利用市政管網余壓的建筑給水節能工程應用

魏天云

(福建船政交通職業學院道路工程系，福建福州 350007)

隨著經濟的快速發展，城市人口不斷增加，住宅的需求量也在不斷增長。隨著城市化進程的日益推進，需要消耗大量的水資源，但有些水資源仍遭到嚴重破壞。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，水資源的利用日趨緊張，再加上政府對水資源的合理開發提出了更高的要求，建筑供水系統研究的重要性逐步得到認識，尤其是如何合理利用和優化建筑給水系統越來越受到重視。因此，有必要開展建筑住宅給水系統的研究，做到節水、節能[6]，合理有效地利用水資源，調整居民的用水結構，提高用水品質，避免水資源利用過程對生態環境的破壞。

1 利用管網余壓節能

1.1 市政管網水壓直接為低區供水

對于層數較多的建筑來說，利用市政管網水壓很難滿足全部供水，但可以直接給低區供水。有些技術人員在管網設計過程中，將市政管網進水引入地下貯水池，使管網水壓未得到有效發揮，用戶給水由泵供給，造成市政水壓沒有得到妥善利用。根據有關部門的統計分析，位于高層建筑低層的洗浴中心、洗衣房、美發廳、飯店等公共服務商業設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，導致耗能非常高。為保證城鎮供水的安全，給水管網大多采用環狀網供水，此供水方式有兩種方法：一種設計供水壓力的因素主要考慮市政管網提供的水壓以及用水器具的供水最低工作壓力要求；另一種是根據樓層的水壓分布情況進行分區，建筑的低層采用市政管網供水，以充分利用余壓，節約能耗。

1.2 市政管網壓力在高區中的利用

利用市政管網壓力以及二次加壓的方式可以更好地為高區供水。

采用管網疊壓供水，可以更好地利用市政管網余壓。為了使設備達到穩壓、節能的目的，多在管網上安裝一個增壓穩流給水設備(余壓利用系統)[7-9]，圖1為其工作過程示意圖。由圖1可以看出，管網前端直接連著水泵，水泵進水儲水設備裝有壓力調節罐，則調節罐內的氣體通過真空消除器向外排出，即管網內所生成的負壓可以直接由真空消除器來抑制。管網二次增壓供水是在自來水管網的原有壓力獲得充分利用的基礎上來實現的。若用水壓力及水量要求能夠滿足，用水管網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(如電接點壓表、壓力控制器等)進行檢測，根據傳感器的信號進行工作。當水泵處于工作條件下，如水泵流量大于自來水管網的水量，系統就維持正常供水；否則，可以利用調節罐內的水作為補充水源，此時自來水管網的負壓由于空氣進入調節罐而消除。過了用水高峰期，系統就恢復正常的供水狀態。管網疊壓供水方式能夠向市政管網進行抽水，充分利用市政管網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.液位探測器圖1 管網直連增壓穩流給水設備示意圖

采用貯水池，有利于降低水泵的揚程。可以安裝貯水池，避免水泵從市政管網中直接抽水，斷開加壓泵與市政管網的連接，水泵從貯水池吸水。為了更好地利用城市的管網水壓，可以考慮提高貯水池標高，以降低加壓水泵的揚程。此時若將整個水池都安放在某一樓層上，則會占用較大面積，同時會增加結構的荷載。可考慮單獨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，對結構的荷載影響也不大，可以放置在適當的樓層上或裙房的屋面上(圖2)。

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

圖2 提高生活貯水池標高示意圖

圖3 季節性利用市政管網水壓示意圖

2 管路節能

給水系統管路消耗的能量與管路效率成正比關系，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，必須減少給水系統管路阻力，從而降低能量損耗。目前，管路節能途徑主要有以下幾種。

(1)選用合適的管材。通過改善液體流動的邊界條件可以降低管路沿程阻力，關鍵要解決流體與壁面的分離，防止產生漩渦區或者降低漩渦區的大小和強度。可以考慮采用復合管、玻璃鋼管以及塑料管等較低阻耗管材。

(2)嚴格控制管件的數量。管路中的管件增多，則造成建設成本增加，還會導致局部損失幾率提高，只要能使供水系統正常運行，使用的管件數量越少越好。

(3)合理選擇管徑。由達西公式可知，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系。為了減少給水系統管路水頭損失，可以合理提高配水管徑。但是管徑增加，成本也隨著增大，在管路設計過程中，為了更好地節能，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)保證水泵葉輪進口處的流態均勻。

3 保證管路的密封性

如果管路的密封性不好，空氣就會在管路的負壓處跑進管內，導致管路負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，管道內的空氣使過水斷面面積減少，未有效利用管徑也會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，要經常檢查管路是否出現裂縫、伸縮縫的止水是否遭到破壞，以確保管路的密封性完好，使其高效運行。

4 工程應用實例

某城市小區泵站系統設計劃分為高區和低區兩個系統，總的日供水量為1400 m3，其中高區的日供水量為450 m3，低區的日供水量為950 m3。高區和低區的出水壓力分別為0.78 MPa和0.42 MPa，市政管網的進水壓力為0.35 MPa。

為便于比較泵站改造前后的節能效果，采用兩套方案。方案一：低區和高區分別采用不同供水能力的傳統變頻供水系統；方案二：在傳統的變頻供水系統中引入余壓利用系統，即將余壓利用器與市政進水管連接在一起，同時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、低區的吸水管連接起來。改造后的系統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、低區單獨使用余壓利用器，或在高、低區同時使用余壓利用器，也可不使用余壓利用器。表1是小區泵站改造前后的耗電量對比。

表1 泵站改造前后的耗電量對比

由表1可以看出，若在高、低區同時使用余壓利用器，其節能率達到40.6%，節能效果顯著。這是由于使用了余壓利用器之后，市政進水泄入水池的量減少了，從而降低市政進水的水力損失，提高供水管網的入口壓力。隨著管網入口壓力的提高，變頻泵在各個時段的轉速降低，則泵的軸功率也隨著降低。

5 結論

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

管網疊壓供水方式能夠向市政管網進行抽水，充分發揮市政管網壓力為建筑低層供水，同時安裝貯水池，避免水泵從市政管網中直接抽水。可考慮提高貯水池標高，以降低加壓水泵的揚程；通過加裝旁通管并配合加壓泵，以克服氣候和季節對城市自來水管網的壓力變化影響。

通過小區泵站改造前后耗電量對比發現，采用余壓利用系統之后，市政進水的水力損失降低，供水管網的入口壓力增大，從而使泵的軸功率降低，節能效果顯著。