高层建筑给排水设计中节水节能技术研究

张 蓬 钟佳恩

（浙江省建科建筑设计院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

城镇化建设中修建了大量的高层建筑以满足居民的生活、工作、购物和娱乐需求，在建筑的使用过程中会不可避免地消耗水资源和能源，以提高居民的生活品质和居住的舒适度。给排水工程作为建筑物的重要组成部分承担着建筑生活用水的供给、日常污水废水的排放以及自然雨水的收集和利用[1]。传统的高层建筑给排水设计中，由于设计理念以及建造经费的原因，存在雨污混流、管网渗漏、雨水再利用率低、卫生器具浪费、能耗巨大等不良现象，这与高层建筑的绿色低碳发展明显相悖。因此，有必要针对高层建筑给排水设计的节约水资源、节约能源方面进行研究，以提高水资源的利用率，降低建筑物能耗。

1 工程概况

浙江省杭州市某小区项目位于城区东南侧DQY-2021L-KM01总地块，内含0219-01地块和0291-02地块。该项目总用地面积61627.8m2，其中0219-01地块用地面积55311.5m2，建筑密度不大于25%，容积率不大于2.9，绿地率不小于35%，控制高度为100m。0291-02地块用地面积6316.3m2，建筑密度不大于35%，容积率不大于1.2，绿地率不小于30%，控制高度为20m。建设内容由10栋住宅建筑及地下车库组成，其中4栋28层，3栋18层，2栋17层，1栋17+1层，总户数1429户；地上建筑面积160150m2，地下建筑面积40563m2，总建筑面积200713m2；建筑密度14.7%，容积率2.9，绿地率36.5%，停车位1278个。两栋六层商业楼，地下一层停车场，总建筑面积6307m2。建筑密度35%，容积率1.2，绿地率20%，停车位76个。

2 高层建筑给排水设计中的节水技术研究

小区用水采用分区域分水质的方式进行供给，对商业楼和住宅楼采用市政给水管网输送淡水，送水方式为下行上给，干流流速为1.3m/s~1.9m/s，可使用水压为0.16MPa，而对地下车库的清洗、园林绿化的灌溉等则采用雨水回收再利用系统进行供给。住宅楼的用水标准为每人每日50L，设计使用人口规模为6820人，日供水量为341m3，最大小时用水量为50.3m3/h，平均小时用水量为33.6m3/h；商业楼的用水标准为每人每日8L，设计使用人口规模为3350人，日供水量为26.8m3，最大小时用水量为3.8m3/h，平均小时用水量为2.4m3/h；未预见用水取总水量的10%，日供水量为36.78m3，最大小时用水量为6.7m3/h，平均小时用水量为4.5m3/h。综合可知，研究小区日供水量为404.58m3，最大小时用水量为60.8m3/h，平均小时用水量为40.5m3/h。

2.1 高层建筑中水回用系统

为了提高居民生活中产生的废水污水的重复再利用率，在给排水设计中可以设置中水回用系统。中水回用系统是指对居民生活产生的不含厕所排水和厨房排水的杂排水进行收集、处理和回收再利用，诸如沐浴排水、盥洗排水和洗衣排水等。中水回用系统包括4个不可分割的部分，具体为原水收集系统、杂排水贮存系统、水质处理系统和中水供水系统[2]。中水水质是杂排水经过一定的处理后无须达到饮用水标准，但比一般的污水水质要求高，可应用于园林绿化的灌溉、景观喷泉用水、地下室冲洗用水、道路防尘喷砂用水等。一般而言，按照不同的水质指标，中水系统收集的杂排水原水可以划分为优质杂排水、杂排水和生活污水。优质杂排水中的BOD5质量浓度为50mg/L~80mg/L，CODMn质量浓度为120mg/L~200mg/L，SS质量浓度为50mg/L~100mg/L；杂排水的BOD5质量浓度为80mg/L~150mg/L，CODMn质量浓度为100mg/L~250mg/L，SS质量浓度为60mg/L~150mg/L；生活污水的BOD5质量浓度为100mg/L~150mg/L，CODMn质量浓度为200mg/L~350mg/L，SS质量浓度为120mg/L~150mg/L。

该研究中的中水回收系统服务于小区范围内住宅楼、商业楼和地下室的建筑小区中水系统，具有较大的水质处理规模，水管管网的布置复杂，能够将服务范围内的生活杂排水进行一系列的收集、处理、消毒、净化、供水等操作，具体原理如图1所示。生活上水管为各个楼栋、各个用户提供生活淡水，为居民的沐浴、洗涤、厨房提供用水，消费后产生杂排水。这些杂排水经过中水处理单元得到水质标准符合要求的中水，并经过中水回用管用于居民日常的冲厕所用水，或者用于绿化、景观和洗车等[3-4]。

图1 高层建筑给排水中水回用系统

2.2 高层建筑雨水收集与调蓄净化再利用系统

雨水是天然水质较好的资源，经过简单收集和调蓄净化即可用于生活绿化杂用水，因此在建筑给排水设计中，设置雨水收集和调蓄净化再利用系统可以有效实现雨水的资源化利用，降低自来水的消耗，达到节约水资源的目的[5]。高层建筑雨水收集与调蓄净化再利用系统的设计如图2所示。从图2可以看出，系统的收集单元可以对建筑小区服务范围内的屋面雨水、路面雨水、绿地雨水和其他雨水进行收集，经过雨水管道、弃流井和截流挂篮等输送至调蓄系统，调蓄系统的调节存储水池和水窖等将其存储和初步的沉淀，并对雨水进行过滤和消毒。处理后的雨水通过配水系统进行重复利用，可以将净化后的雨水应用于市政杂用水、回灌地下水、工业回用水、绿化消防用水、景观喷泉用水等。

图2 高层建筑给排水中雨水收集与截留系统

3 高层建筑给排水设计中的节能技术研究

3.1 给排水变频节能泵站技术

在高层建筑中，由于各个楼层的高度不一，为了给高楼层的居民提供用水，需要在给排水系统中设置泵站，这些泵站在长期运营中需要消耗大量电能，特别是在空转条件下。为满足给排水最不利情况的运行需求，泵站处于高效运行区间，泵站的提升功以热量的形式消散，不仅造成不必要的扬程浪费，还增加了运行成本。因此，在给排水设计中可以采用变频节能泵站进行分区供水以节约电能。结合改研究实例，具体的分层分区供水方式如下。

在地下-1层至地上1层，采用市政管网直接供水，不采用变频泵供水；地上2层至地上10层为供水低区，采用生活变频调速供水设备，主泵参数为流量23m3/h，扬程75m，主泵功率为15kW/台，主泵2用1备用，互为备用；地上11层至20层为供水中区，采用生活变频调速供水设备，主泵参数为流量24m3/h，扬程105m，主泵功率为15kW/台，主泵2用1备用，互为备用；地上21层至28层为供水中区，采用生活变频调速供水设备，主泵参数为流量19m3/h，扬程135m，主泵功率为18.5kW/台，主泵2用1备用，互为备用；室外雨水回用系统采用雨水回用变频调速供水设备，主泵参数为流量12m3/h，扬程35m，主泵功率为4kW/台，主泵1用1备用，互为备用。

使用变频节能泵站前后的节能效果对比如图3所示。从图3可以看出，在供水低区使用普通泵站，每小时耗电量为11.92kW·h。而在使用变频节能泵站后，每小时耗电量为7.39kW·h，每小时可节约4.52kW·h，节能效率为62%；在供水中区使用普通泵站，每小时耗电量为33.59kW·h。而在使用变频节能泵站后，每小时耗电量为18.47kW·h，每小时可节约15.12kW·h，节能效率为55%；在供水高区使用普通泵站，每小时耗电量为42.48kW·h。而在使用变频节能泵站后，每小时耗电量为27.61kW·h，每小时可节约14.86kW·h，节能效率为65%。

图3 高层建筑给排水变频节能泵站节能效果

3.2 给排水太阳能热水系统

太阳能作为储量巨大的可再生清洁能源，将其作为高层建筑生活供水热源具有十分良好的应用前景[6]。因此，该研究中的高层建筑给排水设计使用太阳能生活热水系统以减少生活热水对电能或煤炭燃料的依赖[7]。

所研究小区日供水量为404.58m3，热水供应量按30%计算，每日供热量为121.37m3，每台太阳能生活热水系统设计每天可产热水量为5m3，因此可配备24台太阳能生活热水系统，共设置集热罐10只，储热水箱5个。太阳能生活热水系统和电热供热系统能耗成本的对比如图4所示。

图4 高层建筑给排水太阳能生活热水系统节能效果

从图4可以看出，采用电热供热系统，每月的电源消耗较为平均，变化幅度较小，为2010kW·h~2065kW·h，平均值为2040kW·h。而太阳能生活热水系统受到日照强度的影响，每月的耗电量存在不同程度的波动，每月耗电量为541kW·h~1020kW·h，平均值为778kW·h，统计太阳能生活热水系统的电能节约率为26.9%~49.3%。

4 结论

该文以浙江省杭州市某小区给排水设计为研究背景，研究高层建筑给排水的中水回用系统、雨水收集与调蓄净化再利用系统以节约水资源，并研究变频节能泵站技术、太阳能热水系统以提高能源利用率。得出的结论如下：1）小区用水采用分区域分水质的方式进行供给，所研究小区日供水量为404.58m3，最大小时用水量为60.8m3/h，平均小时用水量为40.5m3/h。2）在给排水设计中可以设置中水回用系统，沐浴、洗涤、厨房等杂排水经过中水处理单元得到水质标准符合要求的中水，可用于居民日常的冲厕所用水，或者用于绿化、景观和洗车等，实现了水资源的循环利用。3）在建筑给排水设计中设置雨水收集和调蓄净化再利用系统，可以有效实现雨水的资源化利用，降低自来水的消耗，达到节约水资源的目的。4）在供水低区使用变频节能泵站后，每小时可节约4.52kW·h，节能效率为62%；在供水中区使用变频节能泵站后，每小时可节约15.12kW·h，节能效率为55%；在供水高区使用变频节能泵站后，每小时可节约14.86kW·h，节能效率为65%。5）和电热供热系统相比，太阳能生活热水系统受到日照强度的影响，每月的耗电量存在不同程度的波动，每月耗电量为541kW·h~1020kW·h，平均值为778kW·h，统计太阳能生活热水系统的电能节约率为26.9%~49.3%。