新型智慧雨水回用系统的分析研究

叶志良 许杰 赖振贵

广东省建筑设计研究院有限公司 广东 广州 510010

引言

随着城镇化和经济的高速发展，我国水资源不足、内涝频发和城市生态安全等问题日益突出，非传统水源的利用逐渐受到关注。

雨水回用系统是把雨水径流的高峰流量暂存在雨水蓄水池中，经过对收集的雨水进行处理后达到符合设计使用标准后，用于景观环境、绿化、洗车场用水、道路冲洗、冲厕等，可以节约水资源，缓解我国的缺水问题。

由于雨季在广州时间不长，雨水不是每日都能回收，且雨水池有调节高峰雨水量排放到市政管网用途，只靠雨水回用不能满足每日都需要使用的垃圾房冲洗、冲厕等需求，非雨季时段需要大量市政自来水补水。

为节约用水，实现污水废水资源化，适应当前建设节能型环保社会要求，考虑到雨水的不可持续性与用水的连续性之间的矛盾，同时为节约空调冷却水系统的加药成本，改善冷却水系统的水质，可将一定量的空调冷却水排放收集至雨水收集池，然后经处理后回用[1]。对于因排放至雨水收集池而减少的冷却水量则通过冷却塔集水盘附近的补水系统进行补水。

1 技术背景

中央空调冷却水系统，虽然可以通过化学加药或物理水处理装置等手段减低管道内的污垢及藻类细菌，但由于该系统为开式循环系统，在使用过程中较容易产生细菌及结垢，从而导致冷却塔填料、制冷系统的管道产生结垢、粘泥、长藻类，影响散热及水流量，增加系统的运行能耗。因此如能在不增加工程造价的前提下，能提高冷却循环水的置换率，保证管道中为干净的“活水”，可有效提高制冷系统的运行效率。

雨水回用系统可以节约水资源，缓解我国的缺水问题。但是由于广州雨季时间不长，雨水不是每日都能回收，回用系统大部分时间需靠自来水补充，雨水处理设备长期闲置，出现部件锈蚀，加速老化，滋生细菌等问题，部分业主更因为节省管理成本关闭了该系统的运行，使得该回用系统成为摆设[2]。因此，如何提高该系统的使用效率，真正使回用系统带来经济效益和环境效益，成为摆在面前的难题。

本新型系统将空调冷却水系统跟雨水回用系统结合，旨在同时解决上述问题。

2 本新型系统的组成

系统包括冷却塔、冷却水管道系统、定流量阀、电动蝶阀及手动蝶阀、冷却水智能输送系统、雨水回用处理设备等。系统中[3]，①冷却塔、冷却水管道系统为制冷系统提供散热功能及热量输配作用；②定流量阀安装于冷却水进水支管处，此支管接至屋面雨水收集口处并通过定流量阀控制排放冷却水量，电动蝶阀及手动蝶阀亦安装于此支管，电动蝶阀由建筑设备监控系统控制开启和关闭，手动蝶阀为电动蝶阀故障时的检修备份措施。③冷却水智能输送系统基于历史用水量数据，自动更新雨水收集池每天需补水的水量，并转化为建筑设备监控系统控制电动蝶阀开启的时间，自动将所需量的冷却水输送至雨水收集池，历史用水量数据的采集由能源管理系统根据远传水表的数据分析得出。同时在屋面设置雨滴传感器，在雨天将电动蝶阀关闭，停止冷却水输送至雨水收集池。冷却水智能输送系统的控制逻辑示意如下图1所示。④雨水回用处理设备针对收集的空调冷却水进行过滤消毒达到回用水使用水质标准。经处理后供冲厕、景观、绿化及地面冲洗用水补水。

3 本新型系统的案例技术分析

本新型系统已应用于广州无限极广场项目，该项目位于广州白云新城中轴线南端。建筑方案由国际著名女建筑师扎哈·哈迪德领衔设计，以“科技与人文合璧、技术与艺术合璧、技术与绿建合璧、建筑与环境合璧”为总体设计理念，应用极致的曲线美学及突破创新的设计风格，融入企业文化及岭南特色等元素，匠心打造一座智慧生态型的国际化无限极总部大楼。本项目应用了大跨度双曲面穿孔遮阳系统、ETFE膜采光顶自动调节的降温系统、室内空间可变性设计、创新结构设计、高效空调系统、建筑全寿命期碳排放核算、室内污染物浓度监测及通风联动系统、建筑围护结构节能设计、雨水回用系统、立体绿化、太阳能热水系统、BIM建筑信息模型应用技术等适宜且效果明显的绿色节能技术。项目已获“国家三星级绿色建筑设计标识”，2021年被广州市住建局列为绿色建筑标杆示范项目，并向全市推广。

以下为新型智慧雨水回用系统的技术分析：

3.1 回用水需求量计算

3.1.1 冲厕用水量计算依据。

Qc：冲厕中水用水量（立方米/ 日）

Q：生活用水量（立方米/ 日）

b：冲厕用水百分率。可参照（表1）选取（根据建筑中水设计规范取值）。

表1 各类建筑物分项给水百分率（%）

3.1.2 冲厕用水量统计表。

表2 冲厕用水量统计表

3.1.3 垃圾房用水量计算表。

表3 垃圾房用水量计算表

3.2 冷却水回用和雨水回用的用途分析

3.2.1 由于雨水不是每日都能回收且雨水池有调节高峰雨水量排放到市政管网用途，因此雨水回用只使用不是每日需要使用的用途（序号 3–5）。

3.2.2 由于空调基本上每日都会开启（除了冬季个别低温天气的情况下），冷却水回收每日都可以收集，因此冷却水回用使用每日需要使用的用途（序号 1–2）。

表4 冷却水回用和雨水回用分析

3.3 冷却水及雨水回用总用水量统计

表5 冷却水及雨水回用总用水量统计

根据建筑中水设计规范，中水水源的水量宜为用水量的110% ～ 115%以应付中水系统与处理过程中的损耗及外排量，因此为达到水量平衡需回收作中水水源的水量需要，冷却水回收水量：94.8m3x 1.10=104.3m3。按空调系统每天运行12小时计算，每小时的冷却水回收水量为104.3÷12=8.7m3/h，一般仅占空调冷却水循环系统水量的1%以内。

4 中水回用系统经济评估

4.1 设备及构筑物清单

表6 主要设备清单表

表7 主要处理构筑物清单表

以上主要物料设备、构筑物投资约34+6=40万元，其他各类费用包括未列入之材料、附件、安装、税金及其他未预见费，按总投资 20%计，则本系统初始投资估算额约：48万元。

4.2 运行费用及投资回收期

4.2.1 电费：每日常规耗电量约36kWh，广州地区的一般工商业及其他用电费用为0.8733元/kWh，年耗电成本约：36×0.8733×260（按每周5天上班考虑）＝8174 元/年。

4.2.2 系统维修管理费：设备维修管理费按设备总价的2%估算，400000×2%＝8000元/年。

4.2.3 水费节省：系统运行每年节省水量约104.3×260＝27040吨/年，广州地区非居民生活用水终端价格为3.46元/吨，系统每年省水费27,040×3.46＝93,559元/年。

4.2.4 投资回收期约为480000÷（93,559–8174–8000）＝6.2年。

5 结束语

本新型系统通过有效利用了空调系统的冷却水，解决了非雨季时雨水回用系统的水源问题，且所利用的冷却水仅为空调冷却系统循环水量的1%以内，并不会对空调冷却系统造成负面影响，通过此新型系统，把原来本该补至雨水收集池的自来水改为先补至冷却塔水盘中再通过冷却水排水至雨水口，从而提高了循环冷却水系统的水置换率，改善了冷却水系统的水质，使制冷系统的换热能力得到提高。

另一方面，本新型系统利用智能化的控制式，通过大数据来判断每天需回收的冷却水量，使系统具有自学习、自寻优和自适应的优化智能控制功能，能进行类似人脑的知识处理和推理的先进的控制技术，实现了本新型系统在各种天气条件下的最大节能，使之有效应用于雨水回用系统，使雨水收集池得到有效的利用，且收集池内的水可当天用完，减少细菌的产生，起到节能环保的目的。

一种新型智慧雨水回用系统，将传统的空调冷却水系统、雨水回用系统、智能化系统三者有效结合，在不增加工程造价的前提下，既能有效提高冷却循环水的置换率，提高制冷系统的运行效率，又能解决雨水回用系统中雨水的不可持续性与用水的连续性之间的矛盾，带来良好的经济效益和环境效益，助力国家“双碳”目标。