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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 既有建筑给排水系统节能改造 讨论摘要： 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、节水改造措施赐予介绍及技术评判；关键词： 既有建筑；给排水系统；节能改造；节水 Research on Energy-saving Reconstruction of Water Supply and Drainage System in Existing Buildings H u a n g H a i -f
2、e n g ,L i u C h e n g - g a n g（ S c h o o l o f E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , Su z h o u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y, S u z h o u 2 1 5 0 11 , C h i n a ）Abstract： For building water supply and drainage system,energy costis
3、 mainly consumed in secondary water supplypumping, water recycle pumping, water heating, etc, and energy consumption is attached to water consumption. Energy and water saving potential of those energy consuming processes in existing building water supply and drainage system is theoretically analyzed
4、, also introduction and technical assessment are given on energy and water saving recongstruction measures. Key words ： Existing Building； Water supply and Drainage System ； Energy-saving Reconstruction ；Water Saving 0.前言1978 年的 10%上升到目前的30%统计数据说明：我国建筑能耗占全社会商品总能耗的比例已经由左右,并且随着建筑业的进展,其比重仍在不断增大,这已经成为制约
5、社会可连续进展的“ 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,许多建筑的给排水系统在节能设计上欠考虑,运行能耗的铺张很严峻；因此,充分挖掘既有建筑给排水系统的节能潜力,并实行切实 可行的节能改造措施,将有助于提高建筑的综合节能成效；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 市政余压利用 1.1 1
6、.1.1 节能潜力分析低层建筑一般直接利用市政给水管网供应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,目前多数情形是先将城市自来水引入储水池（往往设在地下室）,再名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 以水泵从水池中吸水对高区楼层（甚至全部楼层）二次加压供水；这种供水方式白白铺张了市政管网水压和水池低于地面的几何高差位能,如能实行技术措施充分利用市政余压,就可降低水泵扬程从而节能；对于高层建筑的底部楼层,如改为市政管网直接供水,就可防止二次加压动力能耗；以某 12 层住宅为例,
7、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 10mH 2O,总水头缺失 7mH2O,就水泵总扬程 H 433 10754m；设每日总供水量 Q,水泵总效率 ,就总能耗 WQH / 54Q/ ；节能改造后,13 层采纳市政管网直供,412 层由水泵加压并采纳市政余压利用技术,设市政最低水压 0.2Mpa,水泵扬程 H 5420430m,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）,就改造后总能耗W Q H / 0.75Q 30/ 22.5Q/ ；因此,理论上节能率EW W /W54
8、Q22.5Q/54Q0.58358.3；讨论说明：管网所需的供水扬程越小,市政余压利 用技术的节能成效越明显 1；底部楼层用水量占建筑总用水量比例越大,就底部楼层采纳市政管网直供 相对于水泵供水的节能成效越显著；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精确运算 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纳二次加压供水；对于既 有建筑给水系统,就有条件对室内、外给水管网水压水逐时变化情形进行实测,然后依据实测资料来确 定外网可直供的最大层数,并据此实施管网改造：转变管网连接方式和对局部管段适当更换管径
9、等；（2）对于必需二次加压供水的楼层,目前较多采纳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,运行治理简洁,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剂水箱的叠压供水设备,这 种设备可依据设定的城市余压自动更换水泵吸水侧的水源,在正常情形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剂水箱吸水；这样既爱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；对于改造工程,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）采纳余压利用器和变频泵相结
10、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形下进行了管网余压利用讨论；讨论结 果说明：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、安装便利、不需运行费用、爱护治理简便等优点,为加压泵站节能改造 开创了一条崭新的途径 3；与叠压供水类似,为保证改造后水泵在高效区工作,应结合管网余压情形,改用比没有余压利用时设计扬程低的水泵；1.2 恒压变频水泵的节能改造 1.2.1 恒压变频水泵的能量铺张分析 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铺张
11、；该系统的主要特点是在用水量变化时,自动调剂水泵的转速,爱护水泵出水口压力为恒定值 波动范畴）；依据水力学原理,水泵扬程可按式（1）运算：4（实际上必需答应一个较小的名师归纳总结 HZs iq2h（1）第 2 页,共 7 页i- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 式中： H水泵扬程（ m）；Z供水几何高差（m）；si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,就其扬程 H 也近似为恒定值（为供水安全,其值需按满意瞬时高峰用水时的需求确定）；按式（1）,当管网
12、流量 q 减小时,s iq i 2（管网水头缺失）项减小,h 值必定增大,即减小的水头缺失值叠加到配水件上,使出流水压增大,造成压能的铺张；设某给水管网的设计水头缺失为 12 mH2O ,最不利配水件必需水头为 5 mH2O ,当管网流量减小使水头缺失降到 6mH2O 时,就最不利配水件作用水头增大到 512611mH2O ,多余无效扬程 1156mH2O ；建筑供水管网的用水量在大部分的时间（估量超过 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,爱护着能量的铺张；另一方面,恒压变频调速泵的运行效率随转速下降而下降 费能量；1.2.2 改造方案5 ,因
13、此在小流量低转速时,水泵仍因效率低下而浪（1）改造为变压变量给水系统 4 ；详细方法为：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掌握信号衰减；节能改造后,当用水量变小时,系统降低水泵转速以爱护式（1）中 h 不变,水泵扬程H 随着水头缺失s iq2降低而降低,理论上i不产生余外扬程；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,
14、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,并采纳叠压恒速水泵+高位水箱供水的建筑,使水泵主要在夜间运行,就兼具多重节能成效：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,技术经济比较后仍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,应实行水箱再消毒措施；2. 循环水泵节能改造2.1
15、 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缺失,循环泵扬程偏大时,余外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缺失的增加；在同样的扬程误差值条件下,循环系统的无效能耗名师归纳总结 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第 3 页,共 7 页力缺失,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、H 1、N1,就有：- - - -
16、 - - -精选学习资料 - - - - - - - - - H02 sQ 0（ 2）假定两种工况下水泵效率相当,依据式（H1sQ 1 2（3）3/2（4）2）、式（ 3）,有：N1Q 1H13 sQ 1Q 13H1N0Q0H03 sQ 0Q0H0设 H 1/H 0 1.31,按式（ 4）有： N1/N01.31 计扬程的 1.31 倍时,将造成 50能耗铺张；3/21.50,即水泵配置偏大使循环泵实际运行扬程为设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 强制形成肯定的循环流量,补充管网向环境的散热,以爱护配水管网水温的稳固；热水循环泵为间歇运 行
17、,其启停通常由设于回水干管上的温控计（靠近泵吸水口）掌握,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,配水流量足以爱护配水管网水温；然而配水 流量并不能爱护回水管温度,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爱护水温时,掌握回路每隔肯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,仍需支付回水管网的无效热缺失；2.2 循环泵节能改造措施（1）在循环泵处于运行状态时,用测量外表分别测出实际循环流量 Q1 和扬程 H1（对封闭循环系
18、 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,就完成节能改造；如耗电量降低不明显,可更换循环泵,工作流量取QQ0,工作扬程依据式（2）、式（ 3）运算得到： HQ0/Q12 H 1,使该工况点落在新选泵的高效范畴内；也可以实行切削叶轮的措施来降低循环流量,设水泵叶轮原直径为 D,就切削后叶轮直径D DQ0/Q1；对于循环流量逐时变化的循环系统,宜采纳循环泵变频运行；（2）对于热
19、水循环泵,为削减无效运行时间,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固运行时,测出配水干管多点水温（可采纳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；循环泵的启停掌握温度应依据运行情形作适当调整以获得最低节能成效；3. 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；采纳燃油、燃气锅炉或电力锅 炉直接加热冷水,即使在不缺失热量的条件下（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
20、质角度看是庞大的铺张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猎取多 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、名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 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讨论,并取得了肯定的成效,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）
21、、用电峰时释热的蓄 热技术,虽然并不直接节约能源,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,符合需求侧治理DSM9的概念,而且采纳该技术对既有设备的改造较易实施；对换热环节的改造措施有：采纳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；3.2 削减管网热缺失5）运算：）t（5）热水管道向环境热缺失量由式（qsAK（1式中： qs热水管道热缺失；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； 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；5）,为削减热水
22、对于既有热水系统,要转变管道外表面积 A 或管道传热系数 K 都不易,依据式（管道热缺失,可通过增大 或减小 t 来实现；增大 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 20,供水温度从 60降为 50,其它参数不变,就 度设为 45 55是可行的；设室内空气温度为 降温供水与降温前管网热缺失之比为：5020/60 200.75,即理论上节能率为：10.750.2525%,这仍不包括因配水管道热缺失削减而带
23、来的循环泵运行能耗的削减量,而改造几乎为零费用；4. 建筑节水改造 4.1 建筑节水的节能意义 满意肯定的水质、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,此能耗趋于上升）、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,仍附 含加热能耗；因此,建筑用水的铺张实际上仍隐含了能量铺张；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 节水必需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 节水潜力仍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铺张情形：（1）超压出
24、流 11 铺张；配水件在额定水压作用下,出水量为额定流量,使用者能顺当实现用水功 能,且具有舒服感；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,造成水量铺张；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形相同,从上到下各楼层支管水压分别为 0.15Mpa 即能满意正常使（MPa ）： 0.15、0.19、 0.23、 0.27、0.31、0.35、0.39,而支管水压只需爱护 用,就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：名师归纳总结 - - - -
25、- - -第 5 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 7.0 15 /.0 15.0 19.0 23.0 270 . 31.0 350 . 390 . 754,即水量铺张可达10.7540.24624.6；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）热水用户调温放水铺张；冷热水压力不平稳或冷热水压力波动大等情形下,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意要求为止,这种无效放水造成热 水铺张；（3）人为用水铺张；用户用水过程中节水意识差,如不用水时不准时关水等行为造成人为水量浪 费；4.3 建筑节水改造措施（
26、1）支管增加减压稳压阀,掌握支管超压出流；当然,即使采纳减压阀限流节水,减压阀处消减 的压能仍以局部缺失的形式被白白铺张,但目前尚无能既减压又能实现余外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剂供 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应,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）为削减冷、热水压波动,可实行：水泵出水口恒压变频供水改造为最不利点恒压供水,有条 件时仍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；采纳带高效冷热水
27、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,但产品的市场价格仍比较高,建议 宾馆等高档场所考虑采纳；（4）用水计量；用水计量是从技术和治理双重层面掌握人为水量铺张的措施；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；5. 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赐予介绍和技术评判；（2）在对既有建筑给排水系统实施改造前,必需从现状动身,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
28、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 险的节能改造工程,就没有实施的必要；参考文献名师归纳总结 1赵世明,高峰建筑加压供水的动力节能技术J给水排水, 202210：8387 第 6 页,共 7 页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, 20224 ： 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讨论J 哈尔滨工业高校学报, 20033： 355357 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, 200110 ：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, 20228 ：7072
29、 6赵世明,高峰建筑循环水系统的节能分析与计策J中国给水排水,20229 ：9799 7赵世明,高峰热水循环泵节能探讨J给水排水, 20223：7880 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,2022 9方利国节能技术应用与评判M 北京：化学工业出版社,2022 10国家住宅与居住环境工程技术讨论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 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 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, 200211 ： 71 72 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 7 页