高層建筑節(jié)能節(jié)水措施探討
——以長江大學(xué)人才公寓為例

何鑫，康瓊仙，張英

(長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023)

國務(wù)院《十三五節(jié)能減排綜合工作方案》中明確提出了節(jié)能減排的發(fā)展理念，住建部也相應(yīng)發(fā)布了《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》。建筑能耗在社會總能耗中占很大的比重，根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)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(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑能耗所占比例將會呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢[1，2]。建筑給排水系統(tǒng)的能耗是建筑能耗中的重要組成部分，主要包括生活、生產(chǎn)、游樂、環(huán)境衛(wèi)生、綠化等活動的給水、排水、熱水、消防、中水等需要的能耗。

當(dāng)前我國建筑業(yè)在節(jié)能減排方面面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，有必要采取相應(yīng)措施，為建筑行業(yè)節(jié)能減排及可持續(xù)發(fā)展提供保障。不可忽視的是，在建筑行業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，用水和用電的需求量也日益增加，因此，科學(xué)合理的在建筑給排水設(shè)計(jì)中推行節(jié)能節(jié)水設(shè)計(jì)技術(shù)非常必要，以有效地解決居民日益增長的能源需求量與當(dāng)前資源總量保持不變之間的矛盾。節(jié)能節(jié)水設(shè)計(jì)不僅保留了傳統(tǒng)建筑給排水工程中所應(yīng)有的精華之處，還改善了傳統(tǒng)工程中所存在的缺點(diǎn)和不足，能夠有效的傳承和發(fā)展建筑給排水行業(yè)內(nèi)的文化底蘊(yùn)[3]。長江大學(xué)人才公寓采用疊壓供水系統(tǒng)、消防專用水泵系統(tǒng)和太陽能與空氣能結(jié)合熱水供應(yīng)系統(tǒng)等節(jié)能節(jié)水技術(shù)方法，減少了水資源的浪費(fèi)，合理配置水電資源，從而有效控制建筑能耗，促進(jìn)建筑給排水行業(yè)的發(fā)展，為我國節(jié)能減排總體目標(biāo)服務(wù)。

1 工程與設(shè)計(jì)概況

1.1 工程概況

長江大學(xué)人才公寓是一座13層的高層公共建筑，設(shè)計(jì)總用水人數(shù)為3000人，建筑高度47.25m，總建筑面積32474.06m2。該建筑結(jié)構(gòu)類型為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)概述

在對公寓進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，給排水專業(yè)上的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括室內(nèi)生活冷熱水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、消火栓給水系統(tǒng)、自動噴水滅火系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)等。

1)生活給水系統(tǒng)。冷水系統(tǒng)在豎向分2個(gè)區(qū)，1～5層為低區(qū)，由市政直供；6～13層為高區(qū)，由設(shè)置在地下室水泵房內(nèi)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(diǎn)處用水器具的靜水壓力應(yīng)滿足《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)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(dá)到節(jié)水的效果。低、高區(qū)自來水供水壓力分別為0.30、0.73MPa，當(dāng)入戶管水壓大于0.35MPa時(shí)，則設(shè)減壓閥。熱水供應(yīng)系統(tǒng)在豎向分區(qū)同冷水系統(tǒng)，高、低區(qū)的熱水皆為太陽能加熱和空氣能熱泵供應(yīng)，替代了燃料燃燒的加熱供水方式，起到節(jié)能環(huán)保的作用。

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

3)雨水排水系統(tǒng)。屋面雨水采用重力流排水系統(tǒng)，經(jīng)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(jīng)透水地面、草坪等滲透至地下從而補(bǔ)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(shè)置在綠地上的溢流口進(jìn)行收集，經(jīng)過凈化處理后可進(jìn)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(wǎng)。

4)消火栓給水系統(tǒng)。消防用水水源為市政給水管網(wǎng)，室外消防采用低壓制給水系統(tǒng)，火災(zāi)時(shí)由消防車從現(xiàn)場室外消火栓取水，經(jīng)消防車等專門設(shè)施加壓后進(jìn)行滅火，或經(jīng)消防水泵接合器供應(yīng)室內(nèi)消防滅火用水。消火栓系統(tǒng)豎向?yàn)?個(gè)區(qū)，系統(tǒng)入口所需工作壓力為0.85MPa，由地下室水泵房內(nèi)消火栓加壓泵加壓供水，為臨時(shí)高壓給水系統(tǒng)。在屋面設(shè)1個(gè)有效容積為36m3的消防水箱和1套增壓穩(wěn)壓設(shè)備，保證滅火初期的消防用水。室內(nèi)消火栓給水泵控制流程為，消火栓水泵控制柜在平時(shí)應(yīng)使消防水泵處于自動啟泵狀態(tài)，消防水泵不設(shè)自動停泵的控制功能，停泵應(yīng)由具有管理權(quán)限的工作人員根據(jù)火災(zāi)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(shè)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(tǒng)。公寓的噴淋系統(tǒng)豎向?yàn)?個(gè)區(qū)，入口處工作壓力為0.8MPa，由地下室水泵房內(nèi)噴淋加壓泵加壓供水。在屋面設(shè)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(wěn)壓設(shè)備與消火栓系統(tǒng)合用。濕式自動噴水滅火系統(tǒng)的控制流程為，噴淋泵由報(bào)警閥的壓力開關(guān)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(zāi)時(shí)，噴頭動作，水流指示器動作，反映到區(qū)域報(bào)警盤和總控制盤，同時(shí)相對應(yīng)的報(bào)警閥動作，敲響水力警鈴，壓力開關(guān)報(bào)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(tǒng)。變配電房及消防控制室均設(shè)置氣體滅火設(shè)備，高、低壓配電室采用S型熱氣溶膠預(yù)制(無管網(wǎng))滅火系統(tǒng)。當(dāng)人員進(jìn)入防護(hù)區(qū)時(shí)，將滅火系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為手動控制方式；當(dāng)人員離開時(shí)，恢復(fù)為自動控制方式，防護(hù)區(qū)內(nèi)外設(shè)有手動、自動控制狀態(tài)的顯示裝置。

2 節(jié)能節(jié)水措施

2.1 生活給水加壓方式

市政供水管網(wǎng)在與用戶引入管的連接點(diǎn)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(wǎng)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(wǎng)的富余水頭是無法滿足高層建筑上層衛(wèi)生器具和用水設(shè)備要求的。在這種情況下，就需要在建筑物的底層安設(shè)水泵設(shè)施對市政供水管網(wǎng)進(jìn)行進(jìn)一步的加壓處理，以滿足高層用戶的用水要求。

2.1.1常規(guī)給水加壓方式

1)恒速泵加壓方式。使用電機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定的離心泵對市政供水管網(wǎng)進(jìn)行加壓，根據(jù)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(shè)置任何貯水設(shè)備，可以充分利用市政供水管網(wǎng)的供水壓力，直接在供水管網(wǎng)的富余水頭上進(jìn)行加壓，減少管網(wǎng)能耗的浪費(fèi)。這種給水加壓方式如果供水可靠性發(fā)生了變化，室外給水管網(wǎng)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(wǎng)和加壓水泵之間設(shè)置貯水池等流量調(diào)節(jié)設(shè)備，切斷了市政供水管網(wǎng)與用戶的直接供給關(guān)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(shí)，就要從零壓力開始加壓，沒有利用到市政供水管網(wǎng)的富余水頭，這樣就造成了電力資源的極大浪費(fèi)。

2)調(diào)速泵加壓方式。使用轉(zhuǎn)速可調(diào)的離心泵對供水管網(wǎng)中的水體進(jìn)行壓力提升和水力傳輸?shù)募訅汗┧绞?，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(wǎng)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(shè)調(diào)速泵進(jìn)行工作，而是采用調(diào)速泵與恒速泵組合使用或?qū)⒄{(diào)速泵與穩(wěn)壓泵或氣壓罐配套進(jìn)行使用。

3)氣壓給水方式。將經(jīng)過水泵抽取的水壓入一個(gè)密閉的鋼罐中，再由密封罐內(nèi)較高的空氣壓力將所儲存的水輸送至用戶當(dāng)中，使其滿足用水點(diǎn)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(shè)備所供應(yīng)水的水質(zhì)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(jī)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(wǎng)富余水壓的基礎(chǔ)上進(jìn)行無減壓式2次增壓過程的供水方式。長江大學(xué)人才公寓樓層數(shù)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(qū)用水總?cè)藬?shù)為：

N=8×60×4=1920(人)

(1)

式中，N為高區(qū)用水總?cè)藬?shù)。

使用傳統(tǒng)的加壓給水方式和疊壓給水方式時(shí)的能耗對比如下：

1)傳統(tǒng)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(shí)用水量，m3/h；T為高層建筑的用水時(shí)間，h;Kh為時(shí)變化系數(shù)，取3.5。

采用2用1備的泵組，則單泵流量為21m3/h，揚(yáng)程H取76m(考慮水泵并聯(lián)的工作特點(diǎn)，需選擇偏大的揚(yáng)程)。選用凱泉廠家HQL3-2580型給水設(shè)備，配泵型號為KQL65/250-15/2，單泵功率為15kW。則需消耗的電機(jī)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(yáng)程，m；H1為高區(qū)自來水供水揚(yáng)程，m；H2為市政管網(wǎng)供水揚(yáng)程，m；考慮市政管網(wǎng)最不利用水情況，取市政管網(wǎng)壓力為0.25MPa。

選用凱泉廠家NQGL3-2550型給水設(shè)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(jī)總功率為:

P=7.5×2=15(kW)

(8)

3)使用疊壓供水較傳統(tǒng)給水加壓方式節(jié)能效率φ：

(9)

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

2.1.3給水加壓方式的優(yōu)點(diǎn)

長江大學(xué)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(shè)備主要由倒流防止器、電磁流量計(jì)以及壓力傳感器、防負(fù)壓裝置、穩(wěn)流罐和變頻控制器等組成。由于這種供水設(shè)備是直接與市政供水管網(wǎng)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(yōu)點(diǎn)，都是可以直接利用市政供水管網(wǎng)的余壓，在室外給水管網(wǎng)的余壓的基礎(chǔ)上進(jìn)行抽水和增壓。并且這種供水設(shè)備安設(shè)有穩(wěn)流罐，所以它可以克服水泵直接抽水對周圍市政給水管網(wǎng)產(chǎn)生影響的弊端。加設(shè)的這種密封穩(wěn)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(jié)省了修建貯水池或高位水箱的土建投資。另外疊壓供水設(shè)備屬于全密封系統(tǒng)，可以阻隔空氣中的部分細(xì)菌，對水質(zhì)起到防止二次污染的作用。所以疊壓給水方式在實(shí)際應(yīng)用中不僅可以起到節(jié)約能源、節(jié)省土建投資，還能減少水質(zhì)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(shè)備、器具和機(jī)電設(shè)施

建筑給排水行業(yè)當(dāng)前所存在的共性問題就是使用的用水設(shè)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(zhì)的二次污染問題較為嚴(yán)重[6，7]。在生活給水和排水的設(shè)計(jì)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(xiàn)象的發(fā)生，從而起到了節(jié)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(shè)備和器具方面，選用節(jié)水型衛(wèi)生潔具及配水件，衛(wèi)生間大便器采用容積小于6L的沖洗水箱；公共衛(wèi)生間采用感應(yīng)式水嘴和感應(yīng)式小便器沖洗閥等；水池、水箱溢流水位均設(shè)有報(bào)警裝置，以防止進(jìn)水管閥門故障時(shí)，水池、水箱長時(shí)間溢流排水，從而造成水資源的浪費(fèi)現(xiàn)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(yùn)行過程中存在的少許滲漏問題，因此具有較好的節(jié)約水資源的作用。由于它的結(jié)構(gòu)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(fèi)用。同時(shí)，這種泵安裝方便，運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪音較小，極大的改善了使用環(huán)境。

2.3 熱水供應(yīng)系統(tǒng)

2.3.1常規(guī)熱水供應(yīng)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的熱水供應(yīng)系統(tǒng)所使用的加熱方式主要為燃油鍋爐和燃?xì)忮仩t，這種熱水供應(yīng)系統(tǒng)是以燃油、燃?xì)獾热斯と剂蠟闊嵩矗善洚a(chǎn)生的熱量直接對水進(jìn)行升溫的加熱方式。這種熱水供應(yīng)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(zhì)。由于傳統(tǒng)的熱水供應(yīng)系統(tǒng)的水加熱方式是一個(gè)燃燒的過程，所以會有引發(fā)火災(zāi)事故的隱患。另外，在燃料燃燒的過程中，會不可避免的產(chǎn)生一些廢氣，對環(huán)境會造成極大的污染，從而危害環(huán)境。

2.3.2熱水系統(tǒng)的節(jié)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?zé)崮?、風(fēng)能、生物質(zhì)能等多能源互補(bǔ)以及太陽能與熱泵組合等系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的構(gòu)想。人才公寓的熱水供應(yīng)系統(tǒng)采用太陽能加熱和空氣源熱泵相組合的熱水供應(yīng)方式，熱水系統(tǒng)主要設(shè)備如表1所示，熱水系統(tǒng)原理如圖1所示。

每天下午17∶00，當(dāng)熱水箱內(nèi)的水溫小于45℃時(shí)，輔助加熱設(shè)備啟動加熱，當(dāng)熱水箱內(nèi)的水溫到達(dá)60℃時(shí)，輔助加熱設(shè)備停止加熱。陰雨天時(shí)，在每天下午14∶00，當(dāng)熱水箱內(nèi)的水溫小于45℃時(shí)，輔助加熱設(shè)備啟動加熱，當(dāng)熱水箱內(nèi)的水溫到達(dá)60℃時(shí)，輔助加熱設(shè)備停止加熱。

另外，該熱水供應(yīng)系統(tǒng)還設(shè)有定時(shí)加熱的裝置：在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)，熱水箱內(nèi)的水溫低于設(shè)定溫度5℃時(shí)，輔助能源對水箱中水進(jìn)行加熱，加熱至設(shè)定溫度時(shí)停止。為了防止高溫暴曬所引起的炸管現(xiàn)象，在該工程設(shè)有高溫?cái)嗬m(xù)循環(huán)系統(tǒng)：當(dāng)集熱器溫度高于95℃，且僅高于水箱溫度2～10℃范圍內(nèi)時(shí)，集熱循環(huán)泵每循環(huán)10min，停20min防空曬炸管。由于壓力管是設(shè)置在屋頂且外露于空氣中，因此明露的壓力管需做防結(jié)露處理，防結(jié)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(yīng)系統(tǒng)方面，設(shè)計(jì)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(yīng)系統(tǒng)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(jié)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(chǎn)生燃料燃燒所帶來的廢氣污染，從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境的作用。另外，公寓的熱水供應(yīng)系統(tǒng)采用智能化控制，相比于傳統(tǒng)的熱水供應(yīng)系統(tǒng)自動化程度較高，使用更為方便。

表1 熱水系統(tǒng)主要設(shè)備表

圖1 熱水系統(tǒng)原理圖

2.4 雨水回用系統(tǒng)

我國雨水資源豐富，年降水量可達(dá)6.190×1015m3，但由于我國對于雨水資源的回收、處理和利用發(fā)展的不是很全面，導(dǎo)致大量的雨水沒有得到有效的利用，從而浪費(fèi)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(jìn)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(jìn)行收集。同時(shí)采用透水性路面和下沉式綠地，通過鋪設(shè)透水地磚的方式來減少地表徑流，當(dāng)雨水經(jīng)過下沉式綠地時(shí)起到初步凈化雨水的作用，通過在下沉式綠地處設(shè)置溢流口來強(qiáng)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(dá)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(shè)施采用“混凝—過濾”工藝，在蓄水池中對收集的雨水進(jìn)行混凝加藥處理，反應(yīng)之后，通過石英砂過濾器去除雨水當(dāng)中的懸浮物固體[12]。經(jīng)過“混凝—過濾”等工藝處理后的低濁度雨水可進(jìn)入清水池進(jìn)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(jié)論

1)長江大學(xué)人才公寓給排水設(shè)計(jì)中采用疊壓供水方式，在供水加壓的過程中比傳統(tǒng)的加壓方式節(jié)能約50%；在用水設(shè)備、器具和機(jī)電設(shè)施中，使用節(jié)水型器具和專用型消防水泵，起到了節(jié)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(yīng)系統(tǒng)的能量來源，既節(jié)約了傳統(tǒng)熱水供應(yīng)系統(tǒng)中燃料能源的消耗，也避免了燃料燃燒所帶來的環(huán)境污染問題和安全問題。

3)使用雨水回用技術(shù)不僅可以節(jié)約水資源，減少水體的浪費(fèi)現(xiàn)象，還可以帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，值得建筑給排水行業(yè)的大力推廣和應(yīng)用。