中新天津生態(tài)城排水泵站生態(tài)節(jié)能設(shè)計

1 工程概況

2 排水泵站生態(tài)節(jié)能設(shè)計

1）優(yōu)化設(shè)備選擇，降低能源消耗。市政排水泵站運行過程中，水泵是主要的耗電設(shè)備，為使排水泵站的日常運行管理中更加節(jié)能環(huán)保，在工程設(shè)計中主要采用了以下的方式。

（1）水泵選擇。由于居民日常生活用水的不均勻性，使得污水泵站具有排水流量變化幅度較大的特點，為使污水泵始終能夠高效運行，污水泵選用變頻潛水排污泵，水泵在PLC的控制下，根據(jù)水量大小進(jìn)行變頻調(diào)速，使其在高效段運行，節(jié)約能耗。

雨水泵選用潛水軸流（混流）泵并且選用進(jìn)口知名品牌產(chǎn)品，保證了泵站安全、有效地運行并使管理和維護(hù)更為簡便、高效、節(jié)能。水泵運行效率可達(dá)84%以上。

（2）附屬建筑內(nèi)用水設(shè)施均采用節(jié)水型用水器具。選用光電感應(yīng)式延時自動關(guān)閉水龍頭、感應(yīng)式或腳踏式高效節(jié)水型小便器和兩檔式坐便器，以達(dá)到節(jié)水的目的。

2）利用CFD數(shù)值模擬，優(yōu)化泵池設(shè)計。CFD在最近20 a中得到飛速的發(fā)展并在近幾年廣泛的應(yīng)用于分析和改進(jìn)泵站設(shè)計以及水力性能的計算等方面[1]。采用CFD軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，能在短時間內(nèi)較為準(zhǔn)確地預(yù)測水泵裝置的性能并通過改變各種參數(shù)來達(dá)到最佳設(shè)計效果[2]。

以青坨子雨水泵站為例，CFD計算時選取格柵后到水泵出水管口段作為計算區(qū)域，采用三維建模軟件Autodest Inventor，按1∶1比例創(chuàng)建泵站的3D模型。分別模擬了6臺泵全部運行、2臺泵運行以及1臺泵運行時，泵站內(nèi)雨水的流動狀態(tài)，采用Fluent12.1計算流體分析軟件對泵站進(jìn)水流道進(jìn)行了數(shù)值流場計算分析。

根據(jù)模擬計算的結(jié)果，對青坨子雨水泵站進(jìn)行如下優(yōu)化設(shè)計。

對于知識分子的道德，責(zé)難最多的恐怕就是氣節(jié)。氣節(jié)是指堅持正義，在敵人或壓力面前不屈服的品質(zhì)。比如我們常說民族氣節(jié)、革命氣節(jié)。留下“人生自古誰無死、留取丹心照汗青”的文天祥表現(xiàn)出的是民族氣節(jié)；而留下“殺了我一個，還有后來人”的夏明翰表現(xiàn)出的是革命氣節(jié)。

（1）優(yōu)化了泵站前池結(jié)構(gòu)形式，減少了由于流態(tài)紊亂而造成的泵站水力損失，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

（2）對水泵開停泵控制水位進(jìn)行了優(yōu)化，減少了整個泵站運行的損失，見圖1。

圖1 雨水泵站流動模式

3）初期雨水處理，減少對受納水體的污染。隨著城市化進(jìn)度的不斷深化，初期雨水徑流的污染問題引起了人們越來越多的重視。在生態(tài)城的雨水泵站設(shè)計中均考慮了初期雨水的處理問題。在雨水泵站中設(shè)置初期雨水泵將初期雨水提升至規(guī)劃人工濕地，通過濕地處理后排入受納水體，從而保護(hù)了收納水體的水質(zhì)。后期雨水水質(zhì)較為穩(wěn)定，經(jīng)雨水泵站提升后直接排入受納水體，通過生態(tài)城水系的自凈能力進(jìn)行凈化，見圖2。

圖2 雨水泵站排水

以中新天津生態(tài)城東北部片區(qū)雨水泵站為例，該泵站設(shè)計規(guī)模13.6m3/s，共設(shè)置6臺潛水軸流泵，針對初期雨水排放的問題，泵站利用其中一臺水泵在降雨初期將雨水排入規(guī)劃人工濕地進(jìn)行凈化處理，利用調(diào)節(jié)蝶閥調(diào)節(jié)初期雨水管的出水流量。當(dāng)降雨量增大時，關(guān)閉初期雨水出水管調(diào)節(jié)蝶閥，打開后期雨水出水管道蝶閥，通過雨水出水管將雨水排入河道。

4）雨水利用，節(jié)約優(yōu)質(zhì)水資源。隨著現(xiàn)代社會水資源日益緊張，將雨水作為一種資源加以利用不但可以緩解水資源緊張的現(xiàn)狀，還能緩解暴雨對雨水系統(tǒng)的沖擊。

生態(tài)城排水泵站實行分質(zhì)供水，附屬建筑用水由市政給水系統(tǒng)提供，雨水主要用于泵站道路清洗、沖洗車輛和綠化用水等方面。

排水泵站內(nèi)雨水利用主要分為2個方面：雨水下滲及雨水回收利用，見圖3。

圖3 排水泵站雨水利用系統(tǒng)

（1）雨水下滲。雨水入滲地下可補充涵養(yǎng)地下水資源，是一種間接的雨水利用技術(shù)，還有緩解地面沉降、減少水澇和海水倒灌等多種效益。泵站內(nèi)綠地采用下凹式綠地，設(shè)計高程低于泵站設(shè)計地坪5 cm并與景觀設(shè)計相結(jié)合，配以洼地、植被淺溝人工入滲設(shè)施，降雨時，綠地范圍內(nèi)的雨水及部分徑流至低洼綠地內(nèi)的雨水通過下滲方式補充地下水。有研究結(jié)果表明，當(dāng)綠地下凹5～10 cm時，能夠消納自身和相同面積不透水地面的雨水，使5 a一遇日降雨無徑流外排[3]。

（2）雨水回收利用。每座排水泵站都有一定面積的庭院道路，將降落在這部分的雨水收集并回用，不但有利于減輕雨水管道的排放壓力，而且可以節(jié)省部分優(yōu)質(zhì)水資源。以東北部片區(qū)雨水泵站為例，該雨水泵站室外場地面積2 900m2，其中廠區(qū)道路面積約為1 230m2，占室外場地面積的比例為42.4%。設(shè)計考慮將路面部分雨水回收處理后進(jìn)行回用。庭院路面采用高承載透水路面鋪裝方式，為對路面徑流雨水進(jìn)行處理并儲存，利用附屬建筑前停車場地下空間修建雨水砂濾池1座，尺寸L×B×H=12.5m×4m×2.5m。路面雨水通過鋪裝的砂基透水磚及排水盲管內(nèi)，收集至雨水砂濾池內(nèi)，凈化后回用于泵站綠化及道路沖洗等用途。按天津市平均降雨量560mm/a計算，道路面積1 230m2，雨水收集系數(shù)取0.8，則該雨水泵站每年可收集利用的雨水量為 550m3。

雨水收集利用受季節(jié)及降雨量的限制，存在著水量供應(yīng)不均衡的特點，為彌補雨水供應(yīng)的缺陷，考慮采用雨水利用系統(tǒng)與市政中水系統(tǒng)并聯(lián)運行的方式。當(dāng)雨水量充足時，優(yōu)先使用雨水，雨水量不足時，利用市政中水系統(tǒng)進(jìn)行補給。

青坨子雨水泵站經(jīng)過1 a的運行結(jié)果表明，雨水經(jīng)雨水利用系統(tǒng)處理后，其水質(zhì)能夠滿足道路清洗、沖洗車輛和綠化用水等方面的水質(zhì)要求。在雨水量充足的條件下，完全可以代替部分優(yōu)質(zhì)市政水，不僅美化了環(huán)境，節(jié)約了大量的水資源，而且達(dá)到了城市防洪、美化城市景觀和節(jié)能生態(tài)的共贏目的。經(jīng)測算，采用分質(zhì)供水方式，泵站每年可節(jié)約優(yōu)質(zhì)給水1 300m3。

5）太陽能發(fā)電，發(fā)展清潔能源。太陽能作為一種綠色環(huán)保的新型能源，在現(xiàn)代光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展中越來越普遍的在我們身邊加以利用。通過對中新天津生態(tài)城太陽能資源的調(diào)查，該區(qū)域排水泵站可充分利用附屬房間屋頂?shù)目盏貋矸胖锰栯姵胤疥嚕兾蓓敒樘柲馨l(fā)電站，以與屋頂相同的傾角朝南設(shè)置，可以獲得最大的年發(fā)電量而不至于影響建筑的美觀，通過光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，能滿足建筑物內(nèi)的照明、監(jiān)控系統(tǒng)、辦公用電、空調(diào)等工作電源，多余的電力可回饋到電力網(wǎng)。

另外，庭院內(nèi)的照明設(shè)備均采用風(fēng)光互補的發(fā)電方式提供能源，以減少對市電的依賴，見圖4和圖5。

圖4 雨水泵站

圖5 庭院照明

以青坨子雨水泵站為例，根據(jù)該泵站建筑規(guī)模，屋頂太陽電池方陣的總?cè)萘靠蛇_(dá)9.72 kWp（多晶硅太陽電池組件按照屋頂傾斜角度22°設(shè)置，方陣傾斜角度和建筑屋頂傾斜角度保持一致，從而不影響建筑物的美觀），2011年該泵站太陽能發(fā)電量為11 024 kW·h，日均發(fā)電量約為30.2 kW·h。與火力發(fā)電相比較，可以減少二氧化碳的排放量約為8 kg、二氧化硫的排放量約為89 kg、氮氧化物的排放量約為43 kg，所排放的這些氣體如果用森林在一年內(nèi)來吸收，則需要17 hm2面積的森林。

6）全程監(jiān)控，突出節(jié)能和數(shù)字化的理念。以排水泵站為控制節(jié)點，以泵站控制中心為綱領(lǐng)，實現(xiàn)城市排水系統(tǒng)工藝設(shè)備、動力設(shè)備的全程監(jiān)控，排水系統(tǒng)運行參數(shù)的實時采集分析，排水狀態(tài)視頻的實時檢測并綜合氣象會商系統(tǒng)、城市應(yīng)急系統(tǒng)功能與一體，使城市排水系統(tǒng)實現(xiàn)全過程的監(jiān)控，逐步推動城市信息化、數(shù)字化的建設(shè)，提高城市公用設(shè)施的利用效率使設(shè)備安全、合理、可靠地運行，突出生態(tài)城綠色、環(huán)保、節(jié)能和數(shù)字化的理念，見圖6。

圖6 排水泵站控制系統(tǒng)

7）綠色建筑，與周邊環(huán)境和諧相融

（1）設(shè)計構(gòu)思。在考慮經(jīng)濟(jì)效益的同時，創(chuàng)造功能齊全．流程簡單合理的公共建筑，以滿足生態(tài)城東北部產(chǎn)業(yè)園區(qū)整體項目的需求并充分利用土地。

（2）建筑節(jié)能。建筑設(shè)計應(yīng)力求在人、建筑物、自然之間構(gòu)建和諧的關(guān)系。在泵站設(shè)計過程中綜合建筑造型、平面布局、采光通風(fēng)及建筑環(huán)保材料等因素,以減少建筑在運行中的能耗。

泵站附屬用房根據(jù)不同朝向有限度的設(shè)置門窗洞口大小，以達(dá)到合理的窗墻比要求，為避免建筑的外墻、門窗、屋頂熱損失，降低建筑的耗熱量指標(biāo)，采用加厚外墻保溫、中空玻璃外窗、屋面保溫等一系列保障方式，使得建筑節(jié)能率達(dá)到70%。

泵站內(nèi)照明光源采用LED半導(dǎo)體光源，可以在較低功率光源的基礎(chǔ)上，獲得較高的照明效果，大大提高電能的利用率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

3 結(jié)語

在中新天津生態(tài)城排水泵站的設(shè)計過程中，采取了一系列措施，如：雨水利用、CFD數(shù)值模擬及太陽能利用等，使得排水泵站在運行管理過程中能更好的發(fā)揮作用，減少對不可再生資源的需求并與周邊環(huán)境和諧相融，達(dá)到排水泵站運行生態(tài)節(jié)能的目的。

[1]潘中永，李曉俊，袁壽其，等.CFD技術(shù)在泵上的應(yīng)用進(jìn)展[J].水泵技術(shù)，2009，(1)：1-6.

[2]潘 強(qiáng)，王 鋒.CFD軟件在龍子湖泵站設(shè)計中的應(yīng)用[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2010，31(5)：55-57.

[3]張書函，陳建剛，丁躍元.城市雨水利用的基本形式與效益分析方法[J].水利學(xué)報，2007，38(S1)：399-402.