高层建筑给水方案的选择与优化

第一章 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 研究的提出和意义
能源是人类赖以生存的重要物质基础，是经济发展和社会进步的动力。自古以来，煤炭、石油等化石燃料都是人类主要的能源物质，而随着人口的快速增加、经济的突飞猛进，能源消耗量持续增加，经亿万年形成的化石燃料正面临即将枯竭的严峻形势，引起了世界各国的普遍关注。一方面，传统能源储量逐渐减少。石油、天然气、煤炭等占目前能源消费量绝大部分的传统能源的可开采量快速下降。2013年BP(英国石油)世界能源统计年鉴显示：2012年世界石油总储量为1.68万亿桶，按照目前的开采速度，仅可供开采50多年；全球天然气储量为190万亿立方米，仅可供开采约60年。另一方面，对能源的需求量却不断增加。根据2013年BP世界能源统计年鉴：2006-2012年世界多数国家天然气消费量呈上升态势，部分国家略有下降，但世界总的天然气消费量仍然逐年增加；全球总石油消费量也逐年增加。为应对正日趋严重的能源危机，很多国家积极致力于开发利用太阳能、核能、风能、地热等新能源，也取得了很大进展，但由于新能源技术成本偏高及其本身的特殊性，目前新能源总量很有限，对传统能源的需求量仍会不断增加，这种不平衡的供需关系将加剧能源危机，对社会经济发展极为不利。
我国能源需求量巨大，虽然我国能源资源总量较大，居世界第三位，但我国人口众多，人均能源占有量只约为世界人均能源占有量的40%[1][2]，因此，发展社会节能工作十分必要。建筑能耗是社会总能耗的重要组成部分，其在能源总消耗量中所占的比例逐年上升，已从20世纪70年代末的10%上升到21世纪初的27.6%[3]。根据发达国家的经验，随着社会经济的发展，建筑能耗的比例将继续提高，最终将超越工业、交通等其他高耗能行业而最终居于社会能源消耗的首位，达到33%左右[4]。目前，我国大部分建筑都属于高耗能建筑，因此，建筑业具有很大的节能潜力。发展建筑节能技术对于促进能源的节约和合理利用、实现我国社会经济的可持续发展有着重要的意义。
随着我国经济建设的发展和城市化进程的推进，大量建筑建设正在进行或即将展开，10层和10层以上的住宅或建筑高度超过24米的其他民用建筑等高层建筑越来越多，其高度和层数也在不断增加。随着人民生活水平的提高和用水设备的发展，居民生活用水标准也有所提高。高层建筑供水高度大、用水要求较高，市政供水管网压力一般不能满足建筑高楼层的水压要求，故需要对不能由市政管网供水的楼层采用二次加压供水系统。因此，高层建筑给水系统的耗能量很大，若高层建筑给水系统设计不合理则不仅会影响用户的正常使用，而且会造成大量的能量浪费和水资源浪费，所以，高层建筑生活给水系统的设计工作不容忽视。
在进行高层建筑生活给水系统设计时，除了要满足现行规范的要求，还应充分考虑建筑的实际用水情况。合理的建筑给水系统，不仅要满足用户对水量、水压和水质的要求，确保供水安全可靠，还应该节水节能，满足经济性要求。但在实际工程中，有些工程设计人员对此并未足够重视，在进行高层建筑给水系统设计时缺乏统筹考虑，过分强调给水的安全性，或者没有考虑建筑的实际用水情况，都会造成不必要的电能和水资源的浪费。因此，对高层建筑二次供水系统进行节能优化研究是非常必要和有意义的。在高层建筑生活给水系统的设计中如何进行系统优化，有效减少给水系统的无效能耗，在满足用水安全可靠性的基础上实现节水、节能，降低给水系统的建设和运营费用，成为了高层建筑生活给水系统设计的重点和难点，也是设计工作者需要解决的问题。
1.1.2 高层建筑生活给水系统能量损失现状
高层建筑生活用水的加压输送需要耗费大量的电能。水泵机组输水的电耗是构成供水成本的主要部分，也是建筑给水系统节能的重点研究对象。水泵机组耗能的大小与输水量、输水高度、给水方式、水泵选型、水压损失有关，从这方面来说，节水就意味着节能，因此，建筑给水系统的节能优化研究可从降低用水量和能耗两个方面来研究。从现有高层建筑来看，给水系统的水量和能量损失主要由下列几方面因素造成。
（1）超压出流现象
建筑生活给水系统的水压，必须能够将用户需要的水量输送至建筑内最不利配水点处，并保证有足够的流出水头。满足卫生器具和用水设备用途要求而规定的，其配水口在单位时间流出的水量称为额定流量[5]。各种配水装置为克服给水配件内摩阻、冲击及流速变化等阻力，而放出额定流量所需的最小静水压力称为最低工作压力[5]。给水配件前的压力大于其最低工作压力，给水配件在单位时间内的出水量超过额定流量的现象，称超压出流现象[6]。该流量与卫生器具额定流量之间的差值，称为超压出流量。为了满足最不利配水点的水头要求，其它配水点必然会出现超压出流现象。超压出流会破坏建筑内各用水点的正常水量分配，影响用户的使用舒适性，而且超压出流的水不会产生任何效益，称其为无效水量，这部分无效水量会造成水资源浪费和电能浪费，这对于降低建筑给水能耗、实现建筑节水节能目标是不利的。
在我国现行的《建筑给水排水设计规范》中，虽然对卫生器具和入户支管的最大静水压力做了限制性规定，但这只是为了防止卫生器具因承压过高而损坏，并未考虑到给水配件的超压出流现象，因此对最大静水压力规定的限制值过高，不能起到限制超压出流的作用。在实际应用中，应从防止给水配件超压出流的角度，对给水配件的最大静水压力做出合理限定[7]。
（2）加压贮水系统选择不合理造成浪费
由于高层建筑给水系统涉及到二次供水，需要确定系统给水方式、竖向分区以及水泵机组配置等方面内容，而这些内容决定了给水系统的可行性和合理性。在进行设计时，一些设计人员只求符合设计规范要求，并未考虑供水设备及管道等的投资以及系统运行能耗，导致设计理论上可行，但在实际应用中会造成大量的水资源、能量以及设备等的浪费。给水系统竖向分区的不合理，给水方式选择的不合理，以及水泵机组选型配置方案的不合理都会造成不同程度的浪费。
1）对于高层建筑给水系统，若竖向分区较多，则各分区内低楼层的用水设备的水头相对较低，超压出流现象不会太严重，造成的水量和能量损失也相对较小，即管网运行能耗较低；但分区多会造成加压设备和供水管网增加，提高给水系统的初期建设费用。分区较少时，则超压出流现象会比较严重，造成大量水量损失并且会提高管网的运行能耗；但系统加压设备和管网较少，系统的初期建设费用会比较低[8][9]。虽然在进行给水系统设计时要考虑节能、节水问题，但也不能片面的为追求节能、节水效果而不顾系统初期建设投资，要兼顾各方面要求，选择合适的竖向分区，以达到给水系统安全、经济合理的要求。
2）给水方式的选择对给水系统的使用效果和工程造价有着重要影响，是高层建筑生活给水系统设计的重点。给水方式的影响因素有很多，包括供水可靠性、水质、节水节能、操作管理、自动化程度、建设投资、占地面积等[5]。高层建筑有几种基本给水方式，每种给水方式都有其优缺点和适用范围，在选择高层建筑的给水方式时，应充分考虑建筑本身的特性，选择适合该建筑的给水方式。不合适的给水方式不仅会造成资源的浪费，严重的甚至会影响给水系统的正常使用。比如部分建筑选择不合适的给水方式，浪费了原有的市政管网的可用水头，造成不必要的供水能耗增加。
3）在这些影响因素中，尤其以水泵机组选择不合理造成的资源浪费最为严重，因为整个给水系统中 95%～98%的电能消耗都是用来维持水泵机组的运转[10]。高层建筑给水系统二次供水的能耗，与加压设备型号、数量、以及水泵机组的运行调配方案密切相关。《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003）3.8.4 规定“生活给水系统采用调速泵组供水时，应按设计秒流量选泵，调速泵在额定转速时的工作点，应位于水泵高效区的末端”[11]。在实际设计工作中，出于对供水安全可靠性的考虑，设计者通常会取偏安全的用水量，导致选择的水泵流量比实际情况偏大，水泵流量选择过大会导致用水点的实际供水压力比计算值偏高，造成超压出流现象，浪费水资源；而且可能会导致水泵不能在其高效区内运行，降低水泵的工作效率，使供水能耗增大，造成能源浪费。由于水泵是按照设计秒流量选择的，而给水系统的流量不可能一直等于设计秒流量，大多数时间都是小于设计秒流量的，因此，应合理选择水泵机组的型号和数量，合理安排水泵机组的运行调配方案，使水泵机组尽可能长时间处于高效区内运行，提高其工作效率，降低供水能耗。
1.2 国内外给水系统节能优化研究现状
高层建筑生活给水系统是由供水管道和一系列附属设施组成，包括用水设备、管道、加压装置等。系统给水分区和给水方式、加压装置的配置等都会影响高层建筑生活给水系统的节能效果。国内外相关人员也对高层建筑给水系统的节能节水设计工作做了很多研究，研究现状如下。
1.2.1 国内研究现状
我国在建筑给水系统方面的研究起步较晚，20世纪90年代开始进行建筑节能的相关研究，主要是借鉴和学习国外的相关技术和经验，并结合我国的基本情况进行一定的理论和技术创新。随着政府和社会对建筑节能重要性的认识，到目前为止，我国颁布了一系列关于建筑节能的规范和标准。目前正在推广实施的标准有《民用建筑设计节能标准》、《公共建筑节能设计标准》、《绿色建筑评价标准》、《民用建筑节能管理办法》等一系列关于建筑节能的规范准则[12][13]。
在政府制定的一系列建筑节能标准的基础上，广大给水排水专业专家和设计工作者也对建筑给水系统节能节水做了大量的研究，以下是众多研究成果中的一部分。

第五章 结论与展望
5.1 结论
本文以高层建筑给水给水系统为研究对象，在分析高层建筑生活给水系统的特点和现有给水系统设计中存在的问题的基础上，对高层建筑给水系统竖向分区、给水方式的选择和增压设备的选择等方面进行了节能优化研究，并给出了医院高层住院楼和高层住宅楼生活给水系统的优化选择方案，得到以下结论：
1、高层建筑给水系统采用分区给水方式可有效降低低楼层的剩余水压，达到节能节水的目的，而且分区数越多节能效果越明显，最多可比不分区给水节约约50%的供水能耗。但供水管网及加压设备投资会随分区数增加而增加，并不是分区数越多越好，因此，在满足给水可靠性和安全性的基础上，应对分区产生的节能价值和系统设备投资额增加量两方面因素进行综合比较分析，得出不同分区数的年费用值情况，以年费用值最低的分区数作为最优分区。
2、高层建筑生活给水方式的选择需要综合考虑各方面因素。每种供水方式都有其优缺点和适用条件，每一建筑对给水系统的设备占用建筑面积、设备投资情况、供水安全性和可靠性、能量消耗情况和管理难易程度等方面的要求也不尽相同，在选择供水方式时既要考虑每种供水方式的特点又要充分考虑业主意见和建筑功能特点。采用三标度层次分析法可对上述定性和定量因素进行系统化、层次化分析，使决策者在进行给水方式选择时可以较容易的判断各方式的优劣，获得满意的结果。
3、高层建筑给水系统的能耗主要是加压水泵的能耗，因此水泵的选择对给水系统节能效果有着重要的影响。合理的水泵配置将提高水泵运行效率、降低供水的无效能耗，水泵配置是否合理主要取决于二方面：（1）水泵的流量和扬程否合理；（2）水泵是否运行在高效区内。因此，可以通过准确地计算水泵的流量和扬程，合理地优化水泵的配置来降低给水系统的加压供水能耗。
4、进行高层建筑生活给水系统设计时，应根据建筑用水特点合理选择用水定额和小时变化系数，可在源头上避免水、电资源的浪费，降低管网、设备等的投资成本。在进行给水方式选择时，可在满足建筑的需求和用水安全可靠性的基础上选择几种可行方案，综合考虑各方案的运行费用和设备投资费用进行技术经济分析，选择年总费用最低的方案作为相对较优方案。
5、本文以合肥市某医院高层住院楼和某高层住宅楼为例，应用上述方法对其生活给水系统进行了优化分析，得出了适合各建筑相对较优的给水方案。第三章对医院高层住院楼生活给水系统的优化分析表明，高区采用水泵水箱联合供水、低区由市政管网直接供水的给水系统设计方案为相对较优的方案。第四章对高层住宅楼生活给水系统的优化分析表明，高区采用水泵水箱联合供水、中区采用变频泵供水、低区由市政管网直接供水的给水系统设计方案为相对较优的方案。
5.2 展望
高层建筑给水系统的优化设计是一项比较复杂的工作，本文主要针对给水系统中的竖向分区、给水方式和增压设备进行了优化分析。由于笔者水平、时间和可利用资源有限，本文在一些问题上仍存在不足，需更深一步的研究和探讨：
1、给水分区数量和给水方式的优化选择方法较复杂，其如何更方便的应用于实践中有待进一步研究。
2、由于时间和人力、物力的限制，只监测了医院住院楼和住宅楼一周的用水量数据，所获得的数据有一定的局限性，有待更多监测数据来充分说明建筑用水规律，从而为以后的给水系统设计提供一定的参考。
3、没有对建筑现有的供水系统组成和供水能耗进行调查分析，从而说明本文给出的优化设计方案相比现有供水方案的节能效果。