建筑给水管网减压蓄能及智能预警装置★

尚永涛 曹梁文 李德海 孙金榜 杨柳崴

(兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州 730050)

1 研制背景及意义

建筑给水的水压确定一般需要根据用户最不利带点的水压确定，由于建筑内部存在楼层间高差，低于最不利点的楼层其用水点水压要高一些。建筑内的竖向高差是不同楼层间水压变化的主要因素，水压不均衡将导致用水点出水不均匀。较低楼层的管道中经常由于水压过大导致水管炸裂，并且水龙头等设施也会受到相应的损害，这些使供水管道及水龙头等设备的更换频率提高，增大了供水设施的后期维护维修费用。

目前建筑中生活用水供给系统的水压均衡控制方法主要有两种，第一种是分区压力控制。第二种是在某些位置设置相应的减压阀减压。在我国针对建筑给水排水制定的规范中指出，要注重控制建筑给水系统竖向分区的水压范围，首先需要考虑的是不同的用水设备对于水压的承受能力，水压过高会对建筑内的用水设备造成一定程度的损坏[2]。对建筑给水系统中的竖向分区水压进行控制，有效的降低水压，同时又能满足使用要求。

对于目前的这种减压措施在一定程度上可以减少水压的损害，但是这些富裕的水压并没有被充分利用起来，造成了很大的浪费。

2 设计描述

2.1 实物描述

该管道式减压产能及智能预警装置外观为0.5 m长管段，两端配有螺纹活接头，通过接头接入给水横干管或立管直管段。在管道内部一端装有Y型过滤器，以防止管道中的杂质对水轮机的叶轮造成破坏。该小型水流发电装置基于供水管道中的水压力的动能来产生电能，发电装置由定子、转子、端盖及轴承等部件构成，由轴承及端盖将发电机的定子、转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁感线运动，从而产生感应电动势，并且通过接线端引出，接在回路中，便产生了电流[3]。由于发电机工作的过程中会受到水流的影响，因此设有止水密封结构，使发动机隔绝水流工作，不至于影响发电机工作并且保证用户用水中不流入电流。对于信息的传输我们采用一个小型信号发射器来实时发送产电量信息至信息采集终端。由信息采集终端对信息进行处理，从而得出管道内的流量水压等信息，并通过这些信息实现智能预警及反馈控制，从而达到节能减排的目的。

2.2 电能传输

考虑到用水时间和水流量的不均衡等因素会导致产电量的不稳定，我们首先将发电设施产生的电能通过引线引入蓄电设施存储起来，然后由蓄电设施直接连接用电设施，从而实现电能的稳定传输。

2.3 智能预警反馈控制

该装置同时可以实现智能预警及供水系统的反馈控制。在该设备中配备有一个信号发射器，以实时发送装置产电量信息至信号接收端，在信号接收端对接收到的信息进行处理，以实现对供水管网信息的实时检测，判断管道中的水流是否正常输送并判断管道是否出现破损漏水等情况。具体如下：在信号接收端将收集到的信息与管道正常使用时的电量信息做拟合，当拟合超过一定的容错范围时管道内则有可能发生渗漏，其次也可以判断管道内的水压及水流是否正常。整合终端所有装置发送的实时信息，达到给水系统信息化管理的目的，实现智能预警系统。而该装置可作为信息传输的平台，可根据处理后的反馈信息调节给水管网，以达到节能减排的目的。

3 理论设计计算

由于信号发射装置的能耗与电灯的能耗相近，于是我们以生活用水时的可行性计算作为参考，由于夜间用水和白天相比，且夜间的用水量很小，我们这里取12 h作为全天发电量(以下计算均为一台装置的相关量)。各个管径12 h的流量如表1所示。

表1 各个管径12 h的流量表

由于帆翼式叶片和风扇式叶片在装入设备之后，无法正面迎接水流而不影响水流的流转，且无法为将水动能转化为电能，所以这里我们选取螺旋桨式叶片，取Cρ=0.42。

叶片面积：

S=3.14×0.1×0.1=0.034 m2。

考虑轴承的机械效率为98%实际蓄电池，根据各个管径的经济流速，各个管径下每12 h的蓄电池捕获水动能见表2。

表2 各个管径下每12 h的蓄电池捕获水动能表

4 预期成果

通过理论产能计算，一个该装置可以满足2.8个应急照明设施一天的日常用电需求。本装置在直管段内采用螺纹活接头的方式接入管道，采用螺纹活接头连接的形式接入给水管道使该设备连接方便。其次该装置可以实现智能预警及反馈调节，以提高给水管网信息检测的自动化和智能化，从而实现节能减排。该装置在发电的同时降低了给水管网中过剩的压力，在一定程度上降低了给水管网中供水管道和水龙头的更换频率及维修成本。此外，由于本设计的自发电设计，亦降低了电池的损耗，在一定程度上实现绿色环保可持续发展的时代目标。

在造价方面，该产品主要由0.5 m直管段，微型发电轮机、信号发射装置、集成电路等结构组成，总体造价成本相对较低，且能实现节能减排的目的。本产品主要任务为在尽可能节约人力资源与物质资源的前提下，实现给排水信息的检测与管理，并且由于其安装难度低与维护成本小等优点，亦可以在其他应用给排水系统的领域应用。对于信息来源的真实性，由于该产品自身接入给排水系统，实时收集数据，相对于人工收集数据时易出现的人工误差而言，机器只存在精度误差，遂此信息来源的真实性高。由于信息收集与传输实时进行的性质，并且直接通过信息流并入智能预警系统，因此其信息收集的全面性与快速性也符合信息管理要求。该设备可以提高给水系统在建筑信息领域的智能化和信息化，同时可以提高供水系统的优化反馈，实现“绿色建筑”。

5 创新点及应用

1)在发电及节约能耗方面，该装置在一定程度上降低了在给水管网中水压过大引起的损害，降低了对给水管网管道及水龙头等构件的更换频率，从侧面降低了成本。并且将这些过剩的能量转化为了电能，供一些用电设备使用。

2)在信息检测方面，该装置具有对管道内部的流量信息检测的功能，可以及时发现供水管道的渗漏情况。从而减少水资源的浪费及降低渗漏造成的危害。

3)在安装更换方面，该装置两端采用螺纹活接头，便于拆卸更换，且使用范围广，可以应用到各种横干管、支管等位置。

4)在智能化方面，我们将该装置与智能水务平台相结合，有利于实时监测给水管网信息，实现给水系统的智能化、信息化及反馈调节。