高層建筑給水能耗構成及分區節能原理分析

林 林，桂歡燕

（1.中國恩菲廣州設計院，廣州 510640；2.廣州大學 土木學院，廣州 510006）

高層建筑給水能耗構成及分區節能原理分析

林 林1，桂歡燕2

（1.中國恩菲廣州設計院，廣州 510640；2.廣州大學 土木學院，廣州 510006）

從水力學的角度對高層建筑給水進行能耗分析，揭示了高層建筑給水的能耗構成，分析了高層建筑給水分區的節能原理及不同分區方法的節能效果。

高層建筑；分區給水；能耗；節能

1 不分區給水的能耗構成

對于不采用分區供水的層數為m的高層建筑，如果各樓層流量依次為qi（i＝1，…，m），各樓層最不利配水點最小服務水頭為Hi，各樓層最不利配水點位置與貯水池水面高差為Zi，各樓層水壓超出所需壓力的剩余水頭為ΔHi（ΔHm=0），各樓層最不利配水點至水泵吸水口的沿程水頭損失和局部水頭損失之和為∑Hi，于是水泵揚程H滿足下式：

式（1）適用于設置貯水池的傳統2次供水方式，對于疊壓供水方式，只需在水泵揚程中扣除市政管網剩余壓力即可。

若建筑物總用水量Q=∑qi，則給水系統能耗為［1］：

顯然，供水能耗可用圖1中矩形ABCD的面積來表示［2］。

由圖1可以看出，供水能耗等于各分矩形面積之和，故該高層建筑的供水能耗可表示為：

式中 N為建筑物供水能耗 （水泵的軸功率）（kW）；γ為水的重度（kg/m3）；Q為建筑總用水量（m3/s）；H為水泵所需總揚程（mH2O）；η為水泵的效率（%）；qi為第i層流量（m3/s）；Zi為第i層最不利配水點位置與貯水池水面高差（m）；Hi為第i層最不利配水點最小服務水頭（mH2O）；ΔHi為水壓超過第i層所需壓力的剩余水頭（mH2O）；∑Hi為第i層最不利配水點至水泵吸水口的沿程水頭損失和局部水頭損失之和（mH2O）。

從圖1分析，并對1～3式進行整理可得：

其中，N1是保證各層最不利配水點的正常出流所必需的最小能量。在進行建筑給水系統設計時，Zi+Hi是確定的，由于這部分能量得到了有效利用，不存在降低能耗的空間。

N2是輸送所需流量時克服沿程水頭損失和局部水頭損失所不可避免要消耗的能量。根據水力學的理論，供水管路的水頭損失可以表示為［3］：

由式（9）可知，降低管道沿程阻力系數λ，增大供水管管徑d，減小局部阻力系數ζ，減小流速，都可以起到減小能耗N2的作用。因此，設計時應該盡量選擇水力特性較好的供水管材和局部阻力小的管件和閥門；管線布置的原則是“短而直”，并采用經濟流速確定管徑，這部分能量可節省的空間有限。

N3是由于不分區導致超壓樓層出流量剩余水壓所消耗的能量。式（7）中，ΔHi是各層配水點的剩余水頭，這部分是白白浪費的能量，沒有被利用。

綜合分析說明，剩余水頭的大小直接影響到配水點的流量大小，當配水龍頭流量大于其額定流量時，就將造成水量和能量的浪費。同時，剩余水壓的存在還會影響給水系統流量的正常分配，縮短配水附件的使用壽命等。所以，減小剩余水頭、降低能耗是減少水量浪費，降低能耗的關鍵。

2 給水系統豎向分區的節能效果

2.1 分區給水能耗構成

分析可知，若要降低高層建筑的供水能耗，主要途徑是減少因為超壓而造成的能量浪費，在設計中可采用分區給水的方式實現。例如，在圖1中第5層處增加分區，分區后的能耗構成如圖2所示。5層以下的剩余水頭均減少ΔH5，低區（≤5層）水泵揚程降為H′。

即為圖2中陰影部分。可見分區可以在一定程度上減少由于剩余水頭所產生的能耗。

分區后減少的能耗用ΔH表示為：

2.2 不同分區方案節能效果比較

為便于比較，假設每層的用水量均相等，每層樓高相等，整個建筑給水系統的總揚程為H，流量為Q。

2.2.1 串聯分區

2.2.2 并聯分區給水

3 結語

（1）高層給水能耗構成由3部分組成，其中能通過分區達到節能目的的只有超壓樓層出流量剩余水壓所消耗的能量。

（2）剩余水頭的大小直接影響到配水點的流量大小，當配水龍頭流量大于其額定流量時，將造成水量和能量的浪費。

（3）串聯分區供水與并聯分區供水的節能效果是完全一樣的，且當分區無限大時，也只比不分區節省不超過50%的能量。參考文獻：

［1］姜乃昌.水泵及水泵站（第四版）［M］.北京：中國建筑工業出版社，1998.

［2］張勤，寧海燕，傅斌.高層建筑給水系統能耗構成和節能措施分析［J］.中國給水排水，2007，23（10）：92－96.

［3］李家星，趙振興.水力學（上冊）［M］.南京：河海大學出版社，2001.

［4］王增長.建筑給水排水工程（第四版）［M］.北京：中國建筑工業出版社，1998.

TU991

A

1672-9900（2011）01-0065-03

2010－12－31

林林（1983－），男（漢族），江西贛縣人，碩士，主要從事建筑給排水及市政管網研究與設計，（Tel）15913134455。