綠色建筑中給排水節能新技術淺析
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摘要：給排水系統是建筑中的主要能耗單元之一，在綠色建筑節能設計中要將給排水系統作為重點工程環節加以控制。此次研究中分析了傳統建筑給排水系統能耗過高的主要原因，討論了市政供水余壓利用不充分、加壓供水設備選型不合理、高層建筑分區供水設計不利等問題造成的能耗。在此基礎上，進一步提出了給排水系統節能新技術的應用，重點分析了無負壓恒壓供水、建筑物中水回用、清潔能源熱水供應等相對較新的節能技術。
關鍵詞：綠色建筑；給排水；節能；新技術
建筑物給排水系統的節能設計方法隨著材料、設備以及工藝的發展而不斷更迭，在綠色建筑設計中要運用各種新設備和新工藝來降低建筑物給排水系統的能耗水平。當前需從多個方面實現這一目標，其一是提高給排水系統中各類能耗設備的能源利用效率，其二是使用清潔能源供熱代替傳統的市政集中供熱，其三是采用中水回用等技術節約水資源，同時降低能耗，新技術的推廣和應用尚需時間。
1建筑給排水系統能耗過高的原因分析
1．1未能充分利用市政供水的余壓
建筑給水系統的主要水源為市政供水，而市政供水為了將水資源從自來水廠輸送到各個終端，必須設置一定的壓力，通常在0．3MPa左右，建筑物供水分為消防、自來水以及生產用水三種，其中用水量和能源消耗量最大的是市政自來水供應。以高層建筑供水為例，通常6層以上建筑物要采用二次加壓供水的方式，常用實現原理是水箱＋變頻泵。水箱可設置在建筑物的地下室，先將市政水存儲在水箱中，再使用變頻泵將水上高層用戶。但是在這一過程中市政供水原本的余壓和功能被卸去，沒有達到有效的利用，這一部分能量也就損失了［1］。
1．2水泵設備選型不合理造成超壓出流
水泵分為工頻和變頻可調速兩種類型，工頻水泵以電機帶動水泵運轉，過程中不可調速。而變頻水泵可采用無沖擊切換、低頻啟動等多種控制模式，可根據負荷變化及時地調整水泵的轉速，維持水流的平穩性，從節能角度看，變頻水泵的工作電流相對工頻水泵較小，因而其整體的能耗水平更低。變頻供水技術是當前建筑物節能供水的重要形式，通常將變頻水泵作為給水加壓系統的核心設備。但變頻水泵的價格比工頻水泵更加昂貴，這是導致一些建筑工程項目放棄變頻水泵，轉而使用工頻水泵的直接原因。另外，并非所有的工況下都要采用變頻水泵，如果供水符合非常穩定，不存在忽大忽小的情況，使用工頻水泵將起到節約成本的作用。典型的應用場景是大于100m的高層建筑采用高位水箱重力供水的模式，工頻水泵了用于對高位水箱補水，由于過程比較簡單，幾乎不存在負荷變化，因而這種情況下可采用工頻水泵，能耗可控［2］。可見，在不同的供水工況下要合理選擇水泵的技術類型，發揮節能型供水設備的優勢。如果在變負荷的情況下采用工頻水泵，就會造成能源和水資源的雙重浪費。最典型的問題是超壓出流，這是由水泵供水壓力過大所引起的，而供水壓力實際上就是能耗。
1．3高層建筑分區供水設計不合理
高層建筑給水系統的設計常采用分區、分段供水的方式，其主要目的是維持高層建筑各個樓層供水壓力的穩定性，但如果樓層分區設計不合理，就會出現供水壓力不足或者供水壓力過大的問題。壓力不足通常是在某一分段的上部樓層，而壓力過大主要集中在某一分區的下部樓層。如果發現壓力不足，往往要通過水泵增加，此時雖然滿足了中上部樓層的供水壓力，但靠下的樓層卻會出現供水壓力超過設計承載能力的問題，一方面威脅到給水管件、閥門等配套設施的安全性，另一方面也會造成超壓出流［3］。因此如果不能合理設計分區，供水過程中的能耗控制和水資源控制目標都會落空。
1．4缺乏有效節水措施導致給水設備高位運行
表面上看節水與節能是兩個不同的概念，實際上二者相互影響，當建筑物缺乏有效節水措施時，為了滿足用水需求，給水系統的整體運行時間會更長，因而能耗也更高。造成建筑物節水效果差的原因包括缺乏雨水回收利用設計、超壓出流、清潔水箱、無效冷水排放等。以水箱為例，無論是設置在高層建筑樓頂的高位水箱，還是設置在地下室的低位水箱，長期使用之后都會存在內部污染的問題，因而需定期清潔，這一過程中會會浪費大量的水資源。
2綠色建筑理念下的給排水節能新技術及其應用
2．1使用新型建筑節能給水設備和技術
傳統的建筑給排水系統設備并未充分利用市政供水的余壓，造成一定程度的能源浪費，無負壓恒壓供水是一種相對新穎的節能型供水技術，這種市政供水方式的優點在于無需將市政水先存儲在水箱中，而是利用加壓設備直接將市政供水加壓送到高層用水終端。由于市政供水本身就具有一定的余壓，而無負壓恒壓供水設備利用變頻調節的方式自動化地彌補壓力缺口，精確控制供水壓力，于是市政供水的壓力就轉化為高層建筑供水的一部分動力源。另一方面，雖然無負壓供水設備中也設計了水箱，以便于在市政供水故障的情況下維持短時間內的用水需求。但這種設備的優勢在于其水箱為不銹鋼全密封結構，幾乎不會產生水資源污染的情況，因而也無需清潔水箱，不會造成水資源浪費以及更高的能耗［4］。由于此類設備充分利用了市政供水的余壓，可減少越1／3的水泵養成，節能效果突出。但在具體應用過程中需獲得市政部門的批準，因為此類設備直接從市政供水中吸水，有可能導致其他市政用水單位水壓不足，在設計時要全盤考慮和規劃。
2．2開發利用中水，減少自來水供應設備運行時長
綠色建筑給排水節能設計應秉持“開源節流”的基本思想，除了降低建筑給排水系統中各類設備的直接能耗水平外，還可轉換思路，通過節約用水來降低給水系統的運行時長，從而達到節能控制的目標。在這一方面，開發利用中水的效果最為突出，在現代化的建筑設計中，中水回用已經成為不可缺失的一部分。（1）中水的水源。中水是建筑物空調系統冷卻水、生活污水以及雨水的合稱，將這些水資源經過適當的處理之后可用作建筑物周邊綠化、衛生間沖廁等。降低了對市政自來水的消耗，這一過程中可產生一定的節能效果。（2）雨水的回收利用。雨水是中水的重要組成部分，在建筑設計中需設計專門的雨水回收裝置，圖1是一種典型的雨水回收利用設計方案，借助建筑物上設計的屋面排水管將雨水收集到截污掛籃，過濾掉較大的垃圾異物，然后再通過氣流過濾裝置和雨水過濾器進一步過濾沉淀，雨水進入水池之后經提升泵加壓用于綠化及沖廁等［5］。這一過程水路程較短，實現了就近利用，無需遠距離輸送，其節能效果突出。（3）生活污水及廢水的回收利用。由于生活污水及廢水中含有較多難以直接處理的污物，因而需經過專門的中水處理站實現凈化，而中水處理站的選址問題將直接關系到后期使用的能耗水平，對于建筑群，中水處理站選址要考慮到各個用水區的分布，因為輸水過程中勢必會消耗電力能源，合理布置中水處理站可降低整體能耗。原則上應將中水處理站布置在所收集污廢水建筑群與中水回用點便于連接的地中水的供水方式主要包括余壓供水系統、水泵＋水箱供水系統等。同樣的，中水設備設置在靠近建筑群的位置上，其輸水過程的能耗相對于市政水更低，可起到良好的節能效果。
2．3采用清潔型建筑熱水供應技術
建筑采暖、洗漱等均要使用熱水，而熱水供應系統是建筑物中的高能耗單位，從分類來看，采暖主要由市政熱力管網集中供水，經由建筑物內的地暖和暖氣片發揮作用，目前國內的市政熱力管網的熱能以熱力發電的產生的余熱為主，其碳排放水平很高。在綠色建筑設計中要重視開發利用清潔熱源，實現建筑熱水供應的綠色化、節能化以及無污染化。典型的技術路徑為地熱能供水，目前已經建設了一批成功的案例，西安交通大學創新港采用大規模無干擾地熱供熱系統為159萬平方米的建筑物供應生活熱水，加熱水源的能量為地下幾千米的地熱能，清）潔、高效、無污染，節能效果和環保效果遠超傳統的市政集中供水系統。當然，不可否認的是這種熱水供應方式建造成本極高，更加適用于大型公共基礎設施、大型商業建筑等。在住宅建筑室內洗漱熱水供應方面推薦采用太陽能熱水加熱系統，并且現階段這種熱水供應系統的應用已經形成了一定的規模，一方面為用戶節約生活成本，另一方面則顯著地降低了能耗［6］。
2．4優化及創新傳統給排水系統設計
傳統的建筑給排水系統在設計中常常存在一定的缺陷，導致其整體能耗水平偏高，如水泵選型不合理、管材阻力大、供水設備易污染、高層建筑供水分區設計不合理等。在綠色建筑給排水系統節能設計中要對這些傳統設計方案加以優化和創新。例如，在建筑物給排水管路的選型上要優先使用阻力小、抗污染、耐久性強的新型管材，如PE管材、PVC管材等。在建筑供水分區設計中要嚴格控制每一分區的建筑物總高度，既要考慮到最不利點的供水壓力需求，又要防止有利點供水壓力過大的問題，高層建筑物供水分區通常按照高、中、低三部分劃分，低區直接采用市政供水，高于100m的建筑物采用高位重力水箱供水，低于100m的建筑物可采用低位水箱＋變頻泵供水的方式。
3結語
建筑物給排水系統節能設計涵蓋了多個方面，新型節能設計方案主要包括無負壓恒壓供水技術、清潔能源熱水供應技術、中水回用以及雨水回收利用等。這些節能技術側重點有所差異，無負壓恒壓供水技術重在全面利用市政供水的余壓，清潔能源熱水供應系統可代替傳統的市政熱力管網，節能環保效果優異。中水回用和雨水回收利用可實現污廢水及雨水的就近利用，輸送過程能耗低。
作者:劉志 單位:山東華邦建設集團有限公司
