利用市政管网余压的建筑给水节能工程应用

魏天云

(福建船政交通职业学院道路工程系，福建福州 350007)

随着经济的快速发展，城市人口不断增加，住宅的需求量也在不断增长。随着城市化进程的日益推进，需要消耗大量的水资源，但有些水资源仍遭到严重破坏。我国人均水资源占有量在世界上比较低，而建筑生活的用水量和耗能量占较大比重[1-5]。随着城市化的不断推进，水资源的利用日趋紧张，再加上政府对水资源的合理开发提出了更高的要求，建筑供水系统研究的重要性逐步得到认识，尤其是如何合理利用和优化建筑给水系统越来越受到重视。因此，有必要开展建筑住宅给水系统的研究，做到节水、节能[6]，合理有效地利用水资源，调整居民的用水结构，提高用水品质，避免水资源利用过程对生态环境的破坏。

1 利用管网余压节能

1.1 市政管网水压直接为低区供水

对于层数较多的建筑来说，利用市政管网水压很难满足全部供水，但可以直接给低区供水。有些技术人员在管网设计过程中，将市政管网进水引入地下贮水池，使管网水压未得到有效发挥，用户给水由泵供给，造成市政水压没有得到妥善利用。根据有关部门的统计分析，位于高层建筑低层的洗浴中心、洗衣房、美发厅、饭店等公共服务商业设施的用水量占总用水量的50%～60%，这些都是通过水泵来供水，没有很好地利用余压，导致耗能非常高。为保证城镇供水的安全，给水管网大多采用环状网供水，此供水方式有两种方法：一种设计供水压力的因素主要考虑市政管网提供的水压以及用水器具的供水最低工作压力要求；另一种是根据楼层的水压分布情况进行分区，建筑的低层采用市政管网供水，以充分利用余压，节约能耗。

1.2 市政管网压力在高区中的利用

利用市政管网压力以及二次加压的方式可以更好地为高区供水。

采用管网叠压供水，可以更好地利用市政管网余压。为了使设备达到稳压、节能的目的，多在管网上安装一个增压稳流给水设备(余压利用系统)[7-9]，图1为其工作过程示意图。由图1可以看出，管网前端直接连着水泵，水泵进水储水设备装有压力调节罐，则调节罐内的气体通过真空消除器向外排出，即管网内所生成的负压可以直接由真空消除器来抑制。管网二次增压供水是在自来水管网的原有压力获得充分利用的基础上来实现的。若用水压力及水量要求能够满足，用水管网直接通过旁通止回阀供水；否则，水泵通过安装在其上的压力传感器(如电接点压表、压力控制器等)进行检测，根据传感器的信号进行工作。当水泵处于工作条件下，如水泵流量大于自来水管网的水量，系统就维持正常供水；否则，可以利用调节罐内的水作为补充水源，此时自来水管网的负压由于空气进入调节罐而消除。过了用水高峰期，系统就恢复正常的供水状态。管网叠压供水方式能够向市政管网进行抽水，充分利用市政管网压力为建筑低层供水。

1.自来水管;2.真空消除器;3.加压水泵;4.小型膨胀罐;5.压力传感器;6.电控柜;7.液位探测器图1 管网直连增压稳流给水设备示意图

采用贮水池，有利于降低水泵的扬程。可以安装贮水池，避免水泵从市政管网中直接抽水，断开加压泵与市政管网的连接，水泵从贮水池吸水。为了更好地利用城市的管网水压，可以考虑提高贮水池标高，以降低加压水泵的扬程。此时若将整个水池都安放在某一楼层上，则会占用较大面积，同时会增加结构的荷载。可考虑单独安装消防专用水池与生活专用水池，其中生活水池容量不大，占用面积不大，对结构的荷载影响也不大，可以放置在适当的楼层上或裙房的屋面上(图2)。

采用加压泵或者安装旁通管，减少气候和季节对城市自来水管网的压力变化影响。在冬季等非用水高峰季节，市政管网的压力可高达0.3～0.4 Mpa，市政管网可以直接向用户供水，同时可以将加压泵打开加压以确保短暂用水高峰期的需要，做到节能降耗(图3)。在用水旺季(7～9月)，市政管网的压力会低至0.1～0.2 Mpa，可以安装旁通管，通过关闭旁通管阀门并由加压水泵对用户进行供水以缓解用水高峰期时的市政管网压力较低的现象。

图2 提高生活贮水池标高示意图

图3 季节性利用市政管网水压示意图

2 管路节能

给水系统管路消耗的能量与管路效率成正比关系，而管路效率随着管路阻力的增大而降低。为了提高管路效率，必须减少给水系统管路阻力，从而降低能量损耗。目前，管路节能途径主要有以下几种。

(1)选用合适的管材。通过改善液体流动的边界条件可以降低管路沿程阻力，关键要解决流体与壁面的分离，防止产生漩涡区或者降低漩涡区的大小和强度。可以考虑采用复合管、玻璃钢管以及塑料管等较低阻耗管材。

(2)严格控制管件的数量。管路中的管件增多，则造成建设成本增加，还会导致局部损失几率提高，只要能使供水系统正常运行，使用的管件数量越少越好。

(3)合理选择管径。由达西公式可知，管路中圆管水头的损失和给水管径的五次方之间成反比例关系。为了减少给水系统管路水头损失，可以合理提高配水管径。但是管径增加，成本也随着增大，在管路设计过程中，为了更好地节能，必须正确选择管径的大小，以便减少水头损失。

(4)降低管路长度。管路沿程损失与管路长度成正比关系，合理地降低管路的长度，能够降低管路沿程损失，降低能耗。

(5)保证水泵叶轮进口处的流态均匀。

3 保证管路的密封性

如果管路的密封性不好，空气就会在管路的负压处跑进管内，导致管路负压处的水流在气压下往外泄露，管路的效率随着泄漏量的增多而降低。同时，管道内的空气使过水断面面积减少，未有效利用管径也会造成管路的效率降低。因此，管路中的承插接头或者法兰必须连接牢靠，要经常检查管路是否出现裂缝、伸缩缝的止水是否遭到破坏，以确保管路的密封性完好，使其高效运行。

4 工程应用实例

某城市小区泵站系统设计划分为高区和低区两个系统，总的日供水量为1400 m3，其中高区的日供水量为450 m3，低区的日供水量为950 m3。高区和低区的出水压力分别为0.78 MPa和0.42 MPa，市政管网的进水压力为0.35 MPa。

为便于比较泵站改造前后的节能效果，采用两套方案。方案一：低区和高区分别采用不同供水能力的传统变频供水系统；方案二：在传统的变频供水系统中引入余压利用系统，即将余压利用器与市政进水管连接在一起，同时在余压利用器上安装水池回水管，并采用连接管将余压利用器和高、低区的吸水管连接起来。改造后的系统可为用户提供多种选择，即通过阀门切换来选择泵站工作方式，可在高、低区单独使用余压利用器，或在高、低区同时使用余压利用器，也可不使用余压利用器。表1是小区泵站改造前后的耗电量对比。

表1 泵站改造前后的耗电量对比

由表1可以看出，若在高、低区同时使用余压利用器，其节能率达到40.6%，节能效果显著。这是由于使用了余压利用器之后，市政进水泄入水池的量减少了，从而降低市政进水的水力损失，提高供水管网的入口压力。随着管网入口压力的提高，变频泵在各个时段的转速降低，则泵的轴功率也随着降低。

5 结论

根据市政管网提供的水压以及用水器具的供水最低工作压力要求，建筑的低区采用市政管网供水，以充分利用余压，节约能耗。通过减少给水系统管路阻力，以提高管路效率，同时要确保管路的密封性完好，使其高效运行，从而降低能量损耗。

管网叠压供水方式能够向市政管网进行抽水，充分发挥市政管网压力为建筑低层供水，同时安装贮水池，避免水泵从市政管网中直接抽水。可考虑提高贮水池标高，以降低加压水泵的扬程；通过加装旁通管并配合加压泵，以克服气候和季节对城市自来水管网的压力变化影响。

通过小区泵站改造前后耗电量对比发现，采用余压利用系统之后，市政进水的水力损失降低，供水管网的入口压力增大，从而使泵的轴功率降低，节能效果显著。