市政給排水工程設計中的節能技術

王娟韓麗劉恒

(1、煙臺市城市排水服務中心,山東 煙臺264000 2、中國市政工程華北設計研究總院有限公司,天津300381)

城鎮的市政給排水系統承擔著供給覆蓋區域的生產、生活用水,接納雨水、污水的責任,為城市基本職能的發揮提供了物質保障。隨著經濟的快速發展,近年來由于我國不斷推進城鎮化建設,市政服務區域逐年擴大,高層建筑在城市中的普及也使得系統所需的壓力水平不斷上升。隨著人們生活水平的提高,用水量增大的同時,用水的水質標準也在不斷細化,產生的污水成分復雜、水質較差,這使得市政給排水的能耗問題日益突出。因此,設計過程中采用合理有效的節能技術對于降低供水能耗、實現節能減排具有十分重要的現實意義。

1 市政給排水現狀

1.1 市政給排水的系統構成

完整的市政給排水系統的設計內容包括取水方案、供水設計、排水設計以及凈水系統設計,比較復雜的系統還包括消防、熱水以及中水設計等。

在市政給排水設計中,除了凈水的系統設計對于水質和壓力的要求較小,其余環節中水泵加壓均為關鍵的耗能環節,是優化系統設計方案、減小市政給排水系統能耗的重點內容。

凈水和中水處理系統著眼于水資源的處理和回用,設計過程中,需要結合實際用水單元所需要的水質,運用水務管理相關的知識和內容,合理規劃,提高水資源的利用率。

1.2 市政給排水工程的能耗

電耗始終是市政系統比重不低的成本來源,根據我國自來水行業的資料統計,對于常駐人口為20萬～50萬之間的中等城市,城市僅供水系統的平均電耗就占總成本的32%～41%。

由耗電量分析可得,隨著節能技術的應用,我國供水能耗呈現出在工業耗電中所占的比例下降但總耗電量上升的特點。由于其巨大供水耗電總量,在市政給排水設計中采取有效地節能技術勢在必行,且有較好的作用空間。(表1)

表1 2016年我國城市耗電總量統計表

2 市政給排水設計節能原則

2.1 給水節能的設計原則

由于我國的水資源時間和空間分布不均衡,大多數城市都面臨著不同程度的水資源短缺的問題。因此,節約用水量,提高水資源的利用效率成為了市政給排水設計中不得不考慮的重要問題。

一般來說,常見的節能思路包括:(1)根據實際情況對水質進行分級以實現多級梯式利用,提高水資源的利用效率。給水設計需要充分考慮實際用水單位的需求,這種方式多用于用水量較大、結構較為復雜的給水系統。(2)充分利用雨水。“海綿城市”概念的提出,對于市政給排水的節能設計具有啟發性影響,其較高的節能環保效果主要就是通過充分收集和利用雨水實現的。(3)中水回用。中水是經過了良好的一級處理或者深度處理的污水,是給水設計中一個較為特殊的水源,中水的循環利用對于實現水資源的循環利用,提高系統的節能效率具有重要作用。目前,常見的城市中水系統處理結構如圖1。

圖1 城市中水系統結構

2.2 排水節能的設計原則

在城市的排水設計過程中,面臨最大的挑戰是不確定性。排水單位排出污水的水質和水量以及時段波動性對排水系統的穩定運行和能耗有重要影響。市政排水設計中首要的節能思路就是合理選擇污水提升泵的功率和揚程,指定高效穩定節能的污水提升方案。對于地勢起伏較大的城市,要充分考慮城市的高程和地質。

此外,排水節能技術還包括污水處理、雨污分流、采用適合工程特性的管材、與城市的道路工程有機結合以及聯動城市防洪規劃等。其中污水處理環節在設計過程中有時也被定性為凈水設計,但是設計城市市政排水時,也要通過考量城市的污水處理能力來規劃排水管網。

3 市政給排水設計節能技術

3.1 輸水方式選擇

在市政系統運行的過程中,電能消耗主要來源于供水和布水的過程。根據工程實際需求選擇合適的輸水方式,是減小系統電耗的重要舉措。設計過程中,供水的水源、輸送量以及壓力是選擇輸水方式的主要考量因素。

常見的輸水方式可以分為壓力輸水方式和重力輸水方式,二者的特性見表2。

表2 輸水方式特性對照表

3.2 節能供水技術

通過對給排水系統的能耗分析可得,供水環節是能耗的主要來源。針對供水方式改良,相關人員進行了各種方向的研究和探討。目前,城市中采用的主要供水方式是恒壓變頻供水系統。

自來水廠的來水經過二次加壓后,輸送到用戶端,為了保證系統的有效運行,市政管網設計規范總要求供水水壓應大于用戶接水點。輸水加壓抬升到水箱后,水壓自然降低,造成了能源浪費。

為解決水壓浪費的問題,逐漸開發除了多種節能供水方式,以下以無負壓供水系統為例:

無負壓供水系統是利用有壓容器代替傳統的供水系統的水池和水箱,裝配在市政管網和提升泵之間,有效利用市政管網中原有的壓力,直接抽水送入用戶端。搭配變頻泵,可以實現合理控制泵的運行,防治給水污染的目的。(圖2)

圖2 無負壓供水流程圖

3.3 雨水利用技術

在市政給排水設計中,雨水可以收集后進入中水處理系統,成為城市用水的來源,節省水資源,通過雨污分流收集后又可以減輕城市排水系統和污水處理系統的負擔。

在市政給排水工程的設計過程中,要需要結合工程所處地的實際情況,包括氣象條件、地形條件等,合理的運用循環技術設計雨水的收集和處理方式,建設雨水再利用系統,達到節約水資源的目的。

以天津市濱海新區生態城的給排水系統為例,見圖3。

圖3 天津示范工程的給排水系統圖

由此可見,雨水的回用需要與整體的供水和排水系統有機結合在一起,構成一套完整的、系統化的水循環系統。市政給排水的設計需要考慮多個環節中的節能技術,將各環節串聯起來,形成一個多元化的高效節能網絡。

4 結論

市政給排水系統的設計需要貫徹節能減排的政策需求,在保證系統整體性能的基礎上,逐步推進節能技術的應用。在市政設計中必須重視系統整體的節水節能性能,通過合理的規劃,優化整體設計,并且后續的運維過程中,加強水務管理,真正做到長期有效的保證系統的節水性能,促進綠色環保城市的建設。