)中各類能耗設(shè)備的能源利用效率,其二是使用清潔能源供熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)的市政集中供熱,其三是采用中水回用等技術(shù)節(jié)約水資源,同時降低能耗,新技術(shù)的推廣和應(yīng)用尚需時間。

1 建筑給排水系統(tǒng)能耗過高的原因分析

1.1 未能充分利用市政供水的余壓

建筑給水系統(tǒng)的主要水源為市政供水,而市政供水為了將水資源從自來水廠輸送到各個終端,必須設(shè)置一定的壓力,通常在0.3MPa左右,建筑物供水分為消防、自來水以及生產(chǎn)用水三種,其中用水量和能源消耗量最大的是市政自來水供應(yīng)。以高層建筑供水為例,通常6層以上建筑物要采用二次加壓供水的方式,常用實(shí)現(xiàn)原理是水箱+變頻泵。水箱可設(shè)置在建筑物的地下室,先將市政水存儲在水箱中,再使用變頻泵將水上高層用戶。但是在這一過程中市政供水原本的余壓和功能被卸去,沒有達(dá)到有效的利用,這一部分能量也就損失了[1]。

1.2 水泵設(shè)備選型不合理造成超壓出流

水泵分為工頻和變頻可調(diào)速兩種類型,工頻水泵以電機(jī)帶動水泵運(yùn)轉(zhuǎn),過程中不可調(diào)速。而變頻水泵可采用無沖擊切換、低頻啟動等多種控制模式,可根據(jù)負(fù)荷變化及時地調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速,維持水流的平穩(wěn)性,從節(jié)能角度看,變頻水泵的工作電流相對工頻水泵較小,因而其整體的能耗水平更低。變頻供水技術(shù)是當(dāng)前建筑物節(jié)能供水的重要形式,通常將變頻水泵作為給水加壓系統(tǒng)的核心設(shè)備。但變頻水泵的價格比工頻水泵更加昂貴,這是導(dǎo)致一些建筑工程項(xiàng)目放棄變頻水泵,轉(zhuǎn)而使用工頻水泵的直接原因。另外,并非所有的工況下都要采用變頻水泵,如果供水符合非常穩(wěn)定,不存在忽大忽小的情況,使用工頻水泵將起到節(jié)約成本的作用。

典型的應(yīng)用場景是大于100m 的高層建筑采用高位水箱重力供水的模式,工頻水泵了用于對高位水箱補(bǔ)水,由于過程比較簡單,幾乎不存在負(fù)荷變化,因而這種情況下可采用工頻水泵,能耗可控[2]?？梢?在不同的供水工況下要合理選擇水泵的技術(shù)類型,發(fā)揮節(jié)能型供水設(shè)備的優(yōu)勢。如果在變負(fù)荷的情況下采用工頻水泵,就會造成能源和水資源的雙重浪費(fèi)。最典型的問題是超壓出流,這是由水泵供水壓力過大所引起的,而供水壓力實(shí)際上就是能耗。

1.3 高層建筑分區(qū)供水設(shè)計(jì)不合理

高層建筑給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)常采用分區(qū)、分段供水的方式,其主要目的是維持高層建筑各個樓層供水壓力的穩(wěn)定性,但如果樓層分區(qū)設(shè)計(jì)不合理,就會出現(xiàn)供水壓力不足或者供水壓力過大的問題。壓力不足通常是在某一分段的上部樓層,而壓力過大主要集中在某一分區(qū)的下部樓層。如果發(fā)現(xiàn)壓力不足,往往要通過水泵增加,此時雖然滿足了中上部樓層的供水壓力,但靠下的樓層卻會出現(xiàn)供水壓力超過設(shè)計(jì)承載能力的問題,一方面威脅到給水管件、閥門等配套設(shè)施的安全性,另一方面也會造成超壓出流[3]。因此如果不能合理設(shè)計(jì)分區(qū),供水過程中的能耗控制和水資源控制目標(biāo)都會落空。

1.4 缺乏有效節(jié)水措施導(dǎo)致給水設(shè)備高位運(yùn)行

表面上看節(jié)水與節(jié)能是兩個不同的概念,實(shí)際上二者相互影響,當(dāng)建筑物缺乏有效節(jié)水措施時,為了滿足用水需求,給水系統(tǒng)的整體運(yùn)行時間會更長,因而能耗也更高。造成建筑物節(jié)水效果差的原因包括缺乏雨水回收利用設(shè)計(jì)、超壓出流、清潔水箱、無效冷水排放等。以水箱為例,無論是設(shè)置在高層建筑樓頂?shù)母呶凰?還是設(shè)置在地下室的低位水箱,長期使用之后都會存在內(nèi)部污染的問題,因而需定期清潔,這一過程中會會浪費(fèi)大量的水資源。

2 綠色建筑理念下的給排水節(jié)能新技術(shù)及其應(yīng)用

2.1 使用新型建筑節(jié)能給水設(shè)備和技術(shù)

傳統(tǒng)的建筑給排水系統(tǒng)設(shè)備并未充分利用市政供水的余壓,造成一定程度的能源浪費(fèi),無負(fù)壓恒壓供水是一種相對新穎的節(jié)能型供水技術(shù),這種市政供水方式的優(yōu)點(diǎn)在于無需將市政水先存儲在水箱中,而是利用加壓設(shè)備直接將市政供水加壓送到高層用水終端。由于市政供水本身就具有一定的余壓,而無負(fù)壓恒壓供水設(shè)備利用變頻調(diào)節(jié)的方式自動化地彌補(bǔ)壓力缺口,精確控制供水壓力,于是市政供水的壓力就轉(zhuǎn)化為高層建筑供水的一部分動力源。

另一方面,雖然無負(fù)壓供水設(shè)備中也設(shè)計(jì)了水箱,以便于在市政供水故障的情況下維持短時間內(nèi)的用水需求。但這種設(shè)備的優(yōu)勢在于其水箱為不銹鋼全密封結(jié)構(gòu),幾乎不會產(chǎn)生水資源污染的情況,因而也無需清潔水箱,不會造成水資源浪費(fèi)以及更高的能耗[4]。由于此類設(shè)備充分利用了市政供水的余壓,可減少越1/3的水泵養(yǎng)成,節(jié)能效果突出。但在具體應(yīng)用過程中需獲得市政部門的批準(zhǔn),因?yàn)榇祟愒O(shè)備直接從市政供水中吸水,有可能導(dǎo)致其他市政用水單位水壓不足,在設(shè)計(jì)時要全盤考慮和規(guī)劃。

2.2 開發(fā)利用中水,減少自來水供應(yīng)設(shè)備運(yùn)行時長

綠色建筑給排水節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)秉持“開源節(jié)流”的基本思想,除了降低建筑給排水系統(tǒng)中各類設(shè)備的直接能耗水平外,還可轉(zhuǎn)換思路,通過節(jié)約用水來降低給水系統(tǒng)的運(yùn)行時長,從而達(dá)到節(jié)能控制的目標(biāo)。在這一方面,開發(fā)利用中水的效果最為突出,在現(xiàn)代化的建筑設(shè)計(jì)中,中水回用已經(jīng)成為不可缺失的一部分。

(1)中水的水源。中水是建筑物空調(diào)系統(tǒng)冷卻水、生活污水以及雨水的合稱,將這些水資源經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚碇罂捎米鹘ㄖ镏苓吘G化、衛(wèi)生間沖廁等。降低了對市政自來水的消耗,這一過程中可產(chǎn)生一定的節(jié)能效果。

(2)雨水的回收利用。雨水是中水的重要組成部分,在建筑設(shè)計(jì)中需設(shè)計(jì)專門的雨水回收裝置,圖1是一種典型的雨水回收利用設(shè)計(jì)方案,借助建筑物上設(shè)計(jì)的屋面排水管將雨水收集到截污掛籃,過濾掉較大的垃圾異物,然后再通過氣流過濾裝置和雨水過濾器進(jìn)一步過濾沉淀,雨水進(jìn)入水池之后經(jīng)提升泵加壓用于綠化及沖廁等[5]。這一過程水路程較短,實(shí)現(xiàn)了就近利用,無需遠(yuǎn)距離輸送,其節(jié)能效果突出。

(3)生活污水及廢水的回收利用。由于生活污水及廢水中含有較多難以直接處理的污物,因而需經(jīng)過專門的中水處理站實(shí)現(xiàn)凈化,而中水處理站的選址問題將直接關(guān)系到后期使用的能耗水平,對于建筑群,中水處理站選址要考慮到各個用水區(qū)的分布,因?yàn)檩斔^程中勢必會消耗電力能源,合理布置中水處理站可降低整體能耗。原則上應(yīng)將中水處理站布置在所收集污廢水建筑群與中水回用點(diǎn)便于連接的地中水的供水方式主要包括余壓供水系統(tǒng)、水泵+水箱供水系統(tǒng)等。同樣的,中水設(shè)備設(shè)置在靠近建筑群的位置上,其輸水過程的能耗相對于市政水更低,可起到良好的節(jié)能效果。

2.3 采用清潔型建筑熱水供應(yīng)技術(shù)

建筑采暖、洗漱等均要使用熱水,而熱水供應(yīng)系統(tǒng)是建筑物中的高能耗單位,從分類來看,采暖主要由市政熱力管網(wǎng)集中供水,經(jīng)由建筑物內(nèi)的地暖和暖氣片發(fā)揮作用,目前國內(nèi)的市政熱力管網(wǎng)的熱能以熱力發(fā)電的產(chǎn)生的余熱為主,其碳排放水平很高。在綠色建筑設(shè)計(jì)中要重視開發(fā)利用清潔熱源,實(shí)現(xiàn)建筑熱水供應(yīng)的綠色化、節(jié)能化以及無污染化。典型的技術(shù)路徑為地?zé)崮芄┧?目前已經(jīng)建設(shè)了一批成功的案例,西安交通大學(xué)創(chuàng)新港采用大規(guī)模無干擾地?zé)峁嵯到y(tǒng)為159 萬平方米的建筑物供應(yīng)生活熱水,加熱水源的能量為地下幾千米的地?zé)崮?清潔、高效、無污染,節(jié)能效果和環(huán)保效果遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的市政集中供水系統(tǒng)。當(dāng)然,不可否認(rèn)的是這種熱水供應(yīng)方式建造成本極高,更加適用于大型公共基礎(chǔ)設(shè)施、大型商業(yè)建筑等。在住宅建筑室內(nèi)洗漱熱水供應(yīng)方面推薦采用太陽能熱水加熱系統(tǒng),并且現(xiàn)階段這種熱水供應(yīng)系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)形成了一定的規(guī)模,一方面為用戶節(jié)約生活成本,另一方面則顯著地降低了能耗[6]。

2.4 優(yōu)化及創(chuàng)新傳統(tǒng)給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的建筑給排水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中常常存在一定的缺陷,導(dǎo)致其整體能耗水平偏高,如水泵選型不合理、管材阻力大、供水設(shè)備易污染、高層建筑供水分區(qū)設(shè)計(jì)不合理等。在綠色建筑給排水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)中要對這些傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案加以優(yōu)化和創(chuàng)新。例如,在建筑物給排水管路的選型上要優(yōu)先使用阻力小、抗污染、耐久性強(qiáng)的新型管材,如PE 管材、PVC 管材等。在建筑供水分區(qū)設(shè)計(jì)中要嚴(yán)格控制每一分區(qū)的建筑物總高度,既要考慮到最不利點(diǎn)的供水壓力需求,又要防止有利點(diǎn)供水壓力過大的問題,高層建筑物供水分區(qū)通常按照高、中、低三部分劃分,低區(qū)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+變頻泵供水的方式。

3 結(jié)語

建筑物給排水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)涵蓋了多個方面,新型節(jié)能設(shè)計(jì)方案主要包括無負(fù)壓恒壓供水技術(shù)、清潔能源熱水供應(yīng)技術(shù)、中水回用以及雨水回收利用等。這些節(jié)能技術(shù)側(cè)重點(diǎn)有所差異,無負(fù)壓恒壓供水技術(shù)重在全面利用市政供水的余壓,清潔能源熱水供應(yīng)系統(tǒng)可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的市政熱力管網(wǎng),節(jié)能環(huán)保效果優(yōu)異。中水回用和雨水回收利用可實(shí)現(xiàn)污廢水及雨水的就近利用,輸送過程能耗低。