基于水平衡测试技术对某建筑用水现状研究

叶宏亮 马立山 王伊林 刘鹏霄

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

0 引 言

我国长期以来一直面临着水资源短缺重大的水问题的挑战.节水是解决水资源问题的根本出路.2014年3月，习近平总书记提出节水十六字方针使节水摆在水利工作的首要地位，为我国节水事业跨越式发展拉开了历史大幕.我国十三五规划纲要(2016～2020年)明确提出：要全面推进节水型社会建设，组织开展节水型单位和节水标杆单位创建，全部省直机关和50%以上的省属事业单位、中央国家机关所属在京公共机构建成节水型单位.2019年1月，水利部率先在水利系统内开展节水机关建设，向社会推广，带动全社会节水.2019年4月18日，《国家节水行动方案》明确要求推动合同节水管理，实施水效领跑和节水认证，节水工作已经刻不容缓了[1].

本文是某节能建筑系统为建立节水型单位在水平衡测试技术的基础上得出该建筑系统的用水现状并且进行节水潜力分析并提出后续建设节水型单位节水分析和建议.

1 水平衡测试

水平衡测试工作是指在一定的时段内，利用计量测试仪器对企业的用水系统(或用水单元)取、耗、排等环节的数据进行监测、采集、整理、分析，在水量平衡原理基础上对各用水环节中存在的问题提出节水技术改造措施和加强用水管理的建议.水平衡测试可以摸清单位的用水现状，了解用水水平，帮助单位查找用水的薄弱环节，使单位通过加强管理和技术改造，达到节水、节能、降耗的目的，从而产生经济效益和社会效益.水平衡测试是促进企业节水最重要的基础性工作.

1.1 水平衡测试基础

水平衡测试的核心就是水量的平衡[2]，在某个区域任何一个时间段内水的变化量一定等于该时段内输入的水量与输出的水量之差，即水量是平衡的，这也符合质量守恒定律[3].水量平衡的基础就是水力学中的连续方程.

连续方程：

(1)

即：

Q进=Q出

(2)

在实际的水平衡测试中，我们采用的是简化后的模型，以水的流向为参考对输入和排出系统的水量进行测试，可以避免水的不同化学成分和物理状态对水平衡计量的影响.水平衡基本图如下：

图1 水平衡示意图

图中：

vf—用水系统新水量，m3/d；vs—进入用水系统串联水量，m3/d；

vco—用水系统耗水量，m3/d；vd—用水系统排水量，m3/d；

继而根据水量守恒可得出平衡方程式：

(3)

通过水平衡测试[4]，可以很直观的了解用水系统中水的来水量，及各个子系统的用水量；可以很快控制用水系统的漏损量，方便管理者对用水系统的控制.

1.2 水平衡测试方法

本次水平衡测试采用逐级平衡法进行测试.测试时段将单位用水时段进行科学划分进行测试.这次水平衡测试是在单位正常运行情况下进行的，测试的时段与运行周期一致.根据不同的测试断面采用不同的测试方法.对于有水表的管路首先对计量水表进行比对校测，在确保水表准确可靠的前提下，用读表法进行测量；出水量较大的管路用超声波流量计累计流量法进行测量；出水量较小的管路用调查法进行测量.

此次测试对于采用累积水量的方法进行测试的测点，每一个测点都根据事先选好的时段进行记录，以反映各时段各单位的用水量；对于瞬时水量的方法进行测试的测点，根据测试多次数值取平均值并根据其每天的用水时间得出其日用水量.

1.3 水平衡测试过程

本次该建筑系统水平衡测试工作[5]的水平衡测试过程见图2.

图2 水平衡测试过程图

1.4 水平衡测试结果

对本次水平衡测试系统划分为：各楼生活用水、冷却塔用水、景观水体用水、绿化用水、食堂用水五个子系统.各子系统内部又按照不同的用水情况进行划分.按照各系统的用水边界、进出各子系统的出水量及各用水系统之间的关系，建立平衡模型图和平衡方程式.

经过对该建筑系统各类水量的现场测试，对原始资料进行了综合整理、计算和分类.按照《节水型企业评价导则》(GB/T7119-2006)和《节水型单位建设标准》[6]，对各项指标进行计算.该建筑系统正常工作日取水量122m3；周六取水量88m3；周日和节假日取水量60m3；正常工作日耗水量为64m3；排水量为58m3；周六耗水量为59m3；排水量为29m3；周日和节假日耗水量为49.2m3；排水量为10.8m3.

根据水平衡测试结果得出该建筑系统的用水结构图，如图3、4、5所示.

图3 周六用水结构图 图4 正常工作日用水结构图 图5 周日用水结构图

1.5 单位用水过程分析

根据《企业水平衡测试通则》的要求，在水平衡测试过程中，逐级对单位供水管网进行了漏失量调查和测量.

(1)对于有条件停水的系统或单元[7]，可选择在适当的时间，关闭全部用水阀门，如果水表继续变化，说明该用水系统存在管网漏水的现象.而我们从水表在关闭的时间到再观察的时间中记录水表变化值大致就可以算出漏失水量.

(2)用超声波流量计方法[8]对该建筑系统的水表进行校验，当二级水表的计量率为100%时，一级水表计量数值与二级水表计量数值之差即为漏失水量.

单位服务中心负责供排水管网的检查维护，制定了具体可行的用水管理制度，并将节约用水纳入奖励考核.经现场调查，单位供水管网无跑冒滴漏，漏失量忽略不计，水量漏失率为0.

经过对现场测试数据的整理分析，单位总供水管道测试取水量为122 m3/d，5个用水子系统测试取水量之和为121 m3/d，测试不平衡率=(122-121)/122=0.8%.测试过程中的单位水量不平衡率在合理范围之内.

考虑到实际测试条件，单位总供水管道计量更为准确，因此，在测试数据平衡分析中，按照总取水量对各子系统取水量进行平衡调整.

该建筑系统是以企业行政办公为主的非生产性质的生活用水类型单位，用水主要是消耗于日常用水、卫生设施、冲洗保洁等用水.整个用水过程中无循环、重复利用的水量.该建筑单位为封闭的用水单位，不存在串联水量.由此可以得出该建筑系统的用水平衡图，如图6所示.

图6 该建筑系统水平衡示意图

根据分析该建筑系统的用水结构结合用水平衡图制定该建筑系统的用水平衡公式：

vf=vco+vd

(4)

2 节水潜力分析

2.1 用水现状

该建筑系统位于河北省中南部石家庄市，属于资源型缺水地区[9].供水水源为市政自来水.该建筑系统实行雨污分流，雨水由专门的雨水管路排出单位.所排污水主要为日常生活、卫生设施、冲洗保洁产生的废水，属于居民生活污水范畴.各用水部门的生活污水由各自的污水管道汇总到总排水管道中集中排放到市政污水管网.

对该建筑系统的用水进行取样检测，所检项目均符合《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)标准要求，可以满足单位生活用水水质要求.

表1 该建筑系统取水水源情况表

注1：“水源类型”栏：当企业有多种水源时，应分别按常规水资源与非常规水资源填报；常规水资源取水量包括：地表水、地下水、自来水、外购软化水、外购蒸汽等；非常规水资源水量包括：海水、苦咸水、城镇污水再生水、矿井水等.

注2：有多条输水管线时，应依次列出其管径.

一般企业用水单位分为主要用水单位(各楼生活用水)、辅助用水单位(食堂、冷却塔)、附属用水单位(景观用水、绿化用水).通过水平衡测试[10]可知该系统日取水总量为122m3，其中主要是用水单位日总取水量为56m3，占总取水量的45.9%；辅助用水单位日总取水量为44m3，占总用水量的36.1%；附属用水单位日取水总量为22m3，占总取水量的18%.

该系统日耗水量为64m3，其中主要用水单位(各楼生活用水)日消耗总量为6m3，占总耗水量的9.4%；辅助用水单位(食堂、冷却塔)日耗水量为36m3，占总耗水量的56.2%；附属用水单位(景观用水、绿化用水)日耗水量为22m3，占总耗水量的34.4%.

该系统日排水总量为58m3，其中主要用水单位(各楼生活用水)日排水总量为50m3，占总排水量的86.2%；辅助用水单位(食堂、冷却塔)日排水总量为为8m3，占总排水量的13.8%；附属用水单位(景观用水、绿化用水)日排水总量为0m3，占总排水总量的0%.

该系统[11]各用水单位日取新水量、日耗水量、日排水量比例图如下图7所示：

图7 用水单位日水量比例图

2.2 用水技术考核指标

(1)人均取水量.

人均取水量按下式计算：

(5)

式中：

vui—人均取水量，m3/人·d； q—在一定计量时间内的人数；

vi—在一定的计量时间内，单位的取水量，m3；

注：一定时间指的是对该系统做水平衡测试的天数.

该单位在单位日总取水量为122m3，本单位职工人数为1000人；每天来访人数为140人(主要该建筑系统2号楼为宾馆，故而人流量较大)；周六单位日取水量为88m3，在单位的人数为400人；周日单位日取水量为60m3，在单位人数为200人.

vui人均=122m3/1000人×22天=2.68m3/人·月；

vui人均=122m3/1140人×22天=2.35m3/人·月(增加来访人员)；

vui人均=88m3/400人×4天=0.88m3/人·月；

vui人均=60m3/200人×4天=1.2m3/人·月；

vui人均=(2.68×22+0.88×4+1.2×4)/30=2.24m3/人·月.

(2)绿化取水量.

该系统绿化面积用水量按下式计算：

单位面积取水量(m3/m2·a)=年绿化用水量(m3)/绿化面积(m2)

(6)

单位绿化面积10000m2，绿化天数为240天，日取水量为20m3.

该建筑系统绿化用水量：20m3/d×240天=4800m3

绿化面积：10000m2

vui绿化=4800m3/10000m2=0.48m3/m2·年

(3)景观用水取水量.

该系统景观用水量按下式计算：

wja=wjd×dj

(7)

式中：

wja—景观水体年用水量(m3/a)；wjd—景观水体平均日补水量(m3/d)；

dj—年平均运行天数(d/a)；

该系统景观用水平均日补水量为2m3，年平均运行天数为240天.

该建筑系统景观年用水量为：

2m3/天×240天/年=480m3/年

(4)冷却塔取水量.

该系统冷却塔用水量按下式计算：

wta=wtd×dt

(8)

式中：

wta—冷却塔补水年用水量(m3/a)；wtd—冷却塔日均补水量(m3/d)；

dt—冷却塔每年运行天数(d/a).

该系统冷却塔每年运行天数为240天，日均补水量为24m3/d.

该建筑系统冷却塔年补水用水量为：

24m3/d×240天/年=5760m3/年

(5)用水综合漏失率.

用水综合漏失率按下式计算：

(9)

式中：

ki—用水综合漏失率(%)；vt—在一定计量时间内，单位的漏失水量(m3)；

vi—在一定计量时间内，单位的取水量(m3).

经过现场检测和水平衡测试，该建筑系统没有出现漏失.

(6)达标排放率.

达标排放率按下式计算：

(10)

式中：

kp—达标排放率(%)；vp—在一定的计量时间内，单位的排水量(m3)；

vp′—在一定的计量时间内，单位的达到排放标准的排水量(m3).

该建筑系统所排放的污水主要是日常生活、卫生设施、冲洗保洁产生的废水属于居民生活污水的范畴.所以排放的水量都符合标准，即kp=100%.

(7)排水率.

排水率按下式计算：

(11)

式中：

rd—排水率(%)；vd—总外排废水量(m3)；

vf—日常生活过程中的取水量(m3).

该建筑系统总取水量为122m3，总外排废水量为58m3.

所以

rd=58/122=45.9%

(12)

2.3 水量评价

经过上面的计算[12]，该建筑系统征程工作日职工人均用水指标为2.68m3/人·月，正常工作日职工和来访人员人均用水指标为2.35m3/人·月，均高于当地《用水定额 第3部分：生活用水》DB13/T 1161.3-2016中“机关事业单位，办公场所、写字楼1.2m3/人·月”的定额值，周六人均用水指标为0.88m3/人·月，低于定额值，周日、节假日职工人均用水指标为1.2m3/人·月符合定额值.

绿化用水指标为：0.48m3/m2·年低于《用水定额 第3部分：生活用水》DB13/T 1161.3-2016中“绿化0.6m3/m2·年”的定额值.

2.4 节水潜力计算

本文选用的节水潜力计算方法是定额比较法：根据国家现行标准查找符合研究区域的用水定额，然后根据计算该研究区域的实际用水额度进行比较.算出研究区域的节水潜力.该方法虽然比较主观，但是却可以很直观的算出研究区域的节水潜力，适用范围比较广泛.其计算公式为：

节水潜力=(1-节水参考值/用水显示水平)×100%

(13)

查询《用水定额 第3部分：生活用水》DB13/T 1161.3-2016可知当地生活节水参考值为1.2m3/人·月[15]，该单位人均用水量为2.24m3/人·月，根据定额比较法可以得出该建筑系统的节水潜力为：

该建筑系统节水潜力=(1-1.2/2.24)×100%=46.4%

由上节水潜力计算可以知道在理想状态下该建筑系统日节水量：

日节水量=122×46.4%=56.6m3

年节水量=56.6×240=13584m3

3 用水现状分析

通过对水平衡测试看出，单位重视用水管理，但仍存在一定的节水潜力.就单位日常生活用水的整体用水而言，尚有不尽人意之处，根据《节水型单位建设标准》提出以下问题：

(1)单位缺少二级计量设施.

(2)单位冷却塔补水量较大.

(3)单位卫生间排水没有充分利用.

(4)单位绿化为漫灌方式，而且单位没有设置雨水收集设施.

(5)单位各楼水龙头为开关式水龙头，水流量较大浪费水资源.

(6)部分用水点无节水宣传标语.

(7)部分小便器仍在用水冲洗，浪费水资源.

(8)蹲便冲洗水流量过大.

根据节水潜力计算可以得出该建筑系统具有很大的节水空间，在提高节水意识和不降低用水舒适度的前提下，通过建筑设备技术和水循环利用技术，使建筑内新取水量和排水量降到最低；再提出合理的用水方法杜绝不必要的浪费，最终可以逐步提高用水舒适度，降低人均用水量.

4 结 语

随着我国一系列节水政策的提出，节水型社会的建设取得了很大的进步，但是与世界上经济发达国家相比、和我国经济社会发展对水资源、水生态、水环境要求相比，差距还是比较明显的.为了尽快推动我国节水事业的发展，合同节水管理是目前国家提倡的一种有效的方法，其核心就是节水.该建筑系统积极响应国家号召，建立节水型单位.在改造前，做了水平衡测试，通过水平衡测试分析其节水潜力.结合用水现状发现的问题根据实际情况，在不降低用水舒适度的前提下，在后续改造中结合该建筑系统的实际情况搭建非常规水源的回收利用，选择合理的节水器具.在用水场所，粘贴节约用水宣传标语；布置展板，发布节水信息，宣传节水小知识，以及多种手段加强节水宣传常态化建设.后续再结合现代信息技术，构建该建筑系统的节约用水管理信息服务平台，向单位提供基本的水信息.