市政給排水工程設(shè)計(jì)中的節(jié)能技術(shù)

王娟韓麗劉恒

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

城鎮(zhèn)的市政給排水系統(tǒng)承擔(dān)著供給覆蓋區(qū)域的生產(chǎn)、生活用水,接納雨水、污水的責(zé)任,為城市基本職能的發(fā)揮提供了物質(zhì)保障。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,近年來由于我國不斷推進(jìn)城鎮(zhèn)化建設(shè),市政服務(wù)區(qū)域逐年擴(kuò)大,高層建筑在城市中的普及也使得系統(tǒng)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(shí),用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷細(xì)化,產(chǎn)生的污水成分復(fù)雜、水質(zhì)較差,這使得市政給排水的能耗問題日益突出。因此,設(shè)計(jì)過程中采用合理有效的節(jié)能技術(shù)對于降低供水能耗、實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 市政給排水現(xiàn)狀

1.1 市政給排水的系統(tǒng)構(gòu)成

完整的市政給排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括取水方案、供水設(shè)計(jì)、排水設(shè)計(jì)以及凈水系統(tǒng)設(shè)計(jì),比較復(fù)雜的系統(tǒng)還包括消防、熱水以及中水設(shè)計(jì)等。

在市政給排水設(shè)計(jì)中,除了凈水的系統(tǒng)設(shè)計(jì)對于水質(zhì)和壓力的要求較小,其余環(huán)節(jié)中水泵加壓均為關(guān)鍵的耗能環(huán)節(jié),是優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、減小市政給排水系統(tǒng)能耗的重點(diǎn)內(nèi)容。

凈水和中水處理系統(tǒng)著眼于水資源的處理和回用,設(shè)計(jì)過程中,需要結(jié)合實(shí)際用水單元所需要的水質(zhì),運(yùn)用水務(wù)管理相關(guān)的知識和內(nèi)容,合理規(guī)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(tǒng)比重不低的成本來源,根據(jù)我國自來水行業(yè)的資料統(tǒng)計(jì),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(tǒng)的平均電耗就占總成本的32%～41%。

由耗電量分析可得,隨著節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用,我國供水能耗呈現(xiàn)出在工業(yè)耗電中所占的比例下降但總耗電量上升的特點(diǎn)。由于其巨大供水耗電總量,在市政給排水設(shè)計(jì)中采取有效地節(jié)能技術(shù)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(tǒng)計(jì)表

2 市政給排水設(shè)計(jì)節(jié)能原則

2.1 給水節(jié)能的設(shè)計(jì)原則

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

一般來說,常見的節(jié)能思路包括:(1)根據(jù)實(shí)際情況對水質(zhì)進(jìn)行分級以實(shí)現(xiàn)多級梯式利用,提高水資源的利用效率。給水設(shè)計(jì)需要充分考慮實(shí)際用水單位的需求,這種方式多用于用水量較大、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的給水系統(tǒng)。(2)充分利用雨水?！昂＞d城市”概念的提出,對于市政給排水的節(jié)能設(shè)計(jì)具有啟發(fā)性影響,其較高的節(jié)能環(huán)保效果主要就是通過充分收集和利用雨水實(shí)現(xiàn)的。(3)中水回用。中水是經(jīng)過了良好的一級處理或者深度處理的污水,是給水設(shè)計(jì)中一個(gè)較為特殊的水源,中水的循環(huán)利用對于實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用,提高系統(tǒng)的節(jié)能效率具有重要作用。目前,常見的城市中水系統(tǒng)處理結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 城市中水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 排水節(jié)能的設(shè)計(jì)原則

在城市的排水設(shè)計(jì)過程中,面臨最大的挑戰(zhàn)是不確定性。排水單位排出污水的水質(zhì)和水量以及時(shí)段波動性對排水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和能耗有重要影響。市政排水設(shè)計(jì)中首要的節(jié)能思路就是合理選擇污水提升泵的功率和揚(yáng)程,指定高效穩(wěn)定節(jié)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(zhì)。

此外,排水節(jié)能技術(shù)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(jī)結(jié)合以及聯(lián)動城市防洪規(guī)劃等。其中污水處理環(huán)節(jié)在設(shè)計(jì)過程中有時(shí)也被定性為凈水設(shè)計(jì),但是設(shè)計(jì)城市市政排水時(shí),也要通過考量城市的污水處理能力來規(guī)劃排水管網(wǎng)。

3 市政給排水設(shè)計(jì)節(jié)能技術(shù)

3.1 輸水方式選擇

在市政系統(tǒng)運(yùn)行的過程中,電能消耗主要來源于供水和布水的過程。根據(jù)工程實(shí)際需求選擇合適的輸水方式,是減小系統(tǒng)電耗的重要舉措。設(shè)計(jì)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(jié)能供水技術(shù)

通過對給排水系統(tǒng)的能耗分析可得,供水環(huán)節(jié)是能耗的主要來源。針對供水方式改良,相關(guān)人員進(jìn)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(tǒng)。

自來水廠的來水經(jīng)過二次加壓后,輸送到用戶端,為了保證系統(tǒng)的有效運(yùn)行,市政管網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范總要求供水水壓應(yīng)大于用戶接水點(diǎn)。輸水加壓抬升到水箱后,水壓自然降低,造成了能源浪費(fèi)。

為解決水壓浪費(fèi)的問題,逐漸開發(fā)除了多種節(jié)能供水方式,以下以無負(fù)壓供水系統(tǒng)為例:

無負(fù)壓供水系統(tǒng)是利用有壓容器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的供水系統(tǒng)的水池和水箱,裝配在市政管網(wǎng)和提升泵之間,有效利用市政管網(wǎng)中原有的壓力,直接抽水送入用戶端。搭配變頻泵,可以實(shí)現(xiàn)合理控制泵的運(yùn)行,防治給水污染的目的。(圖2)

圖2 無負(fù)壓供水流程圖

3.3 雨水利用技術(shù)

在市政給排水設(shè)計(jì)中,雨水可以收集后進(jìn)入中水處理系統(tǒng),成為城市用水的來源,節(jié)省水資源,通過雨污分流收集后又可以減輕城市排水系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

在市政給排水工程的設(shè)計(jì)過程中,要需要結(jié)合工程所處地的實(shí)際情況,包括氣象條件、地形條件等,合理的運(yùn)用循環(huán)技術(shù)設(shè)計(jì)雨水的收集和處理方式,建設(shè)雨水再利用系統(tǒng),達(dá)到節(jié)約水資源的目的。

以天津市濱海新區(qū)生態(tài)城的給排水系統(tǒng)為例,見圖3。

圖3 天津示范工程的給排水系統(tǒng)圖

由此可見,雨水的回用需要與整體的供水和排水系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起,構(gòu)成一套完整的、系統(tǒng)化的水循環(huán)系統(tǒng)。市政給排水的設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)環(huán)節(jié)中的節(jié)能技術(shù),將各環(huán)節(jié)串聯(lián)起來,形成一個(gè)多元化的高效節(jié)能網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)論

市政給排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要貫徹節(jié)能減排的政策需求,在保證系統(tǒng)整體性能的基礎(chǔ)上,逐步推進(jìn)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。在市政設(shè)計(jì)中必須重視系統(tǒng)整體的節(jié)水節(jié)能性能,通過合理的規(guī)劃,優(yōu)化整體設(shè)計(jì),并且后續(xù)的運(yùn)維過程中,加強(qiáng)水務(wù)管理,真正做到長期有效的保證系統(tǒng)的節(jié)水性能,促進(jìn)綠色環(huán)保城市的建設(shè)。