基于水平衡測(cè)試技術(shù)對(duì)某建筑用水現(xiàn)狀研究

葉宏亮 馬立山 王伊林 劉鵬霄

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

0 引 言

我國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)一直面臨著水資源短缺重大的水問(wèn)題的挑戰(zhàn).節(jié)水是解決水資源問(wèn)題的根本出路.2014年3月，習(xí)近平總書(shū)記提出節(jié)水十六字方針使節(jié)水?dāng)[在水利工作的首要地位，為我國(guó)節(jié)水事業(yè)跨越式發(fā)展拉開(kāi)了歷史大幕.我國(guó)十三五規(guī)劃綱要(2016～2020年)明確提出：要全面推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)，組織開(kāi)展節(jié)水型單位和節(jié)水標(biāo)桿單位創(chuàng)建，全部省直機(jī)關(guān)和50%以上的省屬事業(yè)單位、中央國(guó)家機(jī)關(guān)所屬在京公共機(jī)構(gòu)建成節(jié)水型單位.2019年1月，水利部率先在水利系統(tǒng)內(nèi)開(kāi)展節(jié)水機(jī)關(guān)建設(shè)，向社會(huì)推廣，帶動(dòng)全社會(huì)節(jié)水.2019年4月18日，《國(guó)家節(jié)水行動(dòng)方案》明確要求推動(dòng)合同節(jié)水管理，實(shí)施水效領(lǐng)跑和節(jié)水認(rèn)證，節(jié)水工作已經(jīng)刻不容緩了[1].

本文是某節(jié)能建筑系統(tǒng)為建立節(jié)水型單位在水平衡測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)上得出該建筑系統(tǒng)的用水現(xiàn)狀并且進(jìn)行節(jié)水潛力分析并提出后續(xù)建設(shè)節(jié)水型單位節(jié)水分析和建議.

1 水平衡測(cè)試

水平衡測(cè)試工作是指在一定的時(shí)段內(nèi)，利用計(jì)量測(cè)試儀器對(duì)企業(yè)的用水系統(tǒng)(或用水單元)取、耗、排等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、采集、整理、分析，在水量平衡原理基礎(chǔ)上對(duì)各用水環(huán)節(jié)中存在的問(wèn)題提出節(jié)水技術(shù)改造措施和加強(qiáng)用水管理的建議.水平衡測(cè)試可以摸清單位的用水現(xiàn)狀，了解用水水平，幫助單位查找用水的薄弱環(huán)節(jié)，使單位通過(guò)加強(qiáng)管理和技術(shù)改造，達(dá)到節(jié)水、節(jié)能、降耗的目的，從而產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.水平衡測(cè)試是促進(jìn)企業(yè)節(jié)水最重要的基礎(chǔ)性工作.

1.1 水平衡測(cè)試基礎(chǔ)

水平衡測(cè)試的核心就是水量的平衡[2]，在某個(gè)區(qū)域任何一個(gè)時(shí)間段內(nèi)水的變化量一定等于該時(shí)段內(nèi)輸入的水量與輸出的水量之差，即水量是平衡的，這也符合質(zhì)量守恒定律[3].水量平衡的基礎(chǔ)就是水力學(xué)中的連續(xù)方程.

連續(xù)方程：

(1)

即：

Q進(jìn)=Q出

(2)

在實(shí)際的水平衡測(cè)試中，我們采用的是簡(jiǎn)化后的模型，以水的流向?yàn)閰⒖紝?duì)輸入和排出系統(tǒng)的水量進(jìn)行測(cè)試，可以避免水的不同化學(xué)成分和物理狀態(tài)對(duì)水平衡計(jì)量的影響.水平衡基本圖如下：

圖1 水平衡示意圖

圖中：

vf—用水系統(tǒng)新水量，m3/d；vs—進(jìn)入用水系統(tǒng)串聯(lián)水量，m3/d；

vco—用水系統(tǒng)耗水量，m3/d；vd—用水系統(tǒng)排水量，m3/d；

繼而根據(jù)水量守恒可得出平衡方程式：

(3)

通過(guò)水平衡測(cè)試[4]，可以很直觀的了解用水系統(tǒng)中水的來(lái)水量，及各個(gè)子系統(tǒng)的用水量；可以很快控制用水系統(tǒng)的漏損量，方便管理者對(duì)用水系統(tǒng)的控制.

1.2 水平衡測(cè)試方法

本次水平衡測(cè)試采用逐級(jí)平衡法進(jìn)行測(cè)試.測(cè)試時(shí)段將單位用水時(shí)段進(jìn)行科學(xué)劃分進(jìn)行測(cè)試.這次水平衡測(cè)試是在單位正常運(yùn)行情況下進(jìn)行的，測(cè)試的時(shí)段與運(yùn)行周期一致.根據(jù)不同的測(cè)試斷面采用不同的測(cè)試方法.對(duì)于有水表的管路首先對(duì)計(jì)量水表進(jìn)行比對(duì)校測(cè)，在確保水表準(zhǔn)確可靠的前提下，用讀表法進(jìn)行測(cè)量；出水量較大的管路用超聲波流量計(jì)累計(jì)流量法進(jìn)行測(cè)量；出水量較小的管路用調(diào)查法進(jìn)行測(cè)量.

此次測(cè)試對(duì)于采用累積水量的方法進(jìn)行測(cè)試的測(cè)點(diǎn)，每一個(gè)測(cè)點(diǎn)都根據(jù)事先選好的時(shí)段進(jìn)行記錄，以反映各時(shí)段各單位的用水量；對(duì)于瞬時(shí)水量的方法進(jìn)行測(cè)試的測(cè)點(diǎn)，根據(jù)測(cè)試多次數(shù)值取平均值并根據(jù)其每天的用水時(shí)間得出其日用水量.

1.3 水平衡測(cè)試過(guò)程

本次該建筑系統(tǒng)水平衡測(cè)試工作[5]的水平衡測(cè)試過(guò)程見(jiàn)圖2.

圖2 水平衡測(cè)試過(guò)程圖

1.4 水平衡測(cè)試結(jié)果

對(duì)本次水平衡測(cè)試系統(tǒng)劃分為：各樓生活用水、冷卻塔用水、景觀水體用水、綠化用水、食堂用水五個(gè)子系統(tǒng).各子系統(tǒng)內(nèi)部又按照不同的用水情況進(jìn)行劃分.按照各系統(tǒng)的用水邊界、進(jìn)出各子系統(tǒng)的出水量及各用水系統(tǒng)之間的關(guān)系，建立平衡模型圖和平衡方程式.

經(jīng)過(guò)對(duì)該建筑系統(tǒng)各類(lèi)水量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)原始資料進(jìn)行了綜合整理、計(jì)算和分類(lèi).按照《節(jié)水型企業(yè)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(GB/T7119-2006)和《節(jié)水型單位建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》[6]，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算.該建筑系統(tǒng)正常工作日取水量122m3；周六取水量88m3；周日和節(jié)假日取水量60m3；正常工作日耗水量為64m3；排水量為58m3；周六耗水量為59m3；排水量為29m3；周日和節(jié)假日耗水量為49.2m3；排水量為10.8m3.

根據(jù)水平衡測(cè)試結(jié)果得出該建筑系統(tǒng)的用水結(jié)構(gòu)圖，如圖3、4、5所示.

圖3 周六用水結(jié)構(gòu)圖 圖4 正常工作日用水結(jié)構(gòu)圖 圖5 周日用水結(jié)構(gòu)圖

1.5 單位用水過(guò)程分析

根據(jù)《企業(yè)水平衡測(cè)試通則》的要求，在水平衡測(cè)試過(guò)程中，逐級(jí)對(duì)單位供水管網(wǎng)進(jìn)行了漏失量調(diào)查和測(cè)量.

(1)對(duì)于有條件停水的系統(tǒng)或單元[7]，可選擇在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間，關(guān)閉全部用水閥門(mén)，如果水表繼續(xù)變化，說(shuō)明該用水系統(tǒng)存在管網(wǎng)漏水的現(xiàn)象.而我們從水表在關(guān)閉的時(shí)間到再觀察的時(shí)間中記錄水表變化值大致就可以算出漏失水量.

(2)用超聲波流量計(jì)方法[8]對(duì)該建筑系統(tǒng)的水表進(jìn)行校驗(yàn)，當(dāng)二級(jí)水表的計(jì)量率為100%時(shí)，一級(jí)水表計(jì)量數(shù)值與二級(jí)水表計(jì)量數(shù)值之差即為漏失水量.

單位服務(wù)中心負(fù)責(zé)供排水管網(wǎng)的檢查維護(hù)，制定了具體可行的用水管理制度，并將節(jié)約用水納入獎(jiǎng)勵(lì)考核.經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，單位供水管網(wǎng)無(wú)跑冒滴漏，漏失量忽略不計(jì)，水量漏失率為0.

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的整理分析，單位總供水管道測(cè)試取水量為122 m3/d，5個(gè)用水子系統(tǒng)測(cè)試取水量之和為121 m3/d，測(cè)試不平衡率=(122-121)/122=0.8%.測(cè)試過(guò)程中的單位水量不平衡率在合理范圍之內(nèi).

考慮到實(shí)際測(cè)試條件，單位總供水管道計(jì)量更為準(zhǔn)確，因此，在測(cè)試數(shù)據(jù)平衡分析中，按照總?cè)∷繉?duì)各子系統(tǒng)取水量進(jìn)行平衡調(diào)整.

該建筑系統(tǒng)是以企業(yè)行政辦公為主的非生產(chǎn)性質(zhì)的生活用水類(lèi)型單位，用水主要是消耗于日常用水、衛(wèi)生設(shè)施、沖洗保潔等用水.整個(gè)用水過(guò)程中無(wú)循環(huán)、重復(fù)利用的水量.該建筑單位為封閉的用水單位，不存在串聯(lián)水量.由此可以得出該建筑系統(tǒng)的用水平衡圖，如圖6所示.

圖6 該建筑系統(tǒng)水平衡示意圖

根據(jù)分析該建筑系統(tǒng)的用水結(jié)構(gòu)結(jié)合用水平衡圖制定該建筑系統(tǒng)的用水平衡公式：

vf=vco+vd

(4)

2 節(jié)水潛力分析

2.1 用水現(xiàn)狀

該建筑系統(tǒng)位于河北省中南部石家莊市，屬于資源型缺水地區(qū)[9].供水水源為市政自來(lái)水.該建筑系統(tǒng)實(shí)行雨污分流，雨水由專(zhuān)門(mén)的雨水管路排出單位.所排污水主要為日常生活、衛(wèi)生設(shè)施、沖洗保潔產(chǎn)生的廢水，屬于居民生活污水范疇.各用水部門(mén)的生活污水由各自的污水管道匯總到總排水管道中集中排放到市政污水管網(wǎng).

對(duì)該建筑系統(tǒng)的用水進(jìn)行取樣檢測(cè)，所檢項(xiàng)目均符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)標(biāo)準(zhǔn)要求，可以滿足單位生活用水水質(zhì)要求.

表1 該建筑系統(tǒng)取水水源情況表

注1：“水源類(lèi)型”欄：當(dāng)企業(yè)有多種水源時(shí)，應(yīng)分別按常規(guī)水資源與非常規(guī)水資源填報(bào)；常規(guī)水資源取水量包括：地表水、地下水、自來(lái)水、外購(gòu)軟化水、外購(gòu)蒸汽等；非常規(guī)水資源水量包括：海水、苦咸水、城鎮(zhèn)污水再生水、礦井水等.

注2：有多條輸水管線時(shí)，應(yīng)依次列出其管徑.

一般企業(yè)用水單位分為主要用水單位(各樓生活用水)、輔助用水單位(食堂、冷卻塔)、附屬用水單位(景觀用水、綠化用水).通過(guò)水平衡測(cè)試[10]可知該系統(tǒng)日取水總量為122m3，其中主要是用水單位日總?cè)∷繛?6m3，占總?cè)∷康?5.9%；輔助用水單位日總?cè)∷繛?4m3，占總用水量的36.1%；附屬用水單位日取水總量為22m3，占總?cè)∷康?8%.

該系統(tǒng)日耗水量為64m3，其中主要用水單位(各樓生活用水)日消耗總量為6m3，占總耗水量的9.4%；輔助用水單位(食堂、冷卻塔)日耗水量為36m3，占總耗水量的56.2%；附屬用水單位(景觀用水、綠化用水)日耗水量為22m3，占總耗水量的34.4%.

該系統(tǒng)日排水總量為58m3，其中主要用水單位(各樓生活用水)日排水總量為50m3，占總排水量的86.2%；輔助用水單位(食堂、冷卻塔)日排水總量為為8m3，占總排水量的13.8%；附屬用水單位(景觀用水、綠化用水)日排水總量為0m3，占總排水總量的0%.

該系統(tǒng)[11]各用水單位日取新水量、日耗水量、日排水量比例圖如下圖7所示：

圖7 用水單位日水量比例圖

2.2 用水技術(shù)考核指標(biāo)

(1)人均取水量.

人均取水量按下式計(jì)算：

(5)

式中：

vui—人均取水量，m3/人·d； q—在一定計(jì)量時(shí)間內(nèi)的人數(shù)；

vi—在一定的計(jì)量時(shí)間內(nèi)，單位的取水量，m3；

注：一定時(shí)間指的是對(duì)該系統(tǒng)做水平衡測(cè)試的天數(shù).

該單位在單位日總?cè)∷繛?22m3，本單位職工人數(shù)為1000人；每天來(lái)訪人數(shù)為140人(主要該建筑系統(tǒng)2號(hào)樓為賓館，故而人流量較大)；周六單位日取水量為88m3，在單位的人數(shù)為400人；周日單位日取水量為60m3，在單位人數(shù)為200人.

vui人均=122m3/1000人×22天=2.68m3/人·月；

vui人均=122m3/1140人×22天=2.35m3/人·月(增加來(lái)訪人員)；

vui人均=88m3/400人×4天=0.88m3/人·月；

vui人均=60m3/200人×4天=1.2m3/人·月；

vui人均=(2.68×22+0.88×4+1.2×4)/30=2.24m3/人·月.

(2)綠化取水量.

該系統(tǒng)綠化面積用水量按下式計(jì)算：

單位面積取水量(m3/m2·a)=年綠化用水量(m3)/綠化面積(m2)

(6)

單位綠化面積10000m2，綠化天數(shù)為240天，日取水量為20m3.

該建筑系統(tǒng)綠化用水量：20m3/d×240天=4800m3

綠化面積：10000m2

vui綠化=4800m3/10000m2=0.48m3/m2·年

(3)景觀用水取水量.

該系統(tǒng)景觀用水量按下式計(jì)算：

wja=wjd×dj

(7)

式中：

wja—景觀水體年用水量(m3/a)；wjd—景觀水體平均日補(bǔ)水量(m3/d)；

dj—年平均運(yùn)行天數(shù)(d/a)；

該系統(tǒng)景觀用水平均日補(bǔ)水量為2m3，年平均運(yùn)行天數(shù)為240天.

該建筑系統(tǒng)景觀年用水量為：

2m3/天×240天/年=480m3/年

(4)冷卻塔取水量.

該系統(tǒng)冷卻塔用水量按下式計(jì)算：

wta=wtd×dt

(8)

式中：

wta—冷卻塔補(bǔ)水年用水量(m3/a)；wtd—冷卻塔日均補(bǔ)水量(m3/d)；

dt—冷卻塔每年運(yùn)行天數(shù)(d/a).

該系統(tǒng)冷卻塔每年運(yùn)行天數(shù)為240天，日均補(bǔ)水量為24m3/d.

該建筑系統(tǒng)冷卻塔年補(bǔ)水用水量為：

24m3/d×240天/年=5760m3/年

(5)用水綜合漏失率.

用水綜合漏失率按下式計(jì)算：

(9)

式中：

ki—用水綜合漏失率(%)；vt—在一定計(jì)量時(shí)間內(nèi)，單位的漏失水量(m3)；

vi—在一定計(jì)量時(shí)間內(nèi)，單位的取水量(m3).

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和水平衡測(cè)試，該建筑系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)漏失.

(6)達(dá)標(biāo)排放率.

達(dá)標(biāo)排放率按下式計(jì)算：

(10)

式中：

kp—達(dá)標(biāo)排放率(%)；vp—在一定的計(jì)量時(shí)間內(nèi)，單位的排水量(m3)；

vp′—在一定的計(jì)量時(shí)間內(nèi)，單位的達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的排水量(m3).

該建筑系統(tǒng)所排放的污水主要是日常生活、衛(wèi)生設(shè)施、沖洗保潔產(chǎn)生的廢水屬于居民生活污水的范疇.所以排放的水量都符合標(biāo)準(zhǔn)，即kp=100%.

(7)排水率.

排水率按下式計(jì)算：

(11)

式中：

rd—排水率(%)；vd—總外排廢水量(m3)；

vf—日常生活過(guò)程中的取水量(m3).

該建筑系統(tǒng)總?cè)∷繛?22m3，總外排廢水量為58m3.

所以

rd=58/122=45.9%

(12)

2.3 水量評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算[12]，該建筑系統(tǒng)征程工作日職工人均用水指標(biāo)為2.68m3/人·月，正常工作日職工和來(lái)訪人員人均用水指標(biāo)為2.35m3/人·月，均高于當(dāng)?shù)亍队盟~ 第3部分：生活用水》DB13/T 1161.3-2016中“機(jī)關(guān)事業(yè)單位，辦公場(chǎng)所、寫(xiě)字樓1.2m3/人·月”的定額值，周六人均用水指標(biāo)為0.88m3/人·月，低于定額值，周日、節(jié)假日職工人均用水指標(biāo)為1.2m3/人·月符合定額值.

綠化用水指標(biāo)為：0.48m3/m2·年低于《用水定額 第3部分：生活用水》DB13/T 1161.3-2016中“綠化0.6m3/m2·年”的定額值.

2.4 節(jié)水潛力計(jì)算

本文選用的節(jié)水潛力計(jì)算方法是定額比較法：根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)查找符合研究區(qū)域的用水定額，然后根據(jù)計(jì)算該研究區(qū)域的實(shí)際用水額度進(jìn)行比較.算出研究區(qū)域的節(jié)水潛力.該方法雖然比較主觀，但是卻可以很直觀的算出研究區(qū)域的節(jié)水潛力，適用范圍比較廣泛.其計(jì)算公式為：

節(jié)水潛力=(1-節(jié)水參考值/用水顯示水平)×100%

(13)

查詢(xún)《用水定額 第3部分：生活用水》DB13/T 1161.3-2016可知當(dāng)?shù)厣罟?jié)水參考值為1.2m3/人·月[15]，該單位人均用水量為2.24m3/人·月，根據(jù)定額比較法可以得出該建筑系統(tǒng)的節(jié)水潛力為：

該建筑系統(tǒng)節(jié)水潛力=(1-1.2/2.24)×100%=46.4%

由上節(jié)水潛力計(jì)算可以知道在理想狀態(tài)下該建筑系統(tǒng)日節(jié)水量：

日節(jié)水量=122×46.4%=56.6m3

年節(jié)水量=56.6×240=13584m3

3 用水現(xiàn)狀分析

通過(guò)對(duì)水平衡測(cè)試看出，單位重視用水管理，但仍存在一定的節(jié)水潛力.就單位日常生活用水的整體用水而言，尚有不盡人意之處，根據(jù)《節(jié)水型單位建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》提出以下問(wèn)題：

(1)單位缺少二級(jí)計(jì)量設(shè)施.

(2)單位冷卻塔補(bǔ)水量較大.

(3)單位衛(wèi)生間排水沒(méi)有充分利用.

(4)單位綠化為漫灌方式，而且單位沒(méi)有設(shè)置雨水收集設(shè)施.

(5)單位各樓水龍頭為開(kāi)關(guān)式水龍頭，水流量較大浪費(fèi)水資源.

(6)部分用水點(diǎn)無(wú)節(jié)水宣傳標(biāo)語(yǔ).

(7)部分小便器仍在用水沖洗，浪費(fèi)水資源.

(8)蹲便沖洗水流量過(guò)大.

根據(jù)節(jié)水潛力計(jì)算可以得出該建筑系統(tǒng)具有很大的節(jié)水空間，在提高節(jié)水意識(shí)和不降低用水舒適度的前提下，通過(guò)建筑設(shè)備技術(shù)和水循環(huán)利用技術(shù)，使建筑內(nèi)新取水量和排水量降到最低；再提出合理的用水方法杜絕不必要的浪費(fèi)，最終可以逐步提高用水舒適度，降低人均用水量.

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)一系列節(jié)水政策的提出，節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)取得了很大的進(jìn)步，但是與世界上經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家相比、和我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源、水生態(tài)、水環(huán)境要求相比，差距還是比較明顯的.為了盡快推動(dòng)我國(guó)節(jié)水事業(yè)的發(fā)展，合同節(jié)水管理是目前國(guó)家提倡的一種有效的方法，其核心就是節(jié)水.該建筑系統(tǒng)積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，建立節(jié)水型單位.在改造前，做了水平衡測(cè)試，通過(guò)水平衡測(cè)試分析其節(jié)水潛力.結(jié)合用水現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題根據(jù)實(shí)際情況，在不降低用水舒適度的前提下，在后續(xù)改造中結(jié)合該建筑系統(tǒng)的實(shí)際情況搭建非常規(guī)水源的回收利用，選擇合理的節(jié)水器具.在用水場(chǎng)所，粘貼節(jié)約用水宣傳標(biāo)語(yǔ)；布置展板，發(fā)布節(jié)水信息，宣傳節(jié)水小知識(shí)，以及多種手段加強(qiáng)節(jié)水宣傳常態(tài)化建設(shè).后續(xù)再結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)，構(gòu)建該建筑系統(tǒng)的節(jié)約用水管理信息服務(wù)平臺(tái)，向單位提供基本的水信息.