高層建筑生活給水系統豎向分區數量的技術(shù)經(jīng)濟性分析

      高層住宅建筑給水系統中，最常用的給水方式為市政直接供水與水泵加壓供水相結合，即低區（一般是地下室與裙房）由市政管網(wǎng)直接供水，中、高區由變頻加壓給水設備供水。如何豎向分區，《建筑給水排水設計規范》3.3.5條有如下規定：

1  各分區最低衛生器具配水點(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(hù)管或配水橫管，宜設減壓或調壓設施。

      給水系統豎向分區的規定，一是為了保證用戶(hù)正常用水，二是為了節能。正常用水主要是防止配水點(diǎn)水壓過(guò)高引起濺水，同時(shí)避免衛生器具因超壓容易損壞。節能主要是降低系統運行耗用的電能。本文主要針對節能問(wèn)題作詳細論述。

一、分區供水節能原理

      給水系統中，首先考慮充分利用市政水壓供水。當市政水壓確定的情況下，由市政管網(wǎng)直接供水的用戶(hù)數量是確定的，因此需要加壓供水的區域也是確定的。

水泵揚程與建筑高度關(guān)系圖

加壓水泵所需揚程：Hp = Ho+Hf+h

Ho--靜揚程，Ho = Z2 = Z1+Z2-Z1 = Z1+△Z；

Z1--加壓供水區域最低樓層與生活水池最低水位的高差，m；

Z2--加壓供水區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—水泵電機運行效率

1、若加壓供水區域不分區，相當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、若加壓供水區域豎向平均分為n個(gè)區，近似認為每個(gè)區的流量為Q/n, 并降加壓供水區域立管水頭損失h平均分配到n個(gè)區中，則第m（1≤m≤n）個(gè)區所需的水泵揚程為：

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

該區年消耗電能

Em=ρ·g·Q/n·［m/n·（△Z+h）+（Z1+Hf）］/η

所有加壓供水區域年消耗電能：

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(shuō)，對于給定的建筑物，在市政水壓確定的情況下，加壓供水區域豎向分區數量越多，運行過(guò)程中消耗的電能越少。這便是分區供水節能的原理所在。

二、豎向分區位置對節能效果的影響

      在上面的分析中，豎向分區都是按高度或樓層數平均分區，如果采用任意位置分區，結果將會(huì )有什么變化？下面針對此點(diǎn)進(jìn)行闡述。首先以加壓供水區域豎向分為兩個(gè)區的情況進(jìn)行分析。

分區位置高度以Zx表示，且h值相對Zx及Hf很小，此處忽略不計，則兩個(gè)分區消耗電能分別為：

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

即當豎向按高度平均分為兩個(gè)區時(shí)最為節能。當分為兩個(gè)以上區時(shí)亦有相同結論。因此，給水系統豎向分區應盡量使各區高度相同，以達到節能目的。

三、實(shí)際工程中給水分區數量的確定

      雖然給水系統豎向分區數量越多節能效果越好，但是節能只是設計中需考慮的諸多因素之一，單純追求節能而使得分區數量過(guò)多是不現實(shí)甚至是不合理的，因為每增加一個(gè)分區，相應會(huì )增加一套加壓設備，直接增加了工程初期投資。下面通過(guò)工程實(shí)例分析如何同時(shí)考慮節能與造價(jià)兩方面問(wèn)題而合理確定分區數量。

豎向不分區時(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

由工程數據可以看出：

1、     對于所有工程，隨著(zhù)分區數量的增多，年消耗電能逐漸減少，這與分區節能的理論推導是一致的；

2、     當水泵機組使用壽命為十年時(shí)，水泵造價(jià)在總費用中所占比例較大，對總費用的高低起決定作用。隨著(zhù)分區數量的增加，總費用呈現逐漸增加的趨勢；

3、     當水泵機組使用壽命為二十年時(shí)，運行電費與水泵造價(jià)同時(shí)決定總費用的高低。隨著(zhù)分區數量的增加，總費用呈現上下波動(dòng)的趨勢；

4、     當豎向分區數量大于等于兩個(gè)的情況下，不管水泵使用壽命如何，水泵造價(jià)都決定了總費用的高低。隨著(zhù)分區數量的增加，總費用呈現逐漸增加的趨勢；

      因此，對于高度小于100米的住宅，當采用豎向分區給水時(shí)，為降低總費用，應在規范規定范圍內盡量減少分區數量。加壓供水部分盡量分為兩個(gè)區，只有當小區總人數過(guò)多，分兩個(gè)區造成水泵流量過(guò)大不易選型時(shí)才分為三個(gè)區。再者，減少分區數量還可以減少水泵房面積以及系統立管數量，雖然可能增加一定數量的支管減壓閥，但總體而言其經(jīng)濟性還是比較明顯的。尤其在整個(gè)經(jīng)濟背景不甚樂(lè )觀(guān)，行業(yè)各環(huán)節注重降低成本的今天，其經(jīng)濟性更能得到體現。