高层建筑节能节水措施探讨——以长江大学人才公寓为例

何鑫，康琼仙，张英

(长江大学城市建设学院，湖北 荆州 434023)

国务院《十三五节能减排综合工作方案》中明确提出了节能减排的发展理念，住建部也相应发布了《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》。建筑能耗在社会总能耗中占很大的比重，根据有关数据显示，我国建筑能耗约占到全社会总能耗的27.5%，随着社会经济的快速发展，建筑能耗所占比例将会呈现出持续增长的趋势[1，2]。建筑给排水系统的能耗是建筑能耗中的重要组成部分，主要包括生活、生产、游乐、环境卫生、绿化等活动的给水、排水、热水、消防、中水等需要的能耗。

当前我国建筑业在节能减排方面面临着严峻的挑战，有必要采取相应措施，为建筑行业节能减排及可持续发展提供保障。不可忽视的是，在建筑行业快速发展的同时，用水和用电的需求量也日益增加，因此，科学合理的在建筑给排水设计中推行节能节水设计技术非常必要，以有效地解决居民日益增长的能源需求量与当前资源总量保持不变之间的矛盾。节能节水设计不仅保留了传统建筑给排水工程中所应有的精华之处，还改善了传统工程中所存在的缺点和不足，能够有效的传承和发展建筑给排水行业内的文化底蕴[3]。长江大学人才公寓采用叠压供水系统、消防专用水泵系统和太阳能与空气能结合热水供应系统等节能节水技术方法，减少了水资源的浪费，合理配置水电资源，从而有效控制建筑能耗，促进建筑给排水行业的发展，为我国节能减排总体目标服务。

1 工程与设计概况

1.1 工程概况

长江大学人才公寓是一座13层的高层公共建筑，设计总用水人数为3000人，建筑高度47.25m，总建筑面积32474.06m2。该建筑结构类型为框架剪力墙结构，建筑耐火等级为二级。太阳能集热器安装于屋面上，正南方向安装，安装倾角30∘。

1.2 给排水设计概述

在对公寓进行设计的过程中，给排水专业上的设计内容包括室内生活冷热水系统、排水系统、消火栓给水系统、自动喷水灭火系统、气体灭火系统等。

1)生活给水系统。冷水系统在竖向分2个区，1～5层为低区，由市政直供；6～13层为高区，由设置在地下室水泵房内的叠压变频泵组供水，其中6～9层采用减压供水措施，控制最不利点处用水器具的静水压力应满足《建筑给水排水设计规范》(GB50015—2003,2009年版)的要求，不超过0.45MPa，以减少孔口出流量，从而达到节水的效果。低、高区自来水供水压力分别为0.30、0.73MPa，当入户管水压大于0.35MPa时，则设减压阀。热水供应系统在竖向分区同冷水系统，高、低区的热水皆为太阳能加热和空气能热泵供应，替代了燃料燃烧的加热供水方式，起到节能环保的作用。

2)生活污废水排水系统。污、废水管道采用合流制，经室外化粪池处理后排入市政污水管网，且卫生间设置专用通气立管。

3)雨水排水系统。屋面雨水采用重力流排水系统，经雨水斗和雨水管收集后排至绿地、草坪上。室外地面雨水一部分经透水地面、草坪等渗透至地下从而补充地下水资源；另一部分在绿化带上形成滞留水，过量的雨水从设置在绿地上的溢流口进行收集，经过净化处理后可进行绿化和道路浇洒等用途，多余的雨水可通过底部排水管输送至市政雨水管网。

4)消火栓给水系统。消防用水水源为市政给水管网，室外消防采用低压制给水系统，火灾时由消防车从现场室外消火栓取水，经消防车等专门设施加压后进行灭火，或经消防水泵接合器供应室内消防灭火用水。消火栓系统竖向为1个区，系统入口所需工作压力为0.85MPa，由地下室水泵房内消火栓加压泵加压供水，为临时高压给水系统。在屋面设1个有效容积为36m3的消防水箱和1套增压稳压设备，保证灭火初期的消防用水。室内消火栓给水泵控制流程为，消火栓水泵控制柜在平时应使消防水泵处于自动启泵状态，消防水泵不设自动停泵的控制功能，停泵应由具有管理权限的工作人员根据火灾扑救情况确定。消火栓加压泵2台，互为备用，消防水泵能手动启停和自动启动，消防控制柜或控制盘设置专用线路连接的手动直接启泵按钮。

5)自动喷水灭火系统。公寓的喷淋系统竖向为1个区，入口处工作压力为0.8MPa，由地下室水泵房内喷淋加压泵加压供水。在屋面设置一套有效容积为36m3的消防水箱，保证灭火初期的消防用水，高位消防水箱、增压稳压设备与消火栓系统合用。湿式自动喷水灭火系统的控制流程为，喷淋泵由报警阀的压力开关自动启动，消防控制中心及消防泵房可手动启停喷淋泵；火灾时，喷头动作，水流指示器动作，反映到区域报警盘和总控制盘，同时相对应的报警阀动作，敲响水力警铃，压力开关报警，反映到消防中心，自动或手动启动任1台自喷加压泵。

6)气体灭火系统。变配电房及消防控制室均设置气体灭火设备，高、低压配电室采用S型热气溶胶预制(无管网)灭火系统。当人员进入防护区时，将灭火系统转换为手动控制方式；当人员离开时，恢复为自动控制方式，防护区内外设有手动、自动控制状态的显示装置。

2 节能节水措施

2.1 生活给水加压方式

市政供水管网在与用户引入管的连接点处具有一定的富余水头。对于低层建筑而言，居民用户所需的用水压力较小，市政供水管网的富余水头往往可以满足居民用户用水水压的需要。对于高层建筑来说，高层用户所需的水压通常较高，仅靠市政供水管网的富余水头是无法满足高层建筑上层卫生器具和用水设备要求的。在这种情况下，就需要在建筑物的底层安设水泵设施对市政供水管网进行进一步的加压处理，以满足高层用户的用水要求。

2.1.1常规给水加压方式

1)恒速泵加压方式。使用电机转速保持恒定的离心泵对市政供水管网进行加压，根据恒速泵吸水方式的不同可分为水泵直接抽水方式和水泵自贮水池抽水方式。前者没有设置任何贮水设备，可以充分利用市政供水管网的供水压力，直接在供水管网的富余水头上进行加压，减少管网能耗的浪费。这种给水加压方式如果供水可靠性发生了变化，室外给水管网与居民用户用水之间就存在着相互的影响。后者是在市政供水管网和加压水泵之间设置贮水池等流量调节设备，切断了市政供水管网与用户的直接供给关系，因此这种加压供水方式可靠性较高。但在将贮水池中的水供给到居民用户时，就要从零压力开始加压，没有利用到市政供水管网的富余水头，这样就造成了电力资源的极大浪费。

2)调速泵加压方式。使用转速可调的离心泵对供水管网中的水体进行压力提升和水力传输的加压供水方式，可以使用户用水量和水泵出水量大体保持一致，并且使管网中最不利水头处的压力基本没有变化。一般的高层建筑工程中需用水量通常较大，往往不单设调速泵进行工作，而是采用调速泵与恒速泵组合使用或将调速泵与稳压泵或气压罐配套进行使用。

3)气压给水方式。将经过水泵抽取的水压入一个密闭的钢罐中，再由密封罐内较高的空气压力将所储存的水输送至用户当中，使其满足用水点用水器具水压和水量要求的加压给水方式。这种气压给水设备所供应水的水质一般不容易受到污染，但是水泵的启闭较为频繁，容易使水泵受到损害，缩减水泵机组的使用寿命，且供水可靠性较低，所以这种增压给水方式很少作为居民用户的主要供水途径[4，5]。

2.1.2叠压给水方式

叠压给水方式是指在市政供水管网富余水压的基础上进行无减压式2次增压过程的供水方式。长江大学人才公寓楼层数为13层，每层约有60户4人间，其中第1层为办公用层。用水量定额为150L/(人·d)。。

高区用水总人数为：

N=8×60×4=1920(人)

(1)

式中，N为高区用水总人数。

使用传统的加压给水方式和叠压给水方式时的能耗对比如下：

1)传统加压给水方式：

(2)

(3)

式中，Qd为最高日用水量，m3/d；qd为最高日用水量定额，150m3/(人·d)；Qh为最大小时用水量，m3/h；T为高层建筑的用水时间，h;Kh为时变化系数，取3.5。

采用2用1备的泵组，则单泵流量为21m3/h，扬程H取76m(考虑水泵并联的工作特点，需选择偏大的扬程)。选用凯泉厂家HQL3-2580型给水设备，配泵型号为KQL65/250-15/2，单泵功率为15kW。则需消耗的电机总功率P为：

P=15×2=30(kW)

(4)

2)叠压供水方式：

(5)

(6)

H=H1-H2=73-25=48(m)

(7)

式中，H为叠压供水所需扬程，m；H1为高区自来水供水扬程，m；H2为市政管网供水扬程，m；考虑市政管网最不利用水情况，取市政管网压力为0.25MPa。

选用凯泉厂家NQGL3-2550型给水设备，配泵型号为KQL65/200-7.5/2,单泵功率为7.5kW。则需消耗的电机总功率为:

P=7.5×2=15(kW)

(8)

3)使用叠压供水较传统给水加压方式节能效率φ：

(9)

式中，W1为传统加压给水方式每小时耗能，kW/h；W2为叠压供水方式每小时耗能，kW/h。

2.1.3给水加压方式的优点

长江大学人才公寓所采用的给水加压方式为叠压给水方式，叠压供水设备主要由倒流防止器、电磁流量计以及压力传感器、防负压装置、稳流罐和变频控制器等组成。由于这种供水设备是直接与市政供水管网相连，所以这种加压供水的方式与水泵直接抽水方式具有相同的优点，都是可以直接利用市政供水管网的余压，在室外给水管网的余压的基础上进行抽水和增压。并且这种供水设备安设有稳流罐，所以它可以克服水泵直接抽水对周围市政给水管网产生影响的弊端。加设的这种密封稳流罐有一定的存水空间从而起到储存一定水量的作用，这样就节省了修建贮水池或高位水箱的土建投资。另外叠压供水设备属于全密封系统，可以阻隔空气中的部分细菌，对水质起到防止二次污染的作用。所以叠压给水方式在实际应用中不仅可以起到节约能源、节省土建投资，还能减少水质二次污染所引起的居民用户用水安全的问题。

2.2 使用合理的用水设备、器具和机电设施

建筑给排水行业当前所存在的共性问题就是使用的用水设备、器具以及管材的选用不合理，由此所造成的管道漏损、管段锈蚀以及水源水质的二次污染问题较为严重[6，7]。在生活给水和排水的设计过程中，采用合理的管材以及可靠的连接方式，有效的减少了管道漏损和管段锈蚀现象的发生，从而起到了节约水资源、防止二次污染以及延长管道使用寿命的作用。在用水设备和器具方面，选用节水型卫生洁具及配水件，卫生间大便器采用容积小于6L的冲洗水箱；公共卫生间采用感应式水嘴和感应式小便器冲洗阀等；水池、水箱溢流水位均设有报警装置，以防止进水管阀门故障时，水池、水箱长时间溢流排水，从而造成水资源的浪费现象。

在消防给水方面，公寓采用了消防专用水泵-立式多级单出口消防泵。这种泵的密封性能良好，可以解决普通离心泵在正常工作运行过程中存在的少许渗漏问题，因此具有较好的节约水资源的作用。由于它的结构较为紧凑、体积较小，所以其占地面积较其他离心泵要小，可以大大的减少土建投资费用。同时，这种泵安装方便，运行过程中产生的噪音较小，极大的改善了使用环境。

2.3 热水供应系统

2.3.1常规热水供应系统

传统的热水供应系统所使用的加热方式主要为燃油锅炉和燃气锅炉，这种热水供应系统是以燃油、燃气等人工燃料为热源，由其产生的热量直接对水进行升温的加热方式。这种热水供应方式使用的是人工燃料或者是煤等天然燃料，极大的消耗了能源物质。由于传统的热水供应系统的水加热方式是一个燃烧的过程，所以会有引发火灾事故的隐患。另外，在燃料燃烧的过程中，会不可避免的产生一些废气，对环境会造成极大的污染，从而危害环境。

2.3.2热水系统的节能措施

太阳能是一种清洁、无污染的可再生能源，目前主要利用太阳能与地热能、风能、生物质能等多能源互补以及太阳能与热泵组合等系统来实现节约能源的构想。人才公寓的热水供应系统采用太阳能加热和空气源热泵相组合的热水供应方式，热水系统主要设备如表1所示，热水系统原理如图1所示。

每天下午17∶00，当热水箱内的水温小于45℃时，辅助加热设备启动加热，当热水箱内的水温到达60℃时，辅助加热设备停止加热。阴雨天时，在每天下午14∶00，当热水箱内的水温小于45℃时，辅助加热设备启动加热，当热水箱内的水温到达60℃时，辅助加热设备停止加热。

另外，该热水供应系统还设有定时加热的装置：在设定时间段内，热水箱内的水温低于设定温度5℃时，辅助能源对水箱中水进行加热，加热至设定温度时停止。为了防止高温暴晒所引起的炸管现象，在该工程设有高温断续循环系统：当集热器温度高于95℃，且仅高于水箱温度2～10℃范围内时，集热循环泵每循环10min，停20min防空晒炸管。由于压力管是设置在屋顶且外露于空气中，因此明露的压力管需做防结露处理，防结露厚度为15mm。为了起到减少热量损失的效果，所有的热水管均需做保温处理，保温材料采用橡塑管壳，保温厚度为30mm。

在热水供应系统方面，设计使用的热源为太阳能和空气能。使用太阳能源和空气能源作为热水供应系统的热源能够有效的减少人们在日常生活中对于煤、石油、天然气等不可再生能源的使用，起到节约资源的作用[8，9]。其次，利用太阳能源和空气能源不需要燃料燃烧的过程，这样不仅保证了居民用户的使用安全的问题，而且还不会产生燃料燃烧所带来的废气污染，从而达到保护环境的作用。另外，公寓的热水供应系统采用智能化控制，相比于传统的热水供应系统自动化程度较高，使用更为方便。

表1 热水系统主要设备表

图1 热水系统原理图

2.4 雨水回用系统

我国雨水资源丰富，年降水量可达6.190×1015m3，但由于我国对于雨水资源的回收、处理和利用发展的不是很全面，导致大量的雨水没有得到有效的利用，从而浪费了很多的雨水资源[10，11]。对于雨水资源，可以采用较为完善的雨水回用体系对雨水进行回收利用。

雨水收集途径可分为屋面雨水和路面雨水2种，由于人才公寓的屋面面积较小，所以可以采用重力流雨水收集方式对雨水进行收集。同时采用透水性路面和下沉式绿地，通过铺设透水地砖的方式来减少地表径流，当雨水经过下沉式绿地时起到初步净化雨水的作用，通过在下沉式绿地处设置溢流口来强化雨水在绿化带的滞留能力。过量的雨水可通过溢流口汇入地下蓄水池，达到雨水收集的效果。雨水的处理过程可修建雨水净化处理设施采用“混凝—过滤”工艺，在蓄水池中对收集的雨水进行混凝加药处理，反应之后，通过石英砂过滤器去除雨水当中的悬浮物固体[12]。经过“混凝—过滤”等工艺处理后的低浊度雨水可进入清水池进行储存，通过变频泵输送至户外从而满足绿化和道路浇洒的需求。

3 结论

1)长江大学人才公寓给排水设计中采用叠压供水方式，在供水加压的过程中比传统的加压方式节能约50%；在用水设备、器具和机电设施中，使用节水型器具和专用型消防水泵，起到了节水的作用。

2)采用清洁、无污染的太阳能和空气能作为热水供应系统的能量来源，既节约了传统热水供应系统中燃料能源的消耗，也避免了燃料燃烧所带来的环境污染问题和安全问题。

3)使用雨水回用技术不仅可以节约水资源，减少水体的浪费现象，还可以带来一定的经济效益和社会效益，值得建筑给排水行业的大力推广和应用。