新型智慧雨水回用系統的分析研究

葉志良 許杰 賴振貴

廣東省建筑設計研究院有限公司 廣東 廣州 510010

引言

隨著城鎮化和經濟的高速發展，我國水資源不足、內澇頻發和城市生態安全等問題日益突出，非傳統水源的利用逐漸受到關注。

雨水回用系統是把雨水徑流的高峰流量暫存在雨水蓄水池中，經過對收集的雨水進行處理后達到符合設計使用標準后，用于景觀環境、綠化、洗車場用水、道路沖洗、沖廁等，可以節約水資源，緩解我國的缺水問題。

由于雨季在廣州時間不長，雨水不是每日都能回收，且雨水池有調節高峰雨水量排放到市政管網用途，只靠雨水回用不能滿足每日都需要使用的垃圾房沖洗、沖廁等需求，非雨季時段需要大量市政自來水補水。

為節約用水，實現污水廢水資源化，適應當前建設節能型環保社會要求，考慮到雨水的不可持續性與用水的連續性之間的矛盾，同時為節約空調冷卻水系統的加藥成本，改善冷卻水系統的水質，可將一定量的空調冷卻水排放收集至雨水收集池，然后經處理后回用[1]。對于因排放至雨水收集池而減少的冷卻水量則通過冷卻塔集水盤附近的補水系統進行補水。

1 技術背景

中央空調冷卻水系統，雖然可以通過化學加藥或物理水處理裝置等手段減低管道內的污垢及藻類細菌，但由于該系統為開式循環系統，在使用過程中較容易產生細菌及結垢，從而導致冷卻塔填料、制冷系統的管道產生結垢、粘泥、長藻類，影響散熱及水流量，增加系統的運行能耗。因此如能在不增加工程造價的前提下，能提高冷卻循環水的置換率，保證管道中為干凈的“活水”，可有效提高制冷系統的運行效率。

雨水回用系統可以節約水資源，緩解我國的缺水問題。但是由于廣州雨季時間不長，雨水不是每日都能回收，回用系統大部分時間需靠自來水補充，雨水處理設備長期閑置，出現部件銹蝕，加速老化，滋生細菌等問題，部分業主更因為節省管理成本關閉了該系統的運行，使得該回用系統成為擺設[2]。因此，如何提高該系統的使用效率，真正使回用系統帶來經濟效益和環境效益，成為擺在面前的難題。

本新型系統將空調冷卻水系統跟雨水回用系統結合，旨在同時解決上述問題。

2 本新型系統的組成

系統包括冷卻塔、冷卻水管道系統、定流量閥、電動蝶閥及手動蝶閥、冷卻水智能輸送系統、雨水回用處理設備等。系統中[3]，①冷卻塔、冷卻水管道系統為制冷系統提供散熱功能及熱量輸配作用；②定流量閥安裝于冷卻水進水支管處，此支管接至屋面雨水收集口處并通過定流量閥控制排放冷卻水量，電動蝶閥及手動蝶閥亦安裝于此支管，電動蝶閥由建筑設備監控系統控制開啟和關閉，手動蝶閥為電動蝶閥故障時的檢修備份措施。③冷卻水智能輸送系統基于歷史用水量數據，自動更新雨水收集池每天需補水的水量，并轉化為建筑設備監控系統控制電動蝶閥開啟的時間，自動將所需量的冷卻水輸送至雨水收集池，歷史用水量數據的采集由能源管理系統根據遠傳水表的數據分析得出。同時在屋面設置雨滴傳感器，在雨天將電動蝶閥關閉，停止冷卻水輸送至雨水收集池。冷卻水智能輸送系統的控制邏輯示意如下圖1所示。④雨水回用處理設備針對收集的空調冷卻水進行過濾消毒達到回用水使用水質標準。經處理后供沖廁、景觀、綠化及地面沖洗用水補水。

3 本新型系統的案例技術分析

本新型系統已應用于廣州無限極廣場項目，該項目位于廣州白云新城中軸線南端。建筑方案由國際著名女建筑師扎哈·哈迪德領銜設計，以“科技與人文合璧、技術與藝術合璧、技術與綠建合璧、建筑與環境合璧”為總體設計理念，應用極致的曲線美學及突破創新的設計風格，融入企業文化及嶺南特色等元素，匠心打造一座智慧生態型的國際化無限極總部大樓。本項目應用了大跨度雙曲面穿孔遮陽系統、ETFE膜采光頂自動調節的降溫系統、室內空間可變性設計、創新結構設計、高效空調系統、建筑全壽命期碳排放核算、室內污染物濃度監測及通風聯動系統、建筑圍護結構節能設計、雨水回用系統、立體綠化、太陽能熱水系統、BIM建筑信息模型應用技術等適宜且效果明顯的綠色節能技術。項目已獲“國家三星級綠色建筑設計標識”，2021年被廣州市住建局列為綠色建筑標桿示范項目，并向全市推廣。

以下為新型智慧雨水回用系統的技術分析：

3.1 回用水需求量計算

3.1.1 沖廁用水量計算依據。

Qc：沖廁中水用水量（立方米/ 日）

Q：生活用水量（立方米/ 日）

b：沖廁用水百分率。可參照（表1）選取（根據建筑中水設計規范取值）。

表1 各類建筑物分項給水百分率（%）

3.1.2 沖廁用水量統計表。

表2 沖廁用水量統計表

3.1.3 垃圾房用水量計算表。

表3 垃圾房用水量計算表

3.2 冷卻水回用和雨水回用的用途分析

3.2.1 由于雨水不是每日都能回收且雨水池有調節高峰雨水量排放到市政管網用途，因此雨水回用只使用不是每日需要使用的用途（序號 3–5）。

3.2.2 由于空調基本上每日都會開啟（除了冬季個別低溫天氣的情況下），冷卻水回收每日都可以收集，因此冷卻水回用使用每日需要使用的用途（序號 1–2）。

表4 冷卻水回用和雨水回用分析

3.3 冷卻水及雨水回用總用水量統計

表5 冷卻水及雨水回用總用水量統計

根據建筑中水設計規范，中水水源的水量宜為用水量的110% ～ 115%以應付中水系統與處理過程中的損耗及外排量，因此為達到水量平衡需回收作中水水源的水量需要，冷卻水回收水量：94.8m3x 1.10=104.3m3。按空調系統每天運行12小時計算，每小時的冷卻水回收水量為104.3÷12=8.7m3/h，一般僅占空調冷卻水循環系統水量的1%以內。

4 中水回用系統經濟評估

4.1 設備及構筑物清單

表6 主要設備清單表

表7 主要處理構筑物清單表

以上主要物料設備、構筑物投資約34+6=40萬元，其他各類費用包括未列入之材料、附件、安裝、稅金及其他未預見費，按總投資 20%計，則本系統初始投資估算額約：48萬元。

4.2 運行費用及投資回收期

4.2.1 電費：每日常規耗電量約36kWh，廣州地區的一般工商業及其他用電費用為0.8733元/kWh，年耗電成本約：36×0.8733×260（按每周5天上班考慮）＝8174 元/年。

4.2.2 系統維修管理費：設備維修管理費按設備總價的2%估算，400000×2%＝8000元/年。

4.2.3 水費節省：系統運行每年節省水量約104.3×260＝27040噸/年，廣州地區非居民生活用水終端價格為3.46元/噸，系統每年省水費27,040×3.46＝93,559元/年。

4.2.4 投資回收期約為480000÷（93,559–8174–8000）＝6.2年。

5 結束語

本新型系統通過有效利用了空調系統的冷卻水，解決了非雨季時雨水回用系統的水源問題，且所利用的冷卻水僅為空調冷卻系統循環水量的1%以內，并不會對空調冷卻系統造成負面影響，通過此新型系統，把原來本該補至雨水收集池的自來水改為先補至冷卻塔水盤中再通過冷卻水排水至雨水口，從而提高了循環冷卻水系統的水置換率，改善了冷卻水系統的水質，使制冷系統的換熱能力得到提高。

另一方面，本新型系統利用智能化的控制式，通過大數據來判斷每天需回收的冷卻水量，使系統具有自學習、自尋優和自適應的優化智能控制功能，能進行類似人腦的知識處理和推理的先進的控制技術，實現了本新型系統在各種天氣條件下的最大節能，使之有效應用于雨水回用系統，使雨水收集池得到有效的利用，且收集池內的水可當天用完，減少細菌的產生，起到節能環保的目的。

一種新型智慧雨水回用系統，將傳統的空調冷卻水系統、雨水回用系統、智能化系統三者有效結合，在不增加工程造價的前提下，既能有效提高冷卻循環水的置換率，提高制冷系統的運行效率，又能解決雨水回用系統中雨水的不可持續性與用水的連續性之間的矛盾，帶來良好的經濟效益和環境效益，助力國家“雙碳”目標。