節(jié)能環(huán)保材料及設(shè)備在給排水中的運用

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(上海師范大學(xué) 建筑工程學(xué)院，上海 201418)

引言

隨著生活水平的提高，人類為發(fā)展和繁榮城市建設(shè)進行了不懈的努力，同時為了造福于子孫后代，營造良好的生活環(huán)境，也肩負著節(jié)約能源、保護環(huán)境的責(zé)任。經(jīng)過20世紀后50年的持續(xù)努力，特別是改革開放以來的快速發(fā)展，中國能源建設(shè)取得了巨大成就，能源供應(yīng)已經(jīng)從以前的嚴重短缺，實現(xiàn)了總量基本平衡。但是，能源品種結(jié)構(gòu)不合理，煤炭直接用于終端消費的比例過大，天然氣、風(fēng)能、太陽能等潔凈能源所占比重過低，能源利用效率、環(huán)保措施與世界先進水平相比還有較大差距。因此，節(jié)約能源和利用太陽能等潔凈能源依然是需要重視的問題。

本文主要從變頻水泵的變頻節(jié)能、二次供水的污染防治等幾個方面，闡述民用建筑特別是住宅給排水設(shè)計中的環(huán)保問題。

1 變頻水泵的變頻節(jié)能

上海市政府自20世紀90年代開始，在全市高架道路和主要景觀道路兩側(cè)進行了多層住宅“平改坡”改造?！捌礁钠隆笔侵冈诮ㄖY(jié)構(gòu)許可的條件下，將多層住宅平屋面改建成坡屋頂，以解決多層舊住宅的防滲漏、隔熱、保溫問題。在“平改坡”的同時，對小區(qū)實施變頻恒壓水泵供水改造，取消了屋頂水箱，不僅減少了對飲用水的二次污染，而且也節(jié)約了電能，使居民從中受益。

下面分析變頻水泵的節(jié)能原理。由流體力學(xué)可知，功率P與流量Q、壓力H之間有如下關(guān)系：

P=Q×H

(1)

流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比，壓力H與轉(zhuǎn)速N的二次方成正比，功率P與轉(zhuǎn)速N的三次方成正比，如果水泵的效率一定，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量下降時，轉(zhuǎn)速N可成比例地下降，而此時軸輸出功率P成三次方關(guān)系下降。即水泵電機的耗電功率與轉(zhuǎn)速近似成三次方的關(guān)系。例如，1臺水泵電機功率為55kW，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時，其耗電量為28.16kW，省電48.8%；當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時，其耗電量為6.875kW，省電87.5%。在使用一般的水泵時，水泵的轉(zhuǎn)速是無法調(diào)節(jié)的，無論用水量多少，水泵依然全速轉(zhuǎn)動，無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，而且功率因數(shù)的降低會導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路中，致使設(shè)備使用效率低下，浪費嚴重。變頻水泵的功率因數(shù)補償功能，減小了無功功率的能量損耗。

有功功率P、無功功率Q與視在功率S有如下關(guān)系：

P=S×cosφ

(2)

Q=S×sinφ

(3)

由(2)式可知，功率因數(shù)cosφ越大，有功功率P越大。普通水泵電機的功率因數(shù)在0.6～0.7之間，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，使得cosφ≈1，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。

普通水泵的電機啟動為直接啟動或Y/D啟動，啟動電流為額定電流的4～7倍，這樣會對機電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，對電網(wǎng)容量的要求很高，而且啟動時產(chǎn)生的震動對擋板和閥門的損害極大，這對設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，變頻器的軟啟動功能使得啟動電流從零開始，啟動電流的最大值也不超過額定電流，從而減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，延長了設(shè)備和閥門的使用壽命，節(jié)省了設(shè)備的維護費用。

變頻水泵特別適合用戶集中的大型社區(qū)，由于變頻水泵的能耗較普通水泵低，在分攤電費時又為用戶節(jié)省了費用。

2 屋頂水箱的二次污染防治

我國在20世紀70至80年代的住宅小區(qū)房屋設(shè)計，由于城市供水僅能供應(yīng)3層用水，所以采用水泵-屋頂水箱聯(lián)合供水的方式，以供3層以上的居民用水。水泵-水箱這種二次供水方式是建筑給排水設(shè)計中保證3層以上住戶用水水壓的必然措施，但也因此增加了屋頂水箱這樣的貯水設(shè)施，增大了水質(zhì)污染的可能性。特別是在戶數(shù)較少的低層住宅樓，容易出現(xiàn)屋頂水箱中的水停留時間超過24h的情況，這樣就產(chǎn)生了飲用水的二次污染。

變頻調(diào)速供水設(shè)備自20世紀90年代以來在住宅小區(qū)供水中得到了廣泛應(yīng)用，它是采用變頻器改變電機的供電頻率，根據(jù)高峰用水量和低谷用水量的不同，采用改變轉(zhuǎn)速的方式進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對水泵的無級調(diào)速和循環(huán)軟起動。現(xiàn)在的住宅小區(qū)大多采用變頻水泵供水，較成功地解決了住宅飲用水的二次污染問題。

3 太陽能熱水器

建筑能耗約占社會總能耗的三分之一，是節(jié)能減排的重點領(lǐng)域，為此建設(shè)部于2005年4月15日印發(fā)了《關(guān)于新建居住建筑嚴格執(zhí)行節(jié)能設(shè)計標準的通知》，強調(diào)了建筑節(jié)能設(shè)計規(guī)范，從源頭上控制建筑能耗。從2006年1月1日起施行的《民用建筑節(jié)能管理規(guī)定》，將建筑節(jié)能標準從節(jié)能50%提高到75%。2007年4月，國家發(fā)改委印發(fā)《推進全國太陽能熱利用工作實施方案》，其中明確提出我國即將制定太陽能熱水器的強制安裝政策。2007年5月18日，國家發(fā)改委、建設(shè)部聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于加快太陽能熱水系統(tǒng)推廣應(yīng)用工作的通知》(發(fā)改能源[2007]1031號)，提出“有條件的醫(yī)院、學(xué)校、飯店、游泳池、公共浴室等熱水消耗大戶，要優(yōu)先采用太陽能集中熱水系統(tǒng)；新建建筑在設(shè)計時，要預(yù)設(shè)安裝太陽能熱水系統(tǒng)的位置和管道等構(gòu)件，盡可能安裝太陽能熱水系統(tǒng)；對于既有建筑，如具備條件也要支持安裝太陽能熱水系統(tǒng)；政府機構(gòu)的建筑和政府投資建設(shè)的建筑要帶頭使用太陽能熱水系統(tǒng);在有條件的農(nóng)村地區(qū)也要積極推廣太陽能熱水系統(tǒng)及太陽灶等其他經(jīng)濟實用的太陽能熱利用技術(shù)，把推廣應(yīng)用太陽能熱利用技術(shù)作為社會主義新農(nóng)村建設(shè)的重要措施予以重視。”

太陽能熱水器按結(jié)構(gòu)形式分為真空管式太陽能熱水器和平板式太陽能熱水器，目前以真空管式太陽能熱水器為主，占據(jù)國內(nèi)95%的市場份額。真空管式家用太陽能熱水器是由集熱管、儲水箱及支架等相關(guān)附件組成，將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠集熱管。集熱管利用熱水上浮、冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而達到所需溫度。

太陽能主要應(yīng)用于熱水系統(tǒng)，是取之不盡、用之不竭的無污染能源。

4 節(jié)約用水

我國是一個缺水的國家，人均水資源占有量僅為世界人均水資源占有量的四分之一。近20年來，隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的水資源短缺問題也更加突出，而且水污染日益加劇，水質(zhì)性缺水的城市數(shù)量呈上升趨勢，嚴重缺水的城市主要集中在華北和沿海地區(qū)，并已蔓延到南方地區(qū)。上海就是一個典型的水質(zhì)性缺水城市，雖然有黃浦江，卻要到青浦區(qū)的淀山湖、寶山區(qū)陳行水庫或上溯幾十千米的上游取水，因為黃浦江水質(zhì)已嚴重污染，即使加強對自來水的工藝處理，但出水仍然有令人難以接受的異味。水質(zhì)性缺水的直接表現(xiàn)首先是環(huán)境的惡化，而受污染的水體即使勉強用作給水水源，一方面其處理工藝復(fù)雜，處理費用很高；另一方面也難以保證處理后的水質(zhì)優(yōu)良。這種以河流為水源而又面臨水質(zhì)性缺水情況的發(fā)生，主要是由于城市生活污水和工業(yè)廢水的排放造成的。應(yīng)該說，在所有的天然水體中，河流由于流動快、復(fù)氧率高、水流更新期短而使得其自凈能力較其他水體強，但是也受徑污比的制約，即受河流的納污容量的限制。特別是伴隨著近代工業(yè)發(fā)展而產(chǎn)生的大量的、種類繁多的污染物進入水體，它們難于被水中的微生物降解，卻容易通過生物食物鏈富集于生物體，對人造成危害。為了確保飲用水衛(wèi)生，只能不斷地提高飲用水衛(wèi)生標準。因此，節(jié)約用水、減少水源污染成為重要而緊迫的任務(wù)。

以下從衛(wèi)生器具及其給水配件和建筑中水等兩個方面，簡要介紹一下節(jié)約用水。

4.1 采用新型衛(wèi)生器具及給水配件

新型的衛(wèi)生設(shè)備如陶瓷芯水龍頭的密封性能好，開關(guān)可以多次使用而不滴漏，又如虹吸式高效節(jié)水型坐便器每次沖洗水量僅為5L，可節(jié)約50%用水，而舊式衛(wèi)生器具的耗水量大，衛(wèi)生器具給水配件的密封性差，易造成漏水現(xiàn)象。另外，在學(xué)校等的公共浴室如果采用腳踏閥淋浴器、光電淋浴器、計取費用的自閉淋浴器等，可比一般的淋浴器節(jié)水20%～50%。

4.2 利用中水

中水是指各種排水經(jīng)過物理、化學(xué)或生物處理，達到規(guī)定的水質(zhì)標準，可在生活、市政、環(huán)境等范圍內(nèi)雜用的非飲用水，如用來沖洗便器、沖洗汽車、綠化和澆灑道路等。將污水、廢水在經(jīng)過處理后回用，可以使污水無害化、資源化，起到緩解水資源不足的作用。建筑中水系統(tǒng)適用于缺水地區(qū)的各類民用建筑和建筑小區(qū)的新建、改建擴建工程。在GB50336—2002《建筑中水設(shè)計規(guī)范》中，對常用的3種中水處理方法(生物處理法、物理化學(xué)處理法、膜處理)都作了詳細的規(guī)定，同時對中水水源、水質(zhì)標準、中水系統(tǒng)、處理工藝等幾個方面也有具體要求。隨著城市的發(fā)展和人民生活水平的提高，中水系統(tǒng)的普及也越來越成為可能。

目前，中水處理設(shè)備已有定型產(chǎn)品供設(shè)計選用，我國的一些城市已經(jīng)開展了中水技術(shù)開發(fā)和利用的試驗研究，并且有的已在工程中實施。例如北京高碑店污水處理廠將城市污水進行深度處理后，用于電廠冷卻水的研究；上海市白龍港城市污水處理廠中水回用，其沉淀池的出水達到中水回用的設(shè)計目標，中水主要用于沉淀池的加藥稀釋水和污泥脫水裝置的加藥稀釋水、沖洗用水、綠化用水和道路沖洗用水，大大節(jié)約了新水用量。此外，還有上海市青浦第二污水處理廠中水示范工程等。

5 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展與進步，人們越來越意識到環(huán)保的重要性，環(huán)保問題絕不是將污水簡單處理后達標排放那么簡單，建筑給排水中的環(huán)保要求與新材料、新設(shè)備、新工藝密切相關(guān)，新技術(shù)的應(yīng)用也體現(xiàn)了建筑給排水設(shè)計對環(huán)保的日趨重視。

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