魏天云

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院道路工程系，福建福州 350007)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市人口不斷增加，住宅的需求量也在不斷增長。隨著城市化進(jìn)程的日益推進(jìn)，需要消耗大量的水資源，但有些水資源仍遭到嚴(yán)重破壞。我國人均水資源占有量在世界上比較低，而建筑生活的用水量和耗能量占較大比重[1-5]。隨著城市化的不斷推進(jìn)，水資源的利用日趨緊張，再加上政府對(duì)水資源的合理開發(fā)提出了更高的要求，建筑供水系統(tǒng)研究的重要性逐步得到認(rèn)識(shí)，尤其是如何合理利用和優(yōu)化建筑給水系統(tǒng)越來越受到重視。因此，有必要開展建筑住宅給水系統(tǒng)的研究，做到節(jié)水、節(jié)能[6]，合理有效地利用水資源，調(diào)整居民的用水結(jié)構(gòu)，提高用水品質(zhì)，避免水資源利用過程對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞。

1 利用管網(wǎng)余壓節(jié)能

1.1 市政管網(wǎng)水壓直接為低區(qū)供水

對(duì)于層數(shù)較多的建筑來說，利用市政管網(wǎng)水壓很難滿足全部供水，但可以直接給低區(qū)供水。有些技術(shù)人員在管網(wǎng)設(shè)計(jì)過程中，將市政管網(wǎng)進(jìn)水引入地下貯水池，使管網(wǎng)水壓未得到有效發(fā)揮，用戶給水由泵供給，造成市政水壓沒有得到妥善利用。根據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)分析，位于高層建筑低層的洗浴中心、洗衣房、美發(fā)廳、飯店等公共服務(wù)商業(yè)設(shè)施的用水量占總用水量的50%～60%，這些都是通過水泵來供水，沒有很好地利用余壓，導(dǎo)致耗能非常高。為保證城鎮(zhèn)供水的安全，給水管網(wǎng)大多采用環(huán)狀網(wǎng)供水，此供水方式有兩種方法：一種設(shè)計(jì)供水壓力的因素主要考慮市政管網(wǎng)提供的水壓以及用水器具的供水最低工作壓力要求；另一種是根據(jù)樓層的水壓分布情況進(jìn)行分區(qū)，建筑的低層采用市政管網(wǎng)供水，以充分利用余壓，節(jié)約能耗。

1.2 市政管網(wǎng)壓力在高區(qū)中的利用

利用市政管網(wǎng)壓力以及二次加壓的方式可以更好地為高區(qū)供水。

采用管網(wǎng)疊壓供水，可以更好地利用市政管網(wǎng)余壓。為了使設(shè)備達(dá)到穩(wěn)壓、節(jié)能的目的，多在管網(wǎng)上安裝一個(gè)增壓穩(wěn)流給水設(shè)備(余壓利用系統(tǒng))[7-9]，圖1為其工作過程示意圖。由圖1可以看出，管網(wǎng)前端直接連著水泵，水泵進(jìn)水儲(chǔ)水設(shè)備裝有壓力調(diào)節(jié)罐，則調(diào)節(jié)罐內(nèi)的氣體通過真空消除器向外排出，即管網(wǎng)內(nèi)所生成的負(fù)壓可以直接由真空消除器來抑制。管網(wǎng)二次增壓供水是在自來水管網(wǎng)的原有壓力獲得充分利用的基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)的。若用水壓力及水量要求能夠滿足，用水管網(wǎng)直接通過旁通止回閥供水；否則，水泵通過安裝在其上的壓力傳感器(如電接點(diǎn)壓表、壓力控制器等)進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)傳感器的信號(hào)進(jìn)行工作。當(dāng)水泵處于工作條件下，如水泵流量大于自來水管網(wǎng)的水量，系統(tǒng)就維持正常供水；否則，可以利用調(diào)節(jié)罐內(nèi)的水作為補(bǔ)充水源，此時(shí)自來水管網(wǎng)的負(fù)壓由于空氣進(jìn)入調(diào)節(jié)罐而消除。過了用水高峰期，系統(tǒng)就恢復(fù)正常的供水狀態(tài)。管網(wǎng)疊壓供水方式能夠向市政管網(wǎng)進(jìn)行抽水，充分利用市政管網(wǎng)壓力為建筑低層供水。

1.自來水管;2.真空消除器;3.加壓水泵;4.小型膨脹罐;5.壓力傳感器;6.電控柜;7.液位探測(cè)器圖1 管網(wǎng)直連增壓穩(wěn)流給水設(shè)備示意圖

采用貯水池，有利于降低水泵的揚(yáng)程。可以安裝貯水池，避免水泵從市政管網(wǎng)中直接抽水，斷開加壓泵與市政管網(wǎng)的連接，水泵從貯水池吸水。為了更好地利用城市的管網(wǎng)水壓，可以考慮提高貯水池標(biāo)高，以降低加壓水泵的揚(yáng)程。此時(shí)若將整個(gè)水池都安放在某一樓層上，則會(huì)占用較大面積，同時(shí)會(huì)增加結(jié)構(gòu)的荷載?？煽紤]單獨(dú)安裝消防專用水池與生活專用水池，其中生活水池容量不大，占用面積不大，對(duì)結(jié)構(gòu)的荷載影響也不大，可以放置在適當(dāng)?shù)臉菍由匣蛉狗康奈菝嫔?圖2)。

采用加壓泵或者安裝旁通管，減少氣候和季節(jié)對(duì)城市自來水管網(wǎng)的壓力變化影響。在冬季等非用水高峰季節(jié)，市政管網(wǎng)的壓力可高達(dá)0.3～0.4 Mpa，市政管網(wǎng)可以直接向用戶供水，同時(shí)可以將加壓泵打開加壓以確保短暫用水高峰期的需要，做到節(jié)能降耗(圖3)。在用水旺季(7～9月)，市政管網(wǎng)的壓力會(huì)低至0.1～0.2 Mpa，可以安裝旁通管，通過關(guān)閉旁通管閥門并由加壓水泵對(duì)用戶進(jìn)行供水以緩解用水高峰期時(shí)的市政管網(wǎng)壓力較低的現(xiàn)象。

圖2 提高生活貯水池標(biāo)高示意圖

圖3 季節(jié)性利用市政管網(wǎng)水壓示意圖

2 管路節(jié)能

給水系統(tǒng)管路消耗的能量與管路效率成正比關(guān)系，而管路效率隨著管路阻力的增大而降低。為了提高管路效率，必須減少給水系統(tǒng)管路阻力，從而降低能量損耗。目前，管路節(jié)能途徑主要有以下幾種。

(1)選用合適的管材。通過改善液體流動(dòng)的邊界條件可以降低管路沿程阻力，關(guān)鍵要解決流體與壁面的分離，防止產(chǎn)生漩渦區(qū)或者降低漩渦區(qū)的大小和強(qiáng)度?？梢钥紤]采用復(fù)合管、玻璃鋼管以及塑料管等較低阻耗管材。

(2)嚴(yán)格控制管件的數(shù)量。管路中的管件增多，則造成建設(shè)成本增加，還會(huì)導(dǎo)致局部損失幾率提高，只要能使供水系統(tǒng)正常運(yùn)行，使用的管件數(shù)量越少越好。

(3)合理選擇管徑。由達(dá)西公式可知，管路中圓管水頭的損失和給水管徑的五次方之間成反比例關(guān)系。為了減少給水系統(tǒng)管路水頭損失，可以合理提高配水管徑。但是管徑增加，成本也隨著增大，在管路設(shè)計(jì)過程中，為了更好地節(jié)能，必須正確選擇管徑的大小，以便減少水頭損失。

(4)降低管路長度。管路沿程損失與管路長度成正比關(guān)系，合理地降低管路的長度，能夠降低管路沿程損失，降低能耗。

(5)保證水泵葉輪進(jìn)口處的流態(tài)均勻。

3 保證管路的密封性

如果管路的密封性不好，空氣就會(huì)在管路的負(fù)壓處跑進(jìn)管內(nèi)，導(dǎo)致管路負(fù)壓處的水流在氣壓下往外泄露，管路的效率隨著泄漏量的增多而降低。同時(shí)，管道內(nèi)的空氣使過水?dāng)嗝婷娣e減少，未有效利用管徑也會(huì)造成管路的效率降低。因此，管路中的承插接頭或者法蘭必須連接牢靠，要經(jīng)常檢查管路是否出現(xiàn)裂縫、伸縮縫的止水是否遭到破壞，以確保管路的密封性完好，使其高效運(yùn)行。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

某城市小區(qū)泵站系統(tǒng)設(shè)計(jì)劃分為高區(qū)和低區(qū)兩個(gè)系統(tǒng)，總的日供水量為1400 m3，其中高區(qū)的日供水量為450 m3，低區(qū)的日供水量為950 m3。高區(qū)和低區(qū)的出水壓力分別為0.78 MPa和0.42 MPa，市政管網(wǎng)的進(jìn)水壓力為0.35 MPa。

為便于比較泵站改造前后的節(jié)能效果，采用兩套方案。方案一：低區(qū)和高區(qū)分別采用不同供水能力的傳統(tǒng)變頻供水系統(tǒng)；方案二：在傳統(tǒng)的變頻供水系統(tǒng)中引入余壓利用系統(tǒng)，即將余壓利用器與市政進(jìn)水管連接在一起，同時(shí)在余壓利用器上安裝水池回水管，并采用連接管將余壓利用器和高、低區(qū)的吸水管連接起來。改造后的系統(tǒng)可為用戶提供多種選擇，即通過閥門切換來選擇泵站工作方式，可在高、低區(qū)單獨(dú)使用余壓利用器，或在高、低區(qū)同時(shí)使用余壓利用器，也可不使用余壓利用器。表1是小區(qū)泵站改造前后的耗電量對(duì)比。

表1 泵站改造前后的耗電量對(duì)比

由表1可以看出，若在高、低區(qū)同時(shí)使用余壓利用器，其節(jié)能率達(dá)到40.6%，節(jié)能效果顯著。這是由于使用了余壓利用器之后，市政進(jìn)水泄入水池的量減少了，從而降低市政進(jìn)水的水力損失，提高供水管網(wǎng)的入口壓力。隨著管網(wǎng)入口壓力的提高，變頻泵在各個(gè)時(shí)段的轉(zhuǎn)速降低，則泵的軸功率也隨著降低。

5 結(jié)論

根據(jù)市政管網(wǎng)提供的水壓以及用水器具的供水最低工作壓力要求，建筑的低區(qū)采用市政管網(wǎng)供水，以充分利用余壓，節(jié)約能耗。通過減少給水系統(tǒng)管路阻力，以提高管路效率，同時(shí)要確保管路的密封性完好，使其高效運(yùn)行，從而降低能量損耗。

管網(wǎng)疊壓供水方式能夠向市政管網(wǎng)進(jìn)行抽水，充分發(fā)揮市政管網(wǎng)壓力為建筑低層供水，同時(shí)安裝貯水池，避免水泵從市政管網(wǎng)中直接抽水?？煽紤]提高貯水池標(biāo)高，以降低加壓水泵的揚(yáng)程；通過加裝旁通管并配合加壓泵，以克服氣候和季節(jié)對(duì)城市自來水管網(wǎng)的壓力變化影響。

通過小區(qū)泵站改造前后耗電量對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用余壓利用系統(tǒng)之后，市政進(jìn)水的水力損失降低，供水管網(wǎng)的入口壓力增大，從而使泵的軸功率降低，節(jié)能效果顯著。