住宅给排水设计中节能和节水技术的探讨

张 渠

(深圳市建筑设计研究总院有限公司重庆分公司,重庆 沙坪坝 400030)

能源是发展国民经济的重要物质基础,也是制约国民经济的一个重要因素.我国和世界上绝大多数国家一样面临着能源危机,而在加强能源建设的同时,最大限度地提高能源的利用效率,大力降低能耗已经越来越得到重视[1].根据《中华人民共和国节约能源法》的有关规定,固定资产投资工程项目的设计和建设,应当遵循合理用能标准和节能设计规范,达不到合理用能标准和节能设计规范要求的项目,依法审批的机关不得批准建设.项目建成后达不到合理用能标准和节能设计规范要求的,不予验收.住宅建筑为建设部指定要求采用节能技术的建筑物之一.

根据我国现行供水情况及住宅用水情况,住宅建筑给排水节能主要有以下几个途径:1)尽可能利用太阳能用作住宅热水加热;2)利用市政供水压力,采用管网叠压变频供水设备,节约能源;3)采用节水型卫生器具,减少供水量,同时也减少供水能耗.

1 太阳能住宅热水加热的节能技术措施

1.1 太阳能住宅热水加热的使用范围及太阳能热水器的分类

太阳能作为清洁能源,取之不尽,用之不竭,是节能的重要途径.太阳能热水器是由集热器、储水箱、给水箱、循环管、循环泵、配水管等组成.我国大部分地区均处北纬 40度以北,日照时间较长,均适合推广太阳能热水器.

根据现在使用的太阳能热水器技术,按集热器形式可分为平板型和真空管型两种类型.其具体形式和特点如下.

a.平板型:在住宅中使用的小型热水器中,目前多采用自然循环方式,且为单循环,即集热器内被加热的水直接进入储水箱提供使用.结构简单,成本较低,但抗冻能力弱.

b.真空管型:全玻璃真空管结构简单,价格适中,水在玻璃管内直接被加热,其组成的家用热水器一般是将真空管直接接入非承压水箱,采用落水法取热水.也有采用金属热管组合的承压式及采用 U型管组合的分离式,在不同地区都全年使用.具有抗冻、耐压和耐冷热冲击能力.

热管型真空管,其管内无水,具有抗冻、耐压和耐冷热冲击能力.可连接承压水箱,采用双循环系统,更适用于各种规模的热水系统,价格较高.

1.2 安装方式

1)单幢建筑或多幢建筑合用太阳能热水器.可设置热水箱,用作户内热水器预热水源,单户内设置快速热水器[1].其优缺点如下.

优点:利用太阳能热水器作预热,可充分利用太阳能的能量.春、夏、秋季热水温度基本可满足家庭使用要求,冬季也可充分利用太阳能,节能效果明显.可广泛使用于多层及高层住宅,可多人连续使用.

缺点:由于太阳能热水器为公用,需设置于有物业管理的小区内.由于屋顶太阳能热水器仅作预热,故每户住宅内需增设热水器,以便随时提供热水.一般与快速式电热水器配合最佳,与其它快速式热水器配合也较好,不宜与容积式热水器配合使用(节能效果不佳).还需设置热水表用来计量热水用水量.

2)单户设置太阳能热水器方式.

优点:每户单独设置,控制方便,户内可不用增设热水器.

缺点:只适用于多层建筑;热水器安装高度受用户水压限制;使用热水时需要放掉水量较多;屋顶太阳能热水器水量不适合多人连续使用;电热器设置于屋顶,维修及管理不便;阴雨天使用时需电加热较长时间.

1.3 使用太阳能热水器的选择方式及节能效果

1)选择方式:具体应用太阳能热水器应根据工程具体情况及住宅小区物业管理情况确定.在土建施工阶段预留热水器进出水管及管道井,在管理条件许可的情况下,应优先采用第一种供水方式,根据现有太阳能热水器技术,使用全玻璃真空管比较经济合理.

2)节能效果比较:用水量按每人次淋浴热水量 100 L考虑,常年冷水平均水温 10℃,淋浴热水温度 40℃考虑,平均每人每次淋浴耗能为

E1=100L×(40℃-10℃)×(4.19×103 J/kg◦℃)=12 570 000 J.

按每度电能热功当量 3 617 000 J/kWh计算,考虑热水器加热效率 0.9,每人次淋浴用电量为

E2=12 570 000/(3 617 000×0.90)=3.86 kWh.

按每人每月淋浴 8次,每户 3人,80%使用太阳能热水器计算,每户住宅每年可节电:

E=3人 ×8次 ×12月×3.86 kWh/人 ◦次 ×80%=889 kWh.

节能效果相当明显.

3)工程造价:太阳能集热面积可计算为S=H◦ F◦ η◦ K1◦ K2=L◦ C◦ ΔT.

其中 H为太阳辐射量,F为太阳能热水器集热面积,η为热水器日平均效率(一般为 0.5),K1为容积系数(取 1.0),K2为系统热损系数(取0.8),L为产水量(按 300 L/天计算),C为工质比热容(取 4.19 kJ/kg◦℃),ΔT为冷热水温差,按夏天淋浴用水量最大时计算,热水 40℃,冷水25℃,温差 15℃ .每户需太阳能集热管面积2.1m2,工程造价市场价格约在1 000元/m2左右,包括给水管等其它设施,工程造价约 2 500元 /户(一户 3口计算).按上述节能 889 kWh计算,市场电能价 0.53元/kWh,每年可节约费用471元,考虑部分维修管理费用,6年可收回投资(不计投资利率),节能性价高.

2 利用市政供水压力采用管网叠压变频供水设备

在城市供水中,根据城市供水规模大小不同,一般市政给水管网压力在0.2～0.4 MPa之间,只能满足 3～5层建筑供水压力.现在城市城区土地利用率均较高,城区住宅高层建筑增多,且一般多层住宅楼层在5层以上,供水压力要求采用二次加压[2].合理利用市政管网压力,采用分区供水方式并采用新型供水设施,可以减少二次加压能耗.如市政管网压力为 0.3 MPa,则 5层及以下楼层可采用市政管网直接供水,5层以上采用无负压变频供水设备供水.这样即不浪费市政管网余压又不至于使低楼层管网压力过高,造成能耗及水量浪费[3].

采用分区供水方式,可节约采用市政直接供水部分楼层的加压能源.使用无负压给水设备加压与传统二次加压方式比较(传统加压方式为市政管网供水至水池,然后由水泵供应至屋顶水箱)有以下优点:

1)可减少投资:传统加压方式需要建水池及屋顶水箱,使用无负压给水设备可取消水池及水箱.

2)可减少污染:自来水在水池及水箱内增加停留时间,水中余氯余量低,微生物含量高,使用新型设备后水质同自来水.

3)可节省大量能源:传统二次加压方式是将自来水直接放入水池或水箱中,使原有压力全部为零,再从零从新加压供水;而无负压变频设备完全利用原有市政管网压力供水,与供水管网直接串接,差多少,补多少.

4)可减少水资源浪费:由于传统方式中,水池、水箱均为混凝土结构,渗水、跑水、漏水、蒸发不可避免,而且水池、水箱需定期清洗,需要大量清洗水.

从节能效果来看,每立方米水增压 1 m需要做功 1 000 kgf◦m=1×104J,水泵效率一般在0.6左右,按每度电能热功当量 3 617 000 J/kWh计算,需电能 0.005 kWh,按平均日生活用水量 100 L/人◦日计算,如充分利用 0.3 MPa市政管网压力,相比传统水池、水泵二次加压方式,需二次加压用户(三口之家)一年可节约能源:E=3人 ×365天 ×0.1立方米 /人◦日 ×

30 m水压 ×0.005 kWh=16.5 kWh,且比传统加压方式更能节约投资.相比现行在小区内采用无负压变频给水装置,却不采用利用市政管网压力直接供水的供水方式(该方式会造成低层给水用户给水压力过高,导致低层用户能耗及水耗增加),可节约在市政供水管网压力供水范围内的用户给水能耗和水耗,若对小区给水管网进行合理设计,与室外消防栓合用给水管网,可基本不增加管网投资.总之,采用该节能方式节能效果显著,节能性价比极高,故值得大力推广.

3 使用节水型卫生器具,减少用水量及加压能耗

我国是水资源比较紧缺的国家,现我国大力提倡使用节水型卫生器具,除节水效果外,其节能效果也是比较显著的.目前使用节水型器具主要有以下几点:

1)减少大、小便器冲洗水量:若全部使用冲水量小于 6 L的马桶且采用两挡冲洗阀门,冲洗水量小于 4.5 L的小便器,则住宅可节水 12%,宾馆、饭店可节水 4%,办公楼可节水 27%.

2)厨房、沐浴、盥洗的节水:厨房的洗涤盆、沐浴水嘴和盥洗室的面盆龙头若采用充气水嘴,可节水且不减小水柱的直径,充气率一般可在15%左右.即节水率在15%左右.

若在住宅中充分使用节水型卫生器具,可节约住宅生活用水量的 10%左右,也就是节约用水加压能源的 10%左右,节能效果跟住宅高度成正比,建筑物越高,节能效果更显著[4].其节能投资也比较省,考虑既节水又节能,应值得大力推广.

根据我国供水情况,还可考虑其它节能方式:1)使用内壁光滑的供水管材,减少管道沿程水头损失;使用低阻力阀门和倒流防止器等,减少管道局部水头损失;管道水力损失降低后,相应可减少水泵供水压力,以此方式来降低供水能耗;2)按用水部门分别设置水表进行计量收费[5];3)水池(箱)设报警溢流水位,防止长时间溢流排水.

4 结语

建筑给排水节能潜能很大,若能充分利用太阳能及管网余压和充分使用节水型卫生器具及其他节能方式,可节约许多能量及用水量,是一件利国利民的大事.且其节能效果性价比较高,应值得大力推广使用.

[1]钟水库.家用太阳能热水器经济效益的探讨与计算[J].农村能源,1999(5):11-13.

[2]姚宏,田盛.二次加压泵站运行现状及节能改造措施浅析[J].节能技术,2002(4):13-16.

[3]杨虹.叠压供水方式在供水管网中的应用[J].安徽建筑工业学院学报,2006(5):50-52.

[4]杨天佑.建筑节能装饰门窗◦卫浴产品[M].广州:广东科技出版社,2003.

[5]秦贵棉.住宅分户计量收费的相关问题[J].山西建筑,2007(7):191-192.