高层建筑生活给水系统竖向分区数量的技术经济性分析

 

      高层住宅建筑给水系统中，最常用的给水方式为市政直接供水与水泵加压供水相结合，即低区（一般是地下室与裙房）由市政管网直接供水，中、高区由变频加压给水设备供水。如何竖向分区，《建筑给水排水设计规范》3.3.5条有如下规定：

1  各分区最低卫生器具配水点处的静水压不宜大于0.45MPa，特殊情况下不宜大于0.55MPa；

2  水压大于0.35MPa的入户管或配水横管，宜设减压或调压设施。

      给水系统竖向分区的规定，一是为了保证用户正常用水，二是为了节能。正常用水主要是防止配水点水压过高引起溅水，同时避免卫生器具因超压容易损坏。节能主要是降低系统运行耗用的电能。本文主要针对节能问题作详细论述。

一、分区供水节能原理

      给水系统中，首先考虑充分利用市政水压供水。当市政水压确定的情况下，由市政管网直接供水的用户数量是确定的，因此需要加压供水的区域也是确定的。

 

水泵扬程与建筑高度关系图

加压水泵所需扬程：Hp = Ho+Hf+h

Ho--静扬程，Ho = Z2 = Z1+Z2-Z1 = Z1+△Z；

Z1--加压供水区域最低楼层与生活水池最低水位的高差，m；

Z2--加压供水区域最高楼层与生活水池最低水位的高差，m；

Hf--包括最不利配水点要求工作水头、水泵损失、Z1之前的管道水头损失；

h --加压供水区域立管水头损失。

消耗电能：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—水泵电机运行效率

1、若加压供水区域不分区，相当于所有用水加压至最高层Z2处，年消耗电能：E1 = ρ·g·Q·Hp /η=ρ·g·Q·（Z1+△Z+Hf+h）/η  （单位：J）

2、若加压供水区域竖向平均分为n个区，近似认为每个区的流量为Q/n, 并降加压供水区域立管水头损失h平均分配到n个区中，则第m（1≤m≤n）个区所需的水泵扬程为：

Hm = Z1+m/n·△Z +Hf+ m/n·h= m/n·（△Z+h）+（Z1+Hf）

该区年消耗电能

Em=ρ·g·Q/n·［m/n·（△Z+h）+（Z1+Hf）］/η

所有加压供水区域年消耗电能：

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  （单位：J）

上式中，n值越大，En值越小。也就是说，对于给定的建筑物，在市政水压确定的情况下，加压供水区域竖向分区数量越多，运行过程中消耗的电能越少。这便是分区供水节能的原理所在。

 

二、竖向分区位置对节能效果的影响

      在上面的分析中，竖向分区都是按高度或楼层数平均分区，如果采用任意位置分区，结果将会有什么变化？下面针对此点进行阐述。首先以加压供水区域竖向分为两个区的情况进行分析。

分区位置高度以Zx表示，且h值相对Zx及Hf很小，此处忽略不计，则两个分区消耗电能分别为：

E1=ρ·g·Q·（Zx-Z1）/△Z·（Zx+Hf）/η

E2=ρ·g·Q·（Z2-Zx）/△Z·（Z2+Hf）/η

总消耗电能

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

当Ex’=0时，Ex取得最小值，此时

2·Zx-（Z1+Z2）=0

得Zx=（Z1+Z2）/2

即当竖向按高度平均分为两个区时最为节能。当分为两个以上区时亦有相同结论。因此，给水系统竖向分区应尽量使各区高度相同，以达到节能目的。

 

三、实际工程中给水分区数量的确定

      虽然给水系统竖向分区数量越多节能效果越好，但是节能只是设计中需考虑的诸多因素之一，单纯追求节能而使得分区数量过多是不现实甚至是不合理的，因为每增加一个分区，相应会增加一套加压设备，直接增加了工程初期投资。下面通过工程实例分析如何同时考虑节能与造价两方面问题而合理确定分区数量。

竖向不分区时年耗电量：

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

 

由工程数据可以看出：

1、     对于所有工程，随着分区数量的增多，年消耗电能逐渐减少，这与分区节能的理论推导是一致的；

2、     当水泵机组使用寿命为十年时，水泵造价在总费用中所占比例较大，对总费用的高低起决定作用。随着分区数量的增加，总费用呈现逐渐增加的趋势；

3、     当水泵机组使用寿命为二十年时，运行电费与水泵造价同时决定总费用的高低。随着分区数量的增加，总费用呈现上下波动的趋势；

4、     当竖向分区数量大于等于两个的情况下，不管水泵使用寿命如何，水泵造价都决定了总费用的高低。随着分区数量的增加，总费用呈现逐渐增加的趋势；

      因此，对于高度小于100米的住宅，当采用竖向分区给水时，为降低总费用，应在规范规定范围内尽量减少分区数量。加压供水部分尽量分为两个区，只有当小区总人数过多，分两个区造成水泵流量过大不易选型时才分为三个区。再者，减少分区数量还可以减少水泵房面积以及系统立管数量，虽然可能增加一定数量的支管减压阀，但总体而言其经济性还是比较明显的。尤其在整个经济背景不甚乐观，行业各环节注重降低成本的今天，其经济性更能得到体现。