市政给排水工程设计中的节能技术

王娟韩丽刘恒

(1、烟台市城市排水服务中心,山东 烟台264000 2、中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津300381)

城镇的市政给排水系统承担着供给覆盖区域的生产、生活用水,接纳雨水、污水的责任,为城市基本职能的发挥提供了物质保障。随着经济的快速发展,近年来由于我国不断推进城镇化建设,市政服务区域逐年扩大,高层建筑在城市中的普及也使得系统所需的压力水平不断上升。随着人们生活水平的提高,用水量增大的同时,用水的水质标准也在不断细化,产生的污水成分复杂、水质较差,这使得市政给排水的能耗问题日益突出。因此,设计过程中采用合理有效的节能技术对于降低供水能耗、实现节能减排具有十分重要的现实意义。

1 市政给排水现状

1.1 市政给排水的系统构成

完整的市政给排水系统的设计内容包括取水方案、供水设计、排水设计以及净水系统设计,比较复杂的系统还包括消防、热水以及中水设计等。

在市政给排水设计中,除了净水的系统设计对于水质和压力的要求较小,其余环节中水泵加压均为关键的耗能环节,是优化系统设计方案、减小市政给排水系统能耗的重点内容。

净水和中水处理系统着眼于水资源的处理和回用,设计过程中,需要结合实际用水单元所需要的水质,运用水务管理相关的知识和内容,合理规划,提高水资源的利用率。

1.2 市政给排水工程的能耗

电耗始终是市政系统比重不低的成本来源,根据我国自来水行业的资料统计,对于常驻人口为20万～50万之间的中等城市,城市仅供水系统的平均电耗就占总成本的32%～41%。

由耗电量分析可得,随着节能技术的应用,我国供水能耗呈现出在工业耗电中所占的比例下降但总耗电量上升的特点。由于其巨大供水耗电总量,在市政给排水设计中采取有效地节能技术势在必行,且有较好的作用空间。(表1)

表1 2016年我国城市耗电总量统计表

2 市政给排水设计节能原则

2.1 给水节能的设计原则

由于我国的水资源时间和空间分布不均衡,大多数城市都面临着不同程度的水资源短缺的问题。因此,节约用水量,提高水资源的利用效率成为了市政给排水设计中不得不考虑的重要问题。

一般来说,常见的节能思路包括:(1)根据实际情况对水质进行分级以实现多级梯式利用,提高水资源的利用效率。给水设计需要充分考虑实际用水单位的需求,这种方式多用于用水量较大、结构较为复杂的给水系统。(2)充分利用雨水。“海绵城市”概念的提出,对于市政给排水的节能设计具有启发性影响,其较高的节能环保效果主要就是通过充分收集和利用雨水实现的。(3)中水回用。中水是经过了良好的一级处理或者深度处理的污水,是给水设计中一个较为特殊的水源,中水的循环利用对于实现水资源的循环利用,提高系统的节能效率具有重要作用。目前,常见的城市中水系统处理结构如图1。

图1 城市中水系统结构

2.2 排水节能的设计原则

在城市的排水设计过程中,面临最大的挑战是不确定性。排水单位排出污水的水质和水量以及时段波动性对排水系统的稳定运行和能耗有重要影响。市政排水设计中首要的节能思路就是合理选择污水提升泵的功率和扬程,指定高效稳定节能的污水提升方案。对于地势起伏较大的城市,要充分考虑城市的高程和地质。

此外,排水节能技术还包括污水处理、雨污分流、采用适合工程特性的管材、与城市的道路工程有机结合以及联动城市防洪规划等。其中污水处理环节在设计过程中有时也被定性为净水设计,但是设计城市市政排水时,也要通过考量城市的污水处理能力来规划排水管网。

3 市政给排水设计节能技术

3.1 输水方式选择

在市政系统运行的过程中,电能消耗主要来源于供水和布水的过程。根据工程实际需求选择合适的输水方式,是减小系统电耗的重要举措。设计过程中,供水的水源、输送量以及压力是选择输水方式的主要考量因素。

常见的输水方式可以分为压力输水方式和重力输水方式,二者的特性见表2。

表2 输水方式特性对照表

3.2 节能供水技术

通过对给排水系统的能耗分析可得,供水环节是能耗的主要来源。针对供水方式改良,相关人员进行了各种方向的研究和探讨。目前,城市中采用的主要供水方式是恒压变频供水系统。

自来水厂的来水经过二次加压后,输送到用户端,为了保证系统的有效运行,市政管网设计规范总要求供水水压应大于用户接水点。输水加压抬升到水箱后,水压自然降低,造成了能源浪费。

为解决水压浪费的问题,逐渐开发除了多种节能供水方式,以下以无负压供水系统为例:

无负压供水系统是利用有压容器代替传统的供水系统的水池和水箱,装配在市政管网和提升泵之间,有效利用市政管网中原有的压力,直接抽水送入用户端。搭配变频泵,可以实现合理控制泵的运行,防治给水污染的目的。(图2)

图2 无负压供水流程图

3.3 雨水利用技术

在市政给排水设计中,雨水可以收集后进入中水处理系统,成为城市用水的来源,节省水资源,通过雨污分流收集后又可以减轻城市排水系统和污水处理系统的负担。

在市政给排水工程的设计过程中,要需要结合工程所处地的实际情况,包括气象条件、地形条件等,合理的运用循环技术设计雨水的收集和处理方式,建设雨水再利用系统,达到节约水资源的目的。

以天津市滨海新区生态城的给排水系统为例,见图3。

图3 天津示范工程的给排水系统图

由此可见,雨水的回用需要与整体的供水和排水系统有机结合在一起,构成一套完整的、系统化的水循环系统。市政给排水的设计需要考虑多个环节中的节能技术,将各环节串联起来,形成一个多元化的高效节能网络。

4 结论

市政给排水系统的设计需要贯彻节能减排的政策需求,在保证系统整体性能的基础上,逐步推进节能技术的应用。在市政设计中必须重视系统整体的节水节能性能,通过合理的规划,优化整体设计,并且后续的运维过程中,加强水务管理,真正做到长期有效的保证系统的节水性能,促进绿色环保城市的建设。