高層建筑給排水設(shè)計(jì)中節(jié)水節(jié)能技術(shù)研究

張 蓬 鐘佳恩

（浙江省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

城鎮(zhèn)化建設(shè)中修建了大量的高層建筑以滿足居民的生活、工作、購物和娛樂需求，在建筑的使用過程中會(huì)不可避免地消耗水資源和能源，以提高居民的生活品質(zhì)和居住的舒適度。給排水工程作為建筑物的重要組成部分承擔(dān)著建筑生活用水的供給、日常污水廢水的排放以及自然雨水的收集和利用[1]。傳統(tǒng)的高層建筑給排水設(shè)計(jì)中，由于設(shè)計(jì)理念以及建造經(jīng)費(fèi)的原因，存在雨污混流、管網(wǎng)滲漏、雨水再利用率低、衛(wèi)生器具浪費(fèi)、能耗巨大等不良現(xiàn)象，這與高層建筑的綠色低碳發(fā)展明顯相悖。因此，有必要針對高層建筑給排水設(shè)計(jì)的節(jié)約水資源、節(jié)約能源方面進(jìn)行研究，以提高水資源的利用率，降低建筑物能耗。

1 工程概況

浙江省杭州市某小區(qū)項(xiàng)目位于城區(qū)東南側(cè)DQY-2021L-KM01總地塊，內(nèi)含0219-01地塊和0291-02地塊。該項(xiàng)目總用地面積61627.8m2，其中0219-01地塊用地面積55311.5m2，建筑密度不大于25%，容積率不大于2.9，綠地率不小于35%，控制高度為100m。0291-02地塊用地面積6316.3m2，建筑密度不大于35%，容積率不大于1.2，綠地率不小于30%，控制高度為20m。建設(shè)內(nèi)容由10棟住宅建筑及地下車庫組成，其中4棟28層，3棟18層，2棟17層，1棟17+1層，總戶數(shù)1429戶；地上建筑面積160150m2，地下建筑面積40563m2，總建筑面積200713m2；建筑密度14.7%，容積率2.9，綠地率36.5%，停車位1278個(gè)。兩棟六層商業(yè)樓，地下一層停車場，總建筑面積6307m2。建筑密度35%，容積率1.2，綠地率20%，停車位76個(gè)。

2 高層建筑給排水設(shè)計(jì)中的節(jié)水技術(shù)研究

小區(qū)用水采用分區(qū)域分水質(zhì)的方式進(jìn)行供給，對商業(yè)樓和住宅樓采用市政給水管網(wǎng)輸送淡水，送水方式為下行上給，干流流速為1.3m/s~1.9m/s，可使用水壓為0.16MPa，而對地下車庫的清洗、園林綠化的灌溉等則采用雨水回收再利用系統(tǒng)進(jìn)行供給。住宅樓的用水標(biāo)準(zhǔn)為每人每日50L，設(shè)計(jì)使用人口規(guī)模為6820人，日供水量為341m3，最大小時(shí)用水量為50.3m3/h，平均小時(shí)用水量為33.6m3/h；商業(yè)樓的用水標(biāo)準(zhǔn)為每人每日8L，設(shè)計(jì)使用人口規(guī)模為3350人，日供水量為26.8m3，最大小時(shí)用水量為3.8m3/h，平均小時(shí)用水量為2.4m3/h；未預(yù)見用水取總水量的10%，日供水量為36.78m3，最大小時(shí)用水量為6.7m3/h，平均小時(shí)用水量為4.5m3/h。綜合可知，研究小區(qū)日供水量為404.58m3，最大小時(shí)用水量為60.8m3/h，平均小時(shí)用水量為40.5m3/h。

2.1 高層建筑中水回用系統(tǒng)

為了提高居民生活中產(chǎn)生的廢水污水的重復(fù)再利用率，在給排水設(shè)計(jì)中可以設(shè)置中水回用系統(tǒng)。中水回用系統(tǒng)是指對居民生活產(chǎn)生的不含廁所排水和廚房排水的雜排水進(jìn)行收集、處理和回收再利用，諸如沐浴排水、盥洗排水和洗衣排水等。中水回用系統(tǒng)包括4個(gè)不可分割的部分，具體為原水收集系統(tǒng)、雜排水貯存系統(tǒng)、水質(zhì)處理系統(tǒng)和中水供水系統(tǒng)[2]。中水水質(zhì)是雜排水經(jīng)過一定的處理后無須達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，但比一般的污水水質(zhì)要求高，可應(yīng)用于園林綠化的灌溉、景觀噴泉用水、地下室沖洗用水、道路防塵噴砂用水等。一般而言，按照不同的水質(zhì)指標(biāo)，中水系統(tǒng)收集的雜排水原水可以劃分為優(yōu)質(zhì)雜排水、雜排水和生活污水。優(yōu)質(zhì)雜排水中的BOD5質(zhì)量濃度為50mg/L~80mg/L，CODMn質(zhì)量濃度為120mg/L~200mg/L，SS質(zhì)量濃度為50mg/L~100mg/L；雜排水的BOD5質(zhì)量濃度為80mg/L~150mg/L，CODMn質(zhì)量濃度為100mg/L~250mg/L，SS質(zhì)量濃度為60mg/L~150mg/L；生活污水的BOD5質(zhì)量濃度為100mg/L~150mg/L，CODMn質(zhì)量濃度為200mg/L~350mg/L，SS質(zhì)量濃度為120mg/L~150mg/L。

該研究中的中水回收系統(tǒng)服務(wù)于小區(qū)范圍內(nèi)住宅樓、商業(yè)樓和地下室的建筑小區(qū)中水系統(tǒng)，具有較大的水質(zhì)處理規(guī)模，水管管網(wǎng)的布置復(fù)雜，能夠?qū)⒎?wù)范圍內(nèi)的生活雜排水進(jìn)行一系列的收集、處理、消毒、凈化、供水等操作，具體原理如圖1所示。生活上水管為各個(gè)樓棟、各個(gè)用戶提供生活淡水，為居民的沐浴、洗滌、廚房提供用水，消費(fèi)后產(chǎn)生雜排水。這些雜排水經(jīng)過中水處理單元得到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)符合要求的中水，并經(jīng)過中水回用管用于居民日常的沖廁所用水，或者用于綠化、景觀和洗車等[3-4]。

圖1 高層建筑給排水中水回用系統(tǒng)

2.2 高層建筑雨水收集與調(diào)蓄凈化再利用系統(tǒng)

雨水是天然水質(zhì)較好的資源，經(jīng)過簡單收集和調(diào)蓄凈化即可用于生活綠化雜用水，因此在建筑給排水設(shè)計(jì)中，設(shè)置雨水收集和調(diào)蓄凈化再利用系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)雨水的資源化利用，降低自來水的消耗，達(dá)到節(jié)約水資源的目的[5]。高層建筑雨水收集與調(diào)蓄凈化再利用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖2所示。從圖2可以看出，系統(tǒng)的收集單元可以對建筑小區(qū)服務(wù)范圍內(nèi)的屋面雨水、路面雨水、綠地雨水和其他雨水進(jìn)行收集，經(jīng)過雨水管道、棄流井和截流掛籃等輸送至調(diào)蓄系統(tǒng)，調(diào)蓄系統(tǒng)的調(diào)節(jié)存儲(chǔ)水池和水窖等將其存儲(chǔ)和初步的沉淀，并對雨水進(jìn)行過濾和消毒。處理后的雨水通過配水系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)利用，可以將凈化后的雨水應(yīng)用于市政雜用水、回灌地下水、工業(yè)回用水、綠化消防用水、景觀噴泉用水等。

圖2 高層建筑給排水中雨水收集與截留系統(tǒng)

3 高層建筑給排水設(shè)計(jì)中的節(jié)能技術(shù)研究

3.1 給排水變頻節(jié)能泵站技術(shù)

在高層建筑中，由于各個(gè)樓層的高度不一，為了給高樓層的居民提供用水，需要在給排水系統(tǒng)中設(shè)置泵站，這些泵站在長期運(yùn)營中需要消耗大量電能，特別是在空轉(zhuǎn)條件下。為滿足給排水最不利情況的運(yùn)行需求，泵站處于高效運(yùn)行區(qū)間，泵站的提升功以熱量的形式消散，不僅造成不必要的揚(yáng)程浪費(fèi)，還增加了運(yùn)行成本。因此，在給排水設(shè)計(jì)中可以采用變頻節(jié)能泵站進(jìn)行分區(qū)供水以節(jié)約電能。結(jié)合改研究實(shí)例，具體的分層分區(qū)供水方式如下。

在地下-1層至地上1層，采用市政管網(wǎng)直接供水，不采用變頻泵供水；地上2層至地上10層為供水低區(qū)，采用生活變頻調(diào)速供水設(shè)備，主泵參數(shù)為流量23m3/h，揚(yáng)程75m，主泵功率為15kW/臺(tái)，主泵2用1備用，互為備用；地上11層至20層為供水中區(qū)，采用生活變頻調(diào)速供水設(shè)備，主泵參數(shù)為流量24m3/h，揚(yáng)程105m，主泵功率為15kW/臺(tái)，主泵2用1備用，互為備用；地上21層至28層為供水中區(qū)，采用生活變頻調(diào)速供水設(shè)備，主泵參數(shù)為流量19m3/h，揚(yáng)程135m，主泵功率為18.5kW/臺(tái)，主泵2用1備用，互為備用；室外雨水回用系統(tǒng)采用雨水回用變頻調(diào)速供水設(shè)備，主泵參數(shù)為流量12m3/h，揚(yáng)程35m，主泵功率為4kW/臺(tái)，主泵1用1備用，互為備用。

使用變頻節(jié)能泵站前后的節(jié)能效果對比如圖3所示。從圖3可以看出，在供水低區(qū)使用普通泵站，每小時(shí)耗電量為11.92kW·h。而在使用變頻節(jié)能泵站后，每小時(shí)耗電量為7.39kW·h，每小時(shí)可節(jié)約4.52kW·h，節(jié)能效率為62%；在供水中區(qū)使用普通泵站，每小時(shí)耗電量為33.59kW·h。而在使用變頻節(jié)能泵站后，每小時(shí)耗電量為18.47kW·h，每小時(shí)可節(jié)約15.12kW·h，節(jié)能效率為55%；在供水高區(qū)使用普通泵站，每小時(shí)耗電量為42.48kW·h。而在使用變頻節(jié)能泵站后，每小時(shí)耗電量為27.61kW·h，每小時(shí)可節(jié)約14.86kW·h，節(jié)能效率為65%。

圖3 高層建筑給排水變頻節(jié)能泵站節(jié)能效果

3.2 給排水太陽能熱水系統(tǒng)

太陽能作為儲(chǔ)量巨大的可再生清潔能源，將其作為高層建筑生活供水熱源具有十分良好的應(yīng)用前景[6]。因此，該研究中的高層建筑給排水設(shè)計(jì)使用太陽能生活熱水系統(tǒng)以減少生活熱水對電能或煤炭燃料的依賴[7]。

所研究小區(qū)日供水量為404.58m3，熱水供應(yīng)量按30%計(jì)算，每日供熱量為121.37m3，每臺(tái)太陽能生活熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)每天可產(chǎn)熱水量為5m3，因此可配備24臺(tái)太陽能生活熱水系統(tǒng)，共設(shè)置集熱罐10只，儲(chǔ)熱水箱5個(gè)。太陽能生活熱水系統(tǒng)和電熱供熱系統(tǒng)能耗成本的對比如圖4所示。

圖4 高層建筑給排水太陽能生活熱水系統(tǒng)節(jié)能效果

從圖4可以看出，采用電熱供熱系統(tǒng)，每月的電源消耗較為平均，變化幅度較小，為2010kW·h~2065kW·h，平均值為2040kW·h。而太陽能生活熱水系統(tǒng)受到日照強(qiáng)度的影響，每月的耗電量存在不同程度的波動(dòng)，每月耗電量為541kW·h~1020kW·h，平均值為778kW·h，統(tǒng)計(jì)太陽能生活熱水系統(tǒng)的電能節(jié)約率為26.9%~49.3%。

4 結(jié)論

該文以浙江省杭州市某小區(qū)給排水設(shè)計(jì)為研究背景，研究高層建筑給排水的中水回用系統(tǒng)、雨水收集與調(diào)蓄凈化再利用系統(tǒng)以節(jié)約水資源，并研究變頻節(jié)能泵站技術(shù)、太陽能熱水系統(tǒng)以提高能源利用率。得出的結(jié)論如下：1）小區(qū)用水采用分區(qū)域分水質(zhì)的方式進(jìn)行供給，所研究小區(qū)日供水量為404.58m3，最大小時(shí)用水量為60.8m3/h，平均小時(shí)用水量為40.5m3/h。2）在給排水設(shè)計(jì)中可以設(shè)置中水回用系統(tǒng)，沐浴、洗滌、廚房等雜排水經(jīng)過中水處理單元得到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)符合要求的中水，可用于居民日常的沖廁所用水，或者用于綠化、景觀和洗車等，實(shí)現(xiàn)了水資源的循環(huán)利用。3）在建筑給排水設(shè)計(jì)中設(shè)置雨水收集和調(diào)蓄凈化再利用系統(tǒng)，可以有效實(shí)現(xiàn)雨水的資源化利用，降低自來水的消耗，達(dá)到節(jié)約水資源的目的。4）在供水低區(qū)使用變頻節(jié)能泵站后，每小時(shí)可節(jié)約4.52kW·h，節(jié)能效率為62%；在供水中區(qū)使用變頻節(jié)能泵站后，每小時(shí)可節(jié)約15.12kW·h，節(jié)能效率為55%；在供水高區(qū)使用變頻節(jié)能泵站后，每小時(shí)可節(jié)約14.86kW·h，節(jié)能效率為65%。5）和電熱供熱系統(tǒng)相比，太陽能生活熱水系統(tǒng)受到日照強(qiáng)度的影響，每月的耗電量存在不同程度的波動(dòng)，每月耗電量為541kW·h~1020kW·h，平均值為778kW·h，統(tǒng)計(jì)太陽能生活熱水系統(tǒng)的電能節(jié)約率為26.9%~49.3%。