高層建筑節能節水措施探討
——以長江大學人才公寓為例

何鑫，康瓊仙，張英

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

國務院《十三五節能減排綜合工作方案》中明確提出了節能減排的發展理念，住建部也相應發布了《建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃》。建筑能耗在社會總能耗中占很大的比重，根據有關數據顯示，我國建筑能耗約占到全社會總能耗的27.5%，隨著社會經濟的快速發展，建筑能耗所占比例將會呈現出持續增長的趨勢[1，2]。建筑給排水系統的能耗是建筑能耗中的重要組成部分，主要包括生活、生產、游樂、環境衛生、綠化等活動的給水、排水、熱水、消防、中水等需要的能耗。

當前我國建筑業在節能減排方面面臨著嚴峻的挑戰，有必要采取相應措施，為建筑行業節能減排及可持續發展提供保障。不可忽視的是，在建筑行業快速發展的同時，用水和用電的需求量也日益增加，因此，科學合理的在建筑給排水設計中推行節能節水設計技術非常必要，以有效地解決居民日益增長的能源需求量與當前資源總量保持不變之間的矛盾。節能節水設計不僅保留了傳統建筑給排水工程中所應有的精華之處，還改善了傳統工程中所存在的缺點和不足，能夠有效的傳承和發展建筑給排水行業內的文化底蘊[3]。長江大學人才公寓采用疊壓供水系統、消防專用水泵系統和太陽能與空氣能結合熱水供應系統等節能節水技術方法，減少了水資源的浪費，合理配置水電資源，從而有效控制建筑能耗，促進建筑給排水行業的發展，為我國節能減排總體目標服務。

1 工程與設計概況

1.1 工程概況

長江大學人才公寓是一座13層的高層公共建筑，設計總用水人數為3000人，建筑高度47.25m，總建筑面積32474.06m2。該建筑結構類型為框架剪力墻結構，建筑耐火等級為二級。太陽能集熱器安裝于屋面上，正南方向安裝，安裝傾角30°。

1.2 給排水設計概述

在對公寓進行設計的過程中，給排水專業上的設計內容包括室內生活冷熱水系統、排水系統、消火栓給水系統、自動噴水滅火系統、氣體滅火系統等。

1)生活給水系統。冷水系統在豎向分2個區，1～5層為低區，由市政直供；6～13層為高區，由設置在地下室水泵房內的疊壓變頻泵組供水，其中6～9層采用減壓供水措施，控制最不利點處用水器具的靜水壓力應滿足《建筑給水排水設計規范》(GB50015—2003,2009年版)的要求，不超過0.45MPa，以減少孔口出流量，從而達到節水的效果。低、高區自來水供水壓力分別為0.30、0.73MPa，當入戶管水壓大于0.35MPa時，則設減壓閥。熱水供應系統在豎向分區同冷水系統，高、低區的熱水皆為太陽能加熱和空氣能熱泵供應，替代了燃料燃燒的加熱供水方式，起到節能環保的作用。

2)生活污廢水排水系統。污、廢水管道采用合流制，經室外化糞池處理后排入市政污水管網，且衛生間設置專用通氣立管。

3)雨水排水系統。屋面雨水采用重力流排水系統，經雨水斗和雨水管收集后排至綠地、草坪上。室外地面雨水一部分經透水地面、草坪等滲透至地下從而補充地下水資源；另一部分在綠化帶上形成滯留水，過量的雨水從設置在綠地上的溢流口進行收集，經過凈化處理后可進行綠化和道路澆灑等用途，多余的雨水可通過底部排水管輸送至市政雨水管網。

4)消火栓給水系統。消防用水水源為市政給水管網，室外消防采用低壓制給水系統，火災時由消防車從現場室外消火栓取水，經消防車等專門設施加壓后進行滅火，或經消防水泵接合器供應室內消防滅火用水。消火栓系統豎向為1個區，系統入口所需工作壓力為0.85MPa，由地下室水泵房內消火栓加壓泵加壓供水，為臨時高壓給水系統。在屋面設1個有效容積為36m3的消防水箱和1套增壓穩壓設備，保證滅火初期的消防用水。室內消火栓給水泵控制流程為，消火栓水泵控制柜在平時應使消防水泵處于自動啟泵狀態，消防水泵不設自動停泵的控制功能，停泵應由具有管理權限的工作人員根據火災撲救情況確定。消火栓加壓泵2臺，互為備用，消防水泵能手動啟停和自動啟動，消防控制柜或控制盤設置專用線路連接的手動直接啟泵按鈕。

5)自動噴水滅火系統。公寓的噴淋系統豎向為1個區，入口處工作壓力為0.8MPa，由地下室水泵房內噴淋加壓泵加壓供水。在屋面設置一套有效容積為36m3的消防水箱，保證滅火初期的消防用水，高位消防水箱、增壓穩壓設備與消火栓系統合用。濕式自動噴水滅火系統的控制流程為，噴淋泵由報警閥的壓力開關自動啟動，消防控制中心及消防泵房可手動啟停噴淋泵；火災時，噴頭動作，水流指示器動作，反映到區域報警盤和總控制盤，同時相對應的報警閥動作，敲響水力警鈴，壓力開關報警，反映到消防中心，自動或手動啟動任1臺自噴加壓泵。

6)氣體滅火系統。變配電房及消防控制室均設置氣體滅火設備，高、低壓配電室采用S型熱氣溶膠預制(無管網)滅火系統。當人員進入防護區時，將滅火系統轉換為手動控制方式；當人員離開時，恢復為自動控制方式，防護區內外設有手動、自動控制狀態的顯示裝置。

2 節能節水措施

2.1 生活給水加壓方式

市政供水管網在與用戶引入管的連接點處具有一定的富余水頭。對于低層建筑而言，居民用戶所需的用水壓力較小，市政供水管網的富余水頭往往可以滿足居民用戶用水水壓的需要。對于高層建筑來說，高層用戶所需的水壓通常較高，僅靠市政供水管網的富余水頭是無法滿足高層建筑上層衛生器具和用水設備要求的。在這種情況下，就需要在建筑物的底層安設水泵設施對市政供水管網進行進一步的加壓處理，以滿足高層用戶的用水要求。

2.1.1常規給水加壓方式

1)恒速泵加壓方式。使用電機轉速保持恒定的離心泵對市政供水管網進行加壓，根據恒速泵吸水方式的不同可分為水泵直接抽水方式和水泵自貯水池抽水方式。前者沒有設置任何貯水設備，可以充分利用市政供水管網的供水壓力，直接在供水管網的富余水頭上進行加壓，減少管網能耗的浪費。這種給水加壓方式如果供水可靠性發生了變化，室外給水管網與居民用戶用水之間就存在著相互的影響。后者是在市政供水管網和加壓水泵之間設置貯水池等流量調節設備，切斷了市政供水管網與用戶的直接供給關系，因此這種加壓供水方式可靠性較高。但在將貯水池中的水供給到居民用戶時，就要從零壓力開始加壓，沒有利用到市政供水管網的富余水頭，這樣就造成了電力資源的極大浪費。

2)調速泵加壓方式。使用轉速可調的離心泵對供水管網中的水體進行壓力提升和水力傳輸的加壓供水方式，可以使用戶用水量和水泵出水量大體保持一致，并且使管網中最不利水頭處的壓力基本沒有變化。一般的高層建筑工程中需用水量通常較大，往往不單設調速泵進行工作，而是采用調速泵與恒速泵組合使用或將調速泵與穩壓泵或氣壓罐配套進行使用。

3)氣壓給水方式。將經過水泵抽取的水壓入一個密閉的鋼罐中，再由密封罐內較高的空氣壓力將所儲存的水輸送至用戶當中，使其滿足用水點用水器具水壓和水量要求的加壓給水方式。這種氣壓給水設備所供應水的水質一般不容易受到污染，但是水泵的啟閉較為頻繁，容易使水泵受到損害，縮減水泵機組的使用壽命，且供水可靠性較低，所以這種增壓給水方式很少作為居民用戶的主要供水途徑[4，5]。

2.1.2疊壓給水方式

疊壓給水方式是指在市政供水管網富余水壓的基礎上進行無減壓式2次增壓過程的供水方式。長江大學人才公寓樓層數為13層，每層約有60戶4人間，其中第1層為辦公用層。用水量定額為150L/(人·d)。。

高區用水總人數為：

N=8×60×4=1920(人)

(1)

式中，N為高區用水總人數。

使用傳統的加壓給水方式和疊壓給水方式時的能耗對比如下：

1)傳統加壓給水方式：

(2)

(3)

式中，Qd為最高日用水量，m3/d；qd為最高日用水量定額，150m3/(人·d)；Qh為最大小時用水量，m3/h；T為高層建筑的用水時間，h;Kh為時變化系數，取3.5。

采用2用1備的泵組，則單泵流量為21m3/h，揚程H取76m(考慮水泵并聯的工作特點，需選擇偏大的揚程)。選用凱泉廠家HQL3-2580型給水設備，配泵型號為KQL65/250-15/2，單泵功率為15kW。則需消耗的電機總功率P為：

P=15×2=30(kW)

(4)

2)疊壓供水方式：

(5)

(6)

H=H1-H2=73-25=48(m)

(7)

式中，H為疊壓供水所需揚程，m；H1為高區自來水供水揚程，m；H2為市政管網供水揚程，m；考慮市政管網最不利用水情況，取市政管網壓力為0.25MPa。

選用凱泉廠家NQGL3-2550型給水設備，配泵型號為KQL65/200-7.5/2,單泵功率為7.5kW。則需消耗的電機總功率為:

P=7.5×2=15(kW)

(8)

3)使用疊壓供水較傳統給水加壓方式節能效率φ：

(9)

式中，W1為傳統加壓給水方式每小時耗能，kW/h；W2為疊壓供水方式每小時耗能，kW/h。

2.1.3給水加壓方式的優點

長江大學人才公寓所采用的給水加壓方式為疊壓給水方式，疊壓供水設備主要由倒流防止器、電磁流量計以及壓力傳感器、防負壓裝置、穩流罐和變頻控制器等組成。由于這種供水設備是直接與市政供水管網相連，所以這種加壓供水的方式與水泵直接抽水方式具有相同的優點，都是可以直接利用市政供水管網的余壓，在室外給水管網的余壓的基礎上進行抽水和增壓。并且這種供水設備安設有穩流罐，所以它可以克服水泵直接抽水對周圍市政給水管網產生影響的弊端。加設的這種密封穩流罐有一定的存水空間從而起到儲存一定水量的作用，這樣就節省了修建貯水池或高位水箱的土建投資。另外疊壓供水設備屬于全密封系統，可以阻隔空氣中的部分細菌，對水質起到防止二次污染的作用。所以疊壓給水方式在實際應用中不僅可以起到節約能源、節省土建投資，還能減少水質二次污染所引起的居民用戶用水安全的問題。

2.2 使用合理的用水設備、器具和機電設施

建筑給排水行業當前所存在的共性問題就是使用的用水設備、器具以及管材的選用不合理，由此所造成的管道漏損、管段銹蝕以及水源水質的二次污染問題較為嚴重[6，7]。在生活給水和排水的設計過程中，采用合理的管材以及可靠的連接方式，有效的減少了管道漏損和管段銹蝕現象的發生，從而起到了節約水資源、防止二次污染以及延長管道使用壽命的作用。在用水設備和器具方面，選用節水型衛生潔具及配水件，衛生間大便器采用容積小于6L的沖洗水箱；公共衛生間采用感應式水嘴和感應式小便器沖洗閥等；水池、水箱溢流水位均設有報警裝置，以防止進水管閥門故障時，水池、水箱長時間溢流排水，從而造成水資源的浪費現象。

在消防給水方面，公寓采用了消防專用水泵-立式多級單出口消防泵。這種泵的密封性能良好，可以解決普通離心泵在正常工作運行過程中存在的少許滲漏問題，因此具有較好的節約水資源的作用。由于它的結構較為緊湊、體積較小，所以其占地面積較其他離心泵要小，可以大大的減少土建投資費用。同時，這種泵安裝方便，運行過程中產生的噪音較小，極大的改善了使用環境。

2.3 熱水供應系統

2.3.1常規熱水供應系統

傳統的熱水供應系統所使用的加熱方式主要為燃油鍋爐和燃氣鍋爐，這種熱水供應系統是以燃油、燃氣等人工燃料為熱源，由其產生的熱量直接對水進行升溫的加熱方式。這種熱水供應方式使用的是人工燃料或者是煤等天然燃料，極大的消耗了能源物質。由于傳統的熱水供應系統的水加熱方式是一個燃燒的過程，所以會有引發火災事故的隱患。另外，在燃料燃燒的過程中，會不可避免的產生一些廢氣，對環境會造成極大的污染，從而危害環境。

2.3.2熱水系統的節能措施

太陽能是一種清潔、無污染的可再生能源，目前主要利用太陽能與地熱能、風能、生物質能等多能源互補以及太陽能與熱泵組合等系統來實現節約能源的構想。人才公寓的熱水供應系統采用太陽能加熱和空氣源熱泵相組合的熱水供應方式，熱水系統主要設備如表1所示，熱水系統原理如圖1所示。

每天下午17∶00，當熱水箱內的水溫小于45℃時，輔助加熱設備啟動加熱，當熱水箱內的水溫到達60℃時，輔助加熱設備停止加熱。陰雨天時，在每天下午14∶00，當熱水箱內的水溫小于45℃時，輔助加熱設備啟動加熱，當熱水箱內的水溫到達60℃時，輔助加熱設備停止加熱。

另外，該熱水供應系統還設有定時加熱的裝置：在設定時間段內，熱水箱內的水溫低于設定溫度5℃時，輔助能源對水箱中水進行加熱，加熱至設定溫度時停止。為了防止高溫暴曬所引起的炸管現象，在該工程設有高溫斷續循環系統：當集熱器溫度高于95℃，且僅高于水箱溫度2～10℃范圍內時，集熱循環泵每循環10min，停20min防空曬炸管。由于壓力管是設置在屋頂且外露于空氣中，因此明露的壓力管需做防結露處理，防結露厚度為15mm。為了起到減少熱量損失的效果，所有的熱水管均需做保溫處理，保溫材料采用橡塑管殼，保溫厚度為30mm。

在熱水供應系統方面，設計使用的熱源為太陽能和空氣能。使用太陽能源和空氣能源作為熱水供應系統的熱源能夠有效的減少人們在日常生活中對于煤、石油、天然氣等不可再生能源的使用，起到節約資源的作用[8，9]。其次，利用太陽能源和空氣能源不需要燃料燃燒的過程，這樣不僅保證了居民用戶的使用安全的問題，而且還不會產生燃料燃燒所帶來的廢氣污染，從而達到保護環境的作用。另外，公寓的熱水供應系統采用智能化控制，相比于傳統的熱水供應系統自動化程度較高，使用更為方便。

表1 熱水系統主要設備表

圖1 熱水系統原理圖

2.4 雨水回用系統

我國雨水資源豐富，年降水量可達6.190×1015m3，但由于我國對于雨水資源的回收、處理和利用發展的不是很全面，導致大量的雨水沒有得到有效的利用，從而浪費了很多的雨水資源[10，11]。對于雨水資源，可以采用較為完善的雨水回用體系對雨水進行回收利用。

雨水收集途徑可分為屋面雨水和路面雨水2種，由于人才公寓的屋面面積較小，所以可以采用重力流雨水收集方式對雨水進行收集。同時采用透水性路面和下沉式綠地，通過鋪設透水地磚的方式來減少地表徑流，當雨水經過下沉式綠地時起到初步凈化雨水的作用，通過在下沉式綠地處設置溢流口來強化雨水在綠化帶的滯留能力。過量的雨水可通過溢流口匯入地下蓄水池，達到雨水收集的效果。雨水的處理過程可修建雨水凈化處理設施采用“混凝—過濾”工藝，在蓄水池中對收集的雨水進行混凝加藥處理，反應之后，通過石英砂過濾器去除雨水當中的懸浮物固體[12]。經過“混凝—過濾”等工藝處理后的低濁度雨水可進入清水池進行儲存，通過變頻泵輸送至戶外從而滿足綠化和道路澆灑的需求。

3 結論

1)長江大學人才公寓給排水設計中采用疊壓供水方式，在供水加壓的過程中比傳統的加壓方式節能約50%；在用水設備、器具和機電設施中，使用節水型器具和專用型消防水泵，起到了節水的作用。

2)采用清潔、無污染的太陽能和空氣能作為熱水供應系統的能量來源，既節約了傳統熱水供應系統中燃料能源的消耗，也避免了燃料燃燒所帶來的環境污染問題和安全問題。

3)使用雨水回用技術不僅可以節約水資源，減少水體的浪費現象，還可以帶來一定的經濟效益和社會效益，值得建筑給排水行業的大力推廣和應用。