高層建筑生活給水系統(tǒng)豎向分區(qū)數(shù)量的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析
高層建筑生活給水系統(tǒng)豎向分區(qū)數(shù)量的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析
高層住宅建筑給水系統(tǒng)中，最常用的給水方式為市政直接供水與水泵加壓供水相結(jié)合，即低區(qū)（一般是地下室與裙房）由市政管網(wǎng)直接供水，中、高區(qū)由變頻加壓給水設(shè)備供水。如何豎向分區(qū)，《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》3.3.5條有如下規(guī)定：
1 各分區(qū)最低衛(wèi)生器具配水點(diǎn)處的靜水壓不宜大于0.45MPa，特殊情況下不宜大于0.55MPa；
2 水壓大于0.35MPa的入戶管或配水橫管，宜設(shè)減壓或調(diào)壓設(shè)施。
給水系統(tǒng)豎向分區(qū)的規(guī)定，一是為了保證用戶正常用水，二是為了節(jié)能。正常用水主要是防止配水點(diǎn)水壓過高引起濺水，同時(shí)避免衛(wèi)生器具因超壓容易損壞。節(jié)能主要是降低系統(tǒng)運(yùn)行耗用的電能。本文主要針對(duì)節(jié)能問題作詳細(xì)論述。
一、分區(qū)供水節(jié)能原理
給水系統(tǒng)中，首先考慮充分利用市政水壓供水。當(dāng)市政水壓確定的情況下，由市政管網(wǎng)直接供水的用戶數(shù)量是確定的，因此需要加壓供水的區(qū)域也是確定的。
水泵揚(yáng)程與建筑高度關(guān)系圖
加壓水泵所需揚(yáng)程：Hp = Ho+Hf+h
Ho--靜揚(yáng)程，Ho = Z2 = Z1+Z2-Z1 = Z1+△Z；
Z1--加壓供水區(qū)域最低樓層與生活水池最低水位的高差，m；
Z2--加壓供水區(qū)域最高樓層與生活水池最低水位的高差，m；
Hf--包括最不利配水點(diǎn)要求工作水頭、水泵損失、Z1之前的管道水頭損失；
h --加壓供水區(qū)域立管水頭損失。
消耗電能：E = ρ·g·Q·Hp/η
ρ—水的密度，1.0×103Kg/m3；
g—重力加速度9.8m/s2；
Q—年用水量m3/a。
η—水泵電機(jī)運(yùn)行效率
1、若加壓供水區(qū)域不分區(qū)，相當(dāng)于所有用水加壓至最高層Z2處，年消耗電能：E1 = ρ·g·Q·Hp /η=ρ·g·Q·（Z1+△Z+Hf+h）/η （單位：J）
2、若加壓供水區(qū)域豎向平均分為n個(gè)區(qū)，近似認(rèn)為每個(gè)區(qū)的流量為Q/n, 并降加壓供水區(qū)域立管水頭損失h平均分配到n個(gè)區(qū)中，則第m（1≤m≤n）個(gè)區(qū)所需的水泵揚(yáng)程為：
Hm = Z1+m/n·△Z +Hf+ m/n·h= m/n·（△Z+h）+（Z1+Hf）
該區(qū)年消耗電能
Em=ρ·g·Q/n·［m/n·（△Z+h）+（Z1+Hf）］/η
所有加壓供水區(qū)域年消耗電能：
En = ∑Em
= ρ·g·Q/n·｛［1/n·（△Z+h）+（Z1+Hf）］+［2/n·（△Z+h）+（Z1+Hf）］+……+［（n-1）/n·（△Z+h）+（Z1+Hf）］+［（△Z+h）+（Z1+Hf）］｝/η
=ρ·g·Q/n·［（1+2+……+n）/n·（△Z+h）+n（Z1+Hf）］/η
=ρ·g·Q·［（n+1）/2n·（△Z+h）+（Z1+Hf）］/η （單位：J）
上式中，n值越大，En值越小。也就是說，對(duì)于給定的建筑物，在市政水壓確定的情況下，加壓供水區(qū)域豎向分區(qū)數(shù)量越多，運(yùn)行過程中消耗的電能越少。這便是分區(qū)供水節(jié)能的原理所在。
二、豎向分區(qū)位置對(duì)節(jié)能效果的影響
在上面的分析中，豎向分區(qū)都是按高度或樓層數(shù)平均分區(qū)，如果采用任意位置分區(qū)，結(jié)果將會(huì)有什么變化？下面針對(duì)此點(diǎn)進(jìn)行闡述。首先以加壓供水區(qū)域豎向分為兩個(gè)區(qū)的情況進(jìn)行分析。
分區(qū)位置高度以Zx表示，且h值相對(duì)Zx及Hf很小，此處忽略不計(jì)，則兩個(gè)分區(qū)消耗電能分別為：
E1=ρ·g·Q·（Zx-Z1）/△Z·（Zx+Hf）/η
E2=ρ·g·Q·（Z2-Zx）/△Z·（Z2+Hf）/η
總消耗電能
Ex=E1+E2
=ρ·g·Q·/△Z·［Zx-Z1）·（Zx+Hf）+（Z2-Zx）·（Z2+Hf）］/η
=ρ·g·Q·/△Z·(Zx2+Hf·Zx-Z1·Zx-Hf·Z1+Z22-Z2·Zx-Hf·Zx+Hf·Z2) /η
=ρ·g·Q·/△Z·［Zx2-（Z1+Z2）·Zx+( Z2·Hf+ Z22-Z1·Hf) ］/η
Ex’=ρ·g·Q·/△Z·［2·Zx-（Z1+Z2）］/η
當(dāng)Ex’=0時(shí)，Ex取得最小值，此時(shí)
2·Zx-（Z1+Z2）=0
得Zx=（Z1+Z2）/2
即當(dāng)豎向按高度平均分為兩個(gè)區(qū)時(shí)最為節(jié)能。當(dāng)分為兩個(gè)以上區(qū)時(shí)亦有相同結(jié)論。因此，給水系統(tǒng)豎向分區(qū)應(yīng)盡量使各區(qū)高度相同，以達(dá)到節(jié)能目的。
三、實(shí)際工程中給水分區(qū)數(shù)量的確定
雖然給水系統(tǒng)豎向分區(qū)數(shù)量越多節(jié)能效果越好，但是節(jié)能只是設(shè)計(jì)中需考慮的諸多因素之一，單純追求節(jié)能而使得分區(qū)數(shù)量過多是不現(xiàn)實(shí)甚至是不合理的，因?yàn)槊吭黾右粋€(gè)分區(qū)，相應(yīng)會(huì)增加一套加壓設(shè)備，直接增加了工程初期投資。下面通過工程實(shí)例分析如何同時(shí)考慮節(jié)能與造價(jià)兩方面問題而合理確定分區(qū)數(shù)量。
豎向不分區(qū)時(shí)年耗電量：
E1=ρ·g·Q·［（n+1）/2n·（△Z+h）+（Z1+Hf）］/η
=1.0×103×9.8×（5944×0.2×365）×［（1+1）/2×(61.8+3)+(26.2+23)］/η =692523552000 J = 192368度
由工程數(shù)據(jù)可以看出：
1、 對(duì)于所有工程，隨著分區(qū)數(shù)量的增多，年消耗電能逐漸減少，這與分區(qū)節(jié)能的理論推導(dǎo)是一致的；
2、 當(dāng)水泵機(jī)組使用壽命為十年時(shí)，水泵造價(jià)在總費(fèi)用中所占比例較大，對(duì)總費(fèi)用的高低起決定作用。隨著分區(qū)數(shù)量的增加，總費(fèi)用呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢；
3、 當(dāng)水泵機(jī)組使用壽命為二十年時(shí)，運(yùn)行電費(fèi)與水泵造價(jià)同時(shí)決定總費(fèi)用的高低。隨著分區(qū)數(shù)量的增加，總費(fèi)用呈現(xiàn)上下波動(dòng)的趨勢；
4、 當(dāng)豎向分區(qū)數(shù)量大于等于兩個(gè)的情況下，不管水泵使用壽命如何，水泵造價(jià)都決定了總費(fèi)用的高低。隨著分區(qū)數(shù)量的增加，總費(fèi)用呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢；
因此，對(duì)于高度小于100米的住宅，當(dāng)采用豎向分區(qū)給水時(shí)，為降低總費(fèi)用，應(yīng)在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)盡量減少分區(qū)數(shù)量。加壓供水部分盡量分為兩個(gè)區(qū)，只有當(dāng)小區(qū)總?cè)藬?shù)過多，分兩個(gè)區(qū)造成水泵流量過大不易選型時(shí)才分為三個(gè)區(qū)。再者，減少分區(qū)數(shù)量還可以減少水泵房面積以及系統(tǒng)立管數(shù)量，雖然可能增加一定數(shù)量的支管減壓閥，但總體而言其經(jīng)濟(jì)性還是比較明顯的。尤其在整個(gè)經(jīng)濟(jì)背景不甚樂觀，行業(yè)各環(huán)節(jié)注重降低成本的今天，其經(jīng)濟(jì)性更能得到體現(xiàn)。
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