既有建筑给排水系统节能改造研究 6页

既有建筑给排水系统节能改造研究摘要：建筑给排水系统的运行能耗主要产生于二次加压供水、循环水加压、热水加热等环节，用水环节本身也附加着能量消耗。对既有建筑给排水系统的不同能耗环节分别进行节能、节水潜力的理论分析，并就各环节节能、节水改造措施给予介绍及技术评价。关键词：既有建筑；给排水系统；节能改造；节水ResearchonEnergy-savingReconstructionofWaterSupplyandDrainageSysteminExistingBuildingsHuangHai-feng，LiuCheng-gang（SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215011,China）Abstract：Forbuildingwatersupplyanddrainagesystem,energycostismainlyconsumedinsecondarywatersupplypumping,waterrecyclepumping,waterheating,etc,andenergyconsumptionisattachedtowaterconsumption.Energyandwatersavingpotentialofthoseenergyconsumingprocessesinexistingbuildingwatersupplyanddrainagesystemistheoreticallyanalyzed,alsointroductionandtechnicalassessmentaregivenonenergyandwatersavingrecongstructionmeasures.Keywords：ExistingBuilding；WatersupplyandDrainageSystem；Energy-savingReconstruction；WaterSaving0.前言统计数据表明：我国建筑能耗占全社会商品总能耗的比例已经由1978年的10%上升到目前的30%左右，并且随着建筑业的发展，其比重还在不断增大，这已经成为制约社会可持续发展的“瓶颈”。建筑能耗主要包括围护结构、采暖与空调系统、给排水系统及照明等的能耗，其中给排水系统能耗占相当大的比例，仅生活热水一项就占建筑能耗之10%~30%。然而长期以来，很多建筑的给排水系统在节能设计上欠考虑，运行能耗的浪费很严重。因此，充分挖掘既有建筑给排水系统的节能潜力，并采取切实可行的节能改造措施，将有助于提高建筑的综合节能效果。建筑给排水系统的运行能耗主要为二次加压供水动力消耗、循环水动力消耗及热水供应热能消耗等，用水环节本身也附加着能量消耗，因此，对既有建筑给排水系统应着重从这四个环节挖掘其节能潜力。1.二次加压供水系统节能改造1.1市政余压利用1.1.1节能潜力分析低层建筑一般直接利用市政给水管网提供0.2～0.3Mpa的资用水压供水，无需二次加压。对于高度超过市政水压可供水高度的建筑，目前多数情况是先将城市自来水引入储水池（往往设在地下室），再以水泵从水池中吸水对高区楼层（甚至所有楼层）二次加压供水。这种供水方式白白浪费了市政管网水压和水池低于地面的几何高差位能，如能采取技术措施充分利用市政余压，则可降低水泵扬程从而节能。\n对于高层建筑的底部楼层，如改为市政管网直接供水，则可避免二次加压动力能耗。以某12层住宅为例，原供水方式为变频水泵从地下水池吸水对全部楼层加压供水，水池最低水位标高－4m，供水几何高度33m，最不利户内水头10mH2O，总水头损失7mH2O，则水泵总扬程H＝4＋33＋10＋7＝54m。设每日总供水量Q，水泵总效率η，则总能耗W＝QH/η＝54Q/η。节能改造后，1～3层采用市政管网直供，4～12层由水泵加压并采用市政余压利用技术，设市政最低水压0.2Mpa，水泵扬程H’＝54－20－4＝30m，每日加压供水量Q’≈0.75Q，假设改造前后水泵效率不变（实际上改造后效率可能会减小些），则改造后总能耗W’＝Q’H’/η＝0.75Q×30/η＝22.5Q/η。因此，理论上节能率E＝(W－W’)/W＝(54Q－22.5Q)/54Q＝0.583＝58.3％。研究表明：管网所需的供水扬程越小，市政余压利用技术的节能效果越明显[1]。底部楼层用水量占建筑总用水量比例越大，则底部楼层采用市政管网直供相对于水泵供水的节能效果越显著。1.1.2市政余压利用改造措施（1）建筑底部楼层由市政管网直接供水。建筑给水设计阶段，往往由于资料缺乏而难以准确计算市政管网可直供的层数，为保证供水安全，通常该值取值偏低甚至全部楼层采用二次加压供水。对于既有建筑给水系统，则有条件对室内、外给水管网水压水逐时变化情况进行实测，然后根据实测资料来确定外网可直供的最大层数，并据此实施管网改造：改变管网连接方式和对局部管段适当更改管径等。（2）对于必须二次加压供水的楼层，目前较多采用叠压变频供水技术以利用市政余压。叠压变频供水具有自动化程度高，无二次污染，运行管理简单，组合式装置机房面积小等优点，但仍存在对城市管网的负压影响和供水保证率不高等问题。不少生产厂家推出了带有低位调节水箱的叠压供水设备，这种设备可根据设定的城市余压自动更换水泵吸水侧的水源，在正常情况下水泵由城市管网直接吸水，当城市管网压力低于设定压力时转换为水泵由低位调节水箱吸水。这样既保护了城市管网的正常供水，也保证了建筑物内部的正常供水[2]。对于改造项目，需要通过切削水泵叶轮或更换水泵来降低水泵扬程，以达到节能目的。（3）采用余压利用器和变频泵相结合的供水供水方式。张景成等人通过在加压泵站中安装了一台自行研制的余压利用器，在不影响外网压力和泵站正常工作的情况下进行了管网余压利用研究。研究结果表明：该余压利用技术的应用，可使泵站电耗大大降低，节能潜力很大，适用于旧泵站改造，而且余压利用器具有占地小、造价低、安装方便、不需运行费用、维护管理简便等优点，为加压泵站节能改造开辟了一条崭新的途径[3]。与叠压供水类似，为保证改造后水泵在高效区工作，应结合管网余压情况，改用比没有余压利用时设计扬程低的水泵。1.1恒压变频水泵的节能改造1.2.1恒压变频水泵的能量浪费分析目前较普遍应用的恒压变量变频调速供水系统，存在着明显的运行能量浪费。该系统的主要特点是在用水量变化时，自动调节水泵的转速，维持水泵出水口压力为恒定值[4]（实际上必须允许一个较小的波动范围）。根据水力学原理，水泵扬程可按式（1）计算：（1）式中：H－水泵扬程（m）；Z－供水几何高差（m）；\nsi—管网特性参数；qi－管网流量（l/s）；h－最不利给水配件作用水头（mH2O）。对于既有给水系统，Z、s值为定值，恒压变频调速泵出口压力恒定，则其扬程H也近似为恒定值（为供水安全，其值需按满足瞬时高峰用水时的需求确定）。按式（1），当管网流量q减小时，（管网水头损失）项减小，h值必定增大，即减小的水头损失值叠加到配水件上，使出流水压增大，造成压能的浪费。设某给水管网的设计水头损失为12mH2O，最不利配水件必需水头为5mH2O，当管网流量减小使水头损失降到6mH2O时，则最不利配水件作用水头增大到5＋12－6＝11(mH2O)，多余无效扬程11－5＝6mH2O。建筑供水管网的用水量在大部分的时间（估计超过95％）内小于瞬时高峰流量，这意味着恒压变频调速水泵在绝大部分运行时间中支付无效的扬程，维持着能量的浪费。另一方面，恒压变频调速泵的运行效率随转速下降而下降[5]，因此在小流量低转速时，水泵还因效率低下而浪费能量。1.2.2改造方案（1）改造为变压变量给水系统[4]。具体方法为：将压力传感器设置点从水泵出口移至最不利配水件处，当设置点距水泵较远时，应设水压模拟信号放大器控制信号衰减。节能改造后，当用水量变小时，系统降低水泵转速以维持式（1）中h不变，水泵扬程H随着水头损失降低而降低，理论上不产生多余扬程。此改造方案较易实施，但水泵转速减小幅度过大时，可能会滑出其高效区而导致能效低下。（2）以恒速水泵－高位水箱供水工艺代替恒压变频供水。水泵－高位水箱是传统的二次加压供水工艺，其特点是水泵在一个固定工况点恒速运行，该点流量（一般取最大时流量）小于管网瞬时高峰流量，扬程通常低于恒压变频供水设计扬程，并且可通过合理选泵使其始终在高效区运行。用水泵－高位水箱供水取代恒压变频调速供水，不但可削减无效扬程，而且水泵运行效率会得到提高，取得节能效果。对于有条件设置大容积高位水箱，并采用叠压恒速水泵+高位水箱供水的建筑，使水泵主要在夜间运行，则兼具多重节能效果：可利用市政余压高、水泵高效运行、实现对城市供水供电的移峰填谷等。当然，此改造方案须具备相应条件：屋顶容许增加水箱荷载，供水管网干管有条件进行适当改造等。改造后如水泵运行不在高效区，技术经济比较后还可切削水泵叶轮甚至更换水泵。对于潜在水箱发生二次污染风险时，应采取水箱再消毒措施。0.循环水泵节能改造2.1循环水泵无效能耗分析在循环水净化（如游泳池水处理）、空调冷却水、集中热水供应等循环水系统中，都需要配置循环泵。一般而言，循环泵扬程主要消耗于管网阻力损失，循环泵扬程偏大时，多余的扬程只是用于支付因管网流量的显著增加而导致的管网水头损失的增加。在同样的扬程误差值条件下，循环系统的无效能耗比供水系统的无效能耗显著偏大[6]。以封闭循环水系统为例，水泵扬程理论上完全用于克服循环管路阻力损失，设循环管路特性系数为s，系统设计流量、扬程与轴功率分别为Q0、H0、N0；由于水泵配置偏大，实际运行时水泵流量、扬程与轴功率分别为Q1、H1、N1，则有：（2）（3）假定两种工况下水泵效率相当，根据式（2）、式（3），有：\n（4）设H1/H0＝1.31，按式（4）有：N1/N0＝1.313/2＝1.50，即水泵配置偏大使循环泵实际运行扬程为设计扬程的1.31倍时，将造成50％能耗浪费。热水供应系统通常在回水干管上设置循环泵，其作用是：在热水用水低峰时，循环泵运行使管网中强制形成一定的循环流量，补充管网向环境的散热，以维持配水管网水温的稳定。热水循环泵为间歇运行，其启停通常由设于回水干管上的温控计（靠近泵吸水口）控制，温控计处温度低于设定温度T1时，启动水泵，高于设定温度T2时停泵。当热水用水量较大时，配水流量足以维持配水管网水温；然而配水流量并不能维持回水管温度，由于温控计位于回水干管上，即使配水管网无需循环流量来维持水温时，控制回路每隔一定时间间隔仍将启动循环泵，产生无效循环流量而造成不必要能耗，北京某住宅区集中热水供应系统的无效循环流量超过了需要量的10倍[7]，这不但增加了循环泵动力消耗，还需支付回水管网的无效热损失。2.1循环泵节能改造措施（1）在循环泵处于运行状态时，用测量仪表分别测出实际循环流量Q1和扬程H1（对封闭循环系统即水泵进出口压力表读数差），并记录水泵一段时间（如一日）耗电量。比较Q1与设计循环流量Q0的大小，如Q1大于Q0，可先增大管网局部阻力（如关小阀门开度），使Q1减小直至接近Q0，此时水泵扬程会有所增加。如此时水泵一日耗电量比原记录有明显降低，则完成节能改造；如耗电量降低不明显，可更换循环泵，工作流量取Q＝Q0，工作扬程根据式（2）、式（3）计算得到：H＝(Q0/Q1)2·H1，使该工况点落在新选泵的高效范围内。也可以采取切削叶轮的措施来降低循环流量，设水泵叶轮原直径为D，则切削后叶轮直径D’＝D·Q0/Q1。对于循环流量逐时变化的循环系统，宜采用循环泵变频运行。（2）对于热水循环泵，为减少无效运行时间，改造关键是将温控计设置于配水干管最低水温处。在用水低峰循环泵稳定运行时，测出配水干管多点水温（可采用红外测温仪多人多点同时测温），将控制循环泵启停的温控计设于测温结果最低点（通常在距离供热设备较远处），如该处距循环泵较远，可设置温度模拟信号中继装置。循环泵的启停控制温度应根据运行情况作适当调整以获得最低节能效果。0.热水供应系统节能改造3.1热水制备环节目前加热生活热水的常用能源有燃油燃气、电力、城市热力管网等。采用燃油、燃气锅炉或电力锅炉直接加热冷水，即使在不损失热量的条件下（实际上达不到），其过程的实质是将高品位能量转换成等量的低品位能量，从能源品质角度看是巨大的浪费[8]。以城市热网为热源的热水加热方式普遍存在的问题是：热交换设备换热效率低，热媒回水温度高，所需热媒流量大，因而热媒输送能耗高。目前热水制备的节能新技术主要有：以新能源替代传统能源、以消耗少量高品位能源为代价获取多量低品位热能（如热泵制水）、用电谷时蓄热等，或者以上技术的互补结合。国内已在太阳能制热水、热泵制热水、冷热电联产联供等领域开展了较多的理论和工程应用研究，并取得了一定的成效，有条件的建筑应考虑能源转换的改造。在用电谷时利用电力加热热水（或其它蓄热介质）、用电峰时释热的蓄热技术，虽然并不直接节省能源，但对供电起到移峰填谷的作用，可以缓解缺电压力，降低供电成本和用电成本，符合需求侧管理(DSM)[9]的概念，而且采用该技术对既有设备的改造较易实施。\n对换热环节的改造措施有：采用高效节能型换热设备（如以板式换热器替代容积式热交换器），对冷水进行软化处理并适当降低热水供应温度以降低结垢速度等。3.1减少管网热损失热水管道向环境热损失量由式（5）计算：（5）式中：qs－热水管道热损失；A－热水管道外表面积；K—无保温时管道传热系数，与管道材有关；η－保温系数，是与保温层厚度、传热系数等有关的函数；△t－管内水温与管外环境温度差；对于既有热水系统，要改变管道外表面积A或管道传热系数K都不易，根据式（5），为减少热水管道热损失，可通过增大η或减小△t来实现。增大η需要改用保温性好的保温材料或增加保温厚度，一般应在建筑再次装修时实施以减小改造成本。由于管道外环境温度一般不变，只能通过适当降低供水温度以降低△t值，但供水温度过低可能造成热水中军团菌等有害病菌的滋生，文献[10]认为热水供应温度设为45℃～55℃是可行的。设室内空气温度为20℃，供水温度从60℃降为50℃，其它参数不变，则降温供水与降温前管网热损失之比为：(50－20)/(60－20)＝0.75，即理论上节能率为：1－0.75＝0.25＝25%，这还不包括因配水管道热损失减少而带来的循环泵运行能耗的减少量，而改造几乎为零费用。0.建筑节水改造4.1建筑节水的节能意义满足一定的水质、水量及水压要求，输送至建筑用户的水，附加了水处理能耗（随着水源污染的加剧，此能耗趋于升高）、水厂一次加压能耗、建筑二次加压能耗等，对于有水温要求的热水而言，还附含加热能耗。因此，建筑用水的浪费实际上还隐含了能量浪费；反言之，建筑节水本质上具有节能的意义，节能应挖掘节水潜力。4.2既有建筑节水潜力分析节水必须保证用户正常用水需求，而不必要的耗水即为节水潜力。对于既有建筑给排水系统，考察节水潜力还应考虑改造的经济性与技术可能性。以下分析建筑内几种常见水量浪费情况：（1）超压出流[11]浪费。配水件在额定水压作用下，出水量为额定流量，使用者能顺利实现用水功能，且具有舒适感；但当作用压力超过配水件额定水压时，出流量大于额定流量，造成超压出流现象，超出的流量对使用者来说是无用的，造成水量浪费。在建筑供水系统中，超压出流现象普遍存在。以某分区给水系统为例，设其中一给水分区各层支管布置及用水情况相同，从上到下各楼层支管水压分别为（MPa）：0.15、0.19、0.23、0.27、0.31、0.35、0.39，而支管水压只需维持0.15Mpa即能满足正常使用，则该分区正常使用需水量与支管实际出水量（超压状态下）之比可近似估算为：，即水量浪费可达1－0.754＝0.246＝24.6％。可见，节水潜力很可观，并且给水分区高度越高，节水潜力将越大。（2）热水用户调温放水浪费。冷热水压力不平衡或冷热水压力波动大等情况下，造成热水出水温度不合使用要求或水温波动较大，使用者会放掉部分出水直至水温满足要求为止，这种无效放水造成热水浪费。\n（3）人为用水浪费。用户用水过程中节水意识差，如不用水时不及时关水等行为造成人为水量浪费。4.1建筑节水改造措施（1）支管增加减压稳压阀，控制支管超压出流。当然，即使采用减压阀限流节水，减压阀处消减的压能仍以局部损失的形式被白白浪费，但目前尚无能既减压又能实现多余压能再利用的替代产品，这是今后的研发方向。（2）当冷、热水不同源或二者水压差较大时，可在水压较高一侧供水管上设置减压稳压阀调节供水压力。比如建筑底部楼层的冷水由市政水直供，而热水水泵加压系统供给，因而底部楼层热水压力比冷水压力高，可在热水一侧设置减压稳压阀，使二者压力相当。（3）为减少冷、热水压波动，可采取：水泵出水口恒压变频供水改造为最不利点恒压供水，有条件时还可改为高位水箱供水；热水管道的各个局部高点设置自动排气阀；采用带高效冷热水混合阀的给水配件，能够减小阀前水压波动对出水温度的影响，无需二次调温，但产品的市场价格还比较高，建议宾馆等高档场所考虑采用。（4）用水计量。用水计量是从技术和管理双重层面控制人为水量浪费的措施。技术改造措施包括在各用水部位合理设置水表，学校、工矿企业公共浴室等用IC卡计量用水等。0.结论与建议（1）建筑二次加压供水、循环水泵运行和热水供应系统等能耗环节具有可挖掘的节能潜力，建筑节水本质上也具有节能意义，本文对既有建筑给排水系统节能节水造措施给予介绍和技术评价。（2）在对既有建筑给排水系统实施改造前，必须从现状出发，在细致的节能、节水潜力分析的基础上，提出技术上切实可行、经济上合理的改造方案。对于节能不节钱、节能节钱但潜在供排水安全风险的节能改造项目，则没有实施的必要。参考文献[1]赵世明，高峰．建筑加压供水的动力节能技术[J]．给水排水，2008(10)：83～87[2]黄秉政，柳兵．再论建筑二次加压供水的安全与节能[J]．给水排水，2008(4)：82～84[3]张景成，姚宏等．二次加压泵站管网余压利用节能的试验研究[J]．哈尔滨工业大学学报，2003(3)：355～357[4]黄海峰．变频调速给水系统的几点节能措施[J]．中国给水排水，2001(10)：39～40[5]赵世明，刘振印，高峰．恒压变频调速泵与水泵高位水箱供水耗能比较[J]．给水排水，2008(8)：70～72[6]赵世明，高峰．建筑循环水系统的节能分析与对策[J]．中国给水排水，2008(9)：97～99[7]赵世明，高峰．热水循环泵节能探讨[J]．给水排水，2009(3)：78～80[8]马最良，姚杨，姜益强．暖通空调热泵技术[M]．北京：中国建工出版社，2008[9]方利国．节能技术应用与评价[M]．北京：化学工业出版社，2008[10]国家住宅与居住环境工程技术研究中心．住宅太阳能热水系统整合设计[M]．北京：中国建工出版社，2006[11]付婉霞，刘剑琼．建筑给水系统超压出流的实测分析[J]．中国给水排水，2002(11)：71～72