（水利水电工程专业论文）高层建筑给水系统的节能及优化设计研究.pdf

ri ： 西华大学学位论文独创性声明 叭y 1 m 7 帆5 叭删0 50l5ll 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：曹损 日期：加0 卑多月阳日 指导教师签名：多套基瘩 日期 b d 6 、厂6 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：茵桶 日期：勘o 绎铜d 圈 指导教师签名： 日期 - b of ，o 6 o 西华大学硕士学位论文 摘要 高层建筑给水存在加压系统，具有巨大的节能前景，具有代表性，无论是在技术的 广度还是设计深度上都远远超过一般的建筑给水，其中不少问题还没有得到很好地解 决。随着高层建筑中各种设备的同益完善，给水、热水、排水、消防、暖通、电器等使 得建筑内各种管道增多，运行的费用也不断增加。面对全球越来越严重的能源危机，节 水节能工作势在必行，这就迫使人们去寻求最经济的优化设计，包括选择合理的供水方 式、竖向最优分区、管网优化设计等以节省投资、节约资源。在这些方面所作的研究工 作不多，本文对高层建筑给水系统节水节能及优化设计方面进行了研究。 本文分别对高层建筑生活给水系统，消火栓给水系统，自动喷淋系统等进行了探讨， 通过分析计算得到了比较理想的优化结果。 文中分析了高层住宅生活给水系统的特点，基于高层住宅给水方式合理的选择之 上，进一步对高层住宅小区给水方式的选择进行了优化研究，并通过工程实例，重点分 析了屋顶水箱给水方式和变频泵给水方式下给水系统的投资和能耗情况，获得了适合高 层住宅小区相对较优的给水方式。 长期以来，消火栓给水系统的环状管网管径都习惯按枝状管网计算，计算结果管径 偏大，造成浪费。借鉴城市管网优化设计的经验和前人的研究成果，并结合高层建筑消 火栓管网的特点，通过建立非线性数学规划模型，通过使用m a t l a b 遗传算法与应用 m a t l a b 遗传工具箱，对消火栓环状管网进行优化设计，求得管网年费用最小情况下 管段管径，结果表明优化设计可节省投资，提高设计效率。 针对工程设计中复杂的自喷系统水力计算，基于e x c e l 电子表格，提供了一套行 之有效的设计计算方法，并以实例进行了计算论证，可以节省设计工作时间，提高设计 工作效率。 关键词：高层建筑给水系统；节水节能；优化设计研究 高层建筑给水系统的节能及 j 亡化设计研究 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ep r e s s u r es y s t e mi nh i g h - r i s eb u i l d i n g s ，t h e r ei sg r e a tp r o s p e c t sf o re n e r g y c o n s e r v a t i o n ，t h ew a t e rs u p p l ys y s t e ma r em o r et y p i c a l ，a n da r ef a rs u p e r i o rt og e n e r a lw a t e r s u p p l ys y s t e mi nt e c h n o l o g ys c o p ea n dd e s i g nd e p t h t h e r ea r es t i l ll o t so fi s s u e si nt h i sf i e l d h a sn o tb e e nr e s o l v e d w i t ht h ep e r f e c t i o no fa l lk i n d so fe q u i p m e n ts u c ha sw a t e rs u p p l y ，h o t w a t e rs y s t e m ，d r a i n a g ew a t e r ，f i r ec o n t r o l ，c e n t r a lh e a t i n ga n dw i r i n g ，w h i c hl e a dt ot h ei n c r e a s e o fa l lk i n d so fp i p e sa n dt h er u n n i n gf e ew i l li n e r e a s e f a c i n go ft h eg r o w i n gg l o b a le n e r g y c r i s i s ，s a v i n gw a t e ra n de n e r g yi sb e c o m i n gv e r yn e c e s s a r y ，u n d e rt h i sc o n d i t i o ni ti sn e c e s s a r y t ol o o kf o rt h em o s te c o n o m i c a lo p t i m a ld e s i g n ，i n c l u d i n gs e l e c t i n gr a t i o n a lw a t e rs u p p l y m a n n e r s ，h a v i n go p t i m a lv e r t i c a ls u b a r e a ，p i p en e t w o r k so p t i m a ld e s i g n ，t os a v ei n v e s t m e n ta n d r e s o u r c e h o w e v e rl i t t l ei n v e s t i g a t i v ew o r kh a sb e e nd o n ei nt h e s ef i e l d st i l lt h i sd a y t h i s p a p e rj u s td or e s e a r c ha n dd i s c u s s i o no nt h ee n e r g ys a v i n ga n do p t i m a ld e s i g no fh i g h - r i s e w a t e rs u p p l ys y s t e m i nt h i sp a p e r ，s o m ei n v e s t i g a t i o ni nh i g h - r i s eb u i l d i n go f g e n e r a lw a t e rs u p p l ys y s t e m ，f i r e h y d r a n ts y s t e m ，a u t o m a t i cs p r i n k l e rs y s t e mh a sb e e nr a s i e d ，a n ds o m ed e s i r e dr e s u l t sh a sb e e n g o tt h o u g ha n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd o m e s t i cw a t e rs u p p l ys y s t e mh a sb e e na n a l y z e di nt h i sp a p e r ，t h e o p t i m i z a t i o nr e s e a r c hi sb a s e do nr e a s o n a b l ec h o i c eo fh i g h r i s eb u i l d i n g sw a t e rs u p p l y s y s t e m t o e x p l o r e t h es e l e c t i o no f s u p p l y m o d e sf o r h i g h - r i s e r e s i d e n t i a l q u a r t e r s e s p e c i a l l y ，t h ei n v e s t m e n ta n de n e r g yc o n s u m p t i o no fd o m e s t i cw a t e rs u p p l ys y s t e mf o rt h e r o o fw a t e rt a n ka n dv a r i a b l e v e l o c i t yv a r i a b l ef r e q u e n c yp u m pa r ea n a l y z e db y r e a l e n g i n e e r i n gi n s t a n c e s , w h i c ho b t a i n st h er e l a t i v e l yb e t t e rw a t e rs u p p l ys c h e m es u i t a b l ef o r h i g h - r i s er e s i d e n t i a lq u a r t e r s f o rl o n gt i m e ，t h ed i a m e t e ro fr i n g e d p i p i n g u s e dt ob e e nc a l c u l a t e da c c o r d i n gt o t r e e - s h a p e dp i p i n gi nt h ef i r eh y d r a n ts y s t e m ，t h e ni tr e s u l t e dt h eb i g g e rd i a m e t e ra n dw a s t i n g o fi n v e s t m e n t t h i sp a p e rr e f e r e n c e st h ee x p e r i e n c eo f c i t yp i p en e t w o r k so p t i m a ld e s i g na n d p r e d e c e s s o r s r e s e a r c ha c c o m p l i s h m e n t s ，c o m b i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c s o f b u i l d i n gp i p e n e t w o r ka n de s t a b l i s hn o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n gm o d e lw h i c hs o l v e db ym a t l a b g e n e t i ca l g o r i t h ma n dt h e 、m a t l a bg e n e t i ct o o l b o x ，a no p t i m a ld e s i g ni sm a d eo ft h ea n n u l a r w a t e rs u p p l yn e t w o r k ，t h ep i p ed i a m e t e rc a nb eg o t t e nu n d e rt h ec o n d i t i o no fl e a s ta n n u a l c o s t t h er e s u l t si n d i c a t et h eo p t i m a ld e s i g nc a ns a v ec o n s t r u c t i o ni n v e s t m e n ta n di m p r o v et h e d e s i g ne f f i c i e n c y i ns p r i n k l e rs y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h eh y d r a u l i cc a l c u l a t i o nw h i c hi st h em o s tc o m p l e x w o r k ，ap r a c t i c a lm e t h o dh a sb e e np u tf o r w a r do nt h eb a s i so fas o f tn a m e d “e x c e l t h e i i p a p e rr a i s e sap r o p o s a lf o rt h e s ep r o b l e m sw h i c ha r ec a l c u l a t e dt op r o o f b yp r a c t i c a le x a m p l e a n da l s oc o u l ds a v eal o to f w o r k i n gt i m ea n di m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c y k e yw o r d s ：h i g h r i s ew a t e rs u p p l ys y s t e m ；w a t e ra n de n e r g ys a v i n g ；o p t i m a ld e s i g n r e s e a r c h i i i 高层建筑给水系统的节能及优化设计研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1课题的提出l 1 2 研究背景与现状2 1 2 1 高层建筑给水系统水量能量损失现状2 1 2 2 国内外优化研究现状。3 1 2 3 高层建筑给水工程存在的问题4 1 3 论文的研究内容及方法5 1 3 1 研究内容5 1 3 2 研究方法。5 2 高层建筑给水系统的节能与优化6 2 1 高层建筑给水系统的分区6 2 1 1 高层建筑给水系统分区的必要性6 2 1 2 高层建筑给水系统分区的方法6 2 2 高层建筑给水方式7 2 2 1 高层建筑给水的四种基本方式7 2 2 2 我国高层建筑给水方式现状8 2 2 3 高层建筑给水方式实例分析9 2 3 高层建筑给水系统水力计算。1 3 2 3 1 设计流量1 3 2 3 2 管网水力计算1 5 2 4 对高层建筑高区管网进行建模求解。1 9 2 4 1 建立模型及求解1 9 2 4 2 工程实例优化研究2 3 2 5 高层建筑给水系统优化建议2 6 2 5 1 生活、消防水池( 箱) 应分建2 6 2 5 2 在小高层建筑中合理利用无负压给水方式。2 7 2 5 3 充分利用太阳能资源2 8 i v 西华大学硕士学位论文 2 6 j 、l ! 古2 9 3 高层建筑消火栓给水系统的优化3 0 3 1 高层建筑室内消火栓系统概况3 0 3 1 1 高层建筑室内消火栓系统供水方式的选择。3 0 3 1 2 高层建筑室内消火栓系统的分区3 3 3 1 3 高层建筑室内消火栓系统水力计算3 4 3 2 遗传算法的应用3 7 3 2 1 遗传算法的概念3 7 3 2 2 遗传算法在管网优化设计方面的应用3 9 3 3高层建筑消火栓系统数学模型的建立4 0 3 3 1 基本公式的推导4 0 3 3 2 工程实例的应用4 5 3 4 高层建筑消火栓系统优化问题的探讨4 9 3 4 1变频或者气压给水是否可替代屋顶水箱4 9 3 4 2 消火栓给水系统用水量5 0 3 5小结。5 1 4自动喷水灭火系统的优化5 3 4 1自动喷淋系统管径的优化5 3 4 1 1 经济流速的探讨5 3 4 1 2 管径优化的探讨5 4 4 2自动喷水灭火系统工程算例5 5 4 3自动喷淋系统优化的探讨6 0 4 3 1 适当增大喷头布置间距。6 0 4 3 2 管网的布置6 1 4 4 ，j 、结：6 1 ；! i论6 ：! 参考文献6 4 附j 录6 7 攻读硕士学位期间发表学术论文情况6 8 墅| 【谢6 9 v 两华大学硕十学位论文 1绪论 1 1 课题的提出 水电资源都是有限的，全球有6 0 以上的陆地淡水不足，有4 0 多个国家缺水。世界 上有i 3 的人得不到安全饮用水。地球上可供生活、农业和工业之用的水源j 下在走向极 限，水问题是全球性的问题。电更是人类生产生活中不可或缺的能源。据国家电网公司 的最新统计数据显示，0 9 年4 月份，全国发电量2 7 4 7 6 3 亿千瓦时，同比降低3 5 5 ， 除水电外，火电、核电的发电量同比均出现不同程度的下滑。我国电力的短缺已不是一 时的问题，早已经成为阻碍国家生产力进一步发展的一大障碍。据专家分析，随着经济 的进一步发展，这一趋势还有不断扩大的迹象。 我国是个能源需求大国，建筑能耗占了总能耗的1 3 ，并呈逐年上升的趋势，在能 源总消费量中所占的比例已从2 0 世纪7 0 年代末的1 0 上升到近年的2 7 6 i 。其中9 9 的建筑存在能耗浪费，因此，随着建筑节能工作的不断发展，不仅仅需要加大对水电 能源的节约和有效利用力度，对设计工作者提出更高的要求，更需要的是建立和完善建 筑节能技术标准体系，促进我国的建筑节能工作形成健康、持续的发展模式。 随着经济的快速发展和科学水平的不断提高，高层建筑的高度和层数也在不断增 加，需要的总耗能量也在不断增加，不论是水还是电，都提出了更高的要求。进入2 1 世纪，高层建筑向着层数更多、设备更完善、功能更齐全、技术更先进的方向发展。高 层建筑有别于低层建筑，具有层数多、高度大、振动源多、用水要求高、排水量大等特 点，因此，对建筑给水排水工程的设计施工材料及管理方面都提出了新的技术要求。必 须采取新的技术措施，才能确保给水排水系统的良好工况，满足各类高层建筑的功能要 求。 现行g b 5 0 0 1 5 2 - 2 0 0 3 建筑给水排水设计规范作为全国给排水设计人员的设计准 则，除了满足规范的规定外，设计人员还应根据各地区的实际用水情况进行设计。合理 的建筑给水系统设计，应该既满足用户对水质、水量、水压的要求，确保安全供水，又 达到节水节能的要求。然而，有些工程设计人员及有关管理部门对此并未足够重视，在 工程设计中缺乏统筹考虑、全面规划，过分强调供水的安全可靠性，或在设计中考虑不 周，造成了不必要的水量、电能的浪费。如何有效提高高层建筑给水系统能量利用率， 减少无效能耗，以及减少经济方面的投入，成为了高层建筑给水设计的重点和难点。因 此，在建筑给水系统的设计中如何做至6 系统优化、节水节能，减少不必要的水资源浪费， 又能节约资金投入的成本，是建筑给水工作中有待解决的问题【2 1 。 高层建筑给水系统的节能及优化设计研究 本课题为高层建筑供水系统节水节能研究，主要着眼于既有建筑和新建建筑居民住 宅生活用水的节水节能。本文将对既有建筑的改造以及新建建筑的设计选型过程进行研 究，同时希望通过对既有建筑的研究对新建建筑的设计起到一定的参考作用。研究对象 界定为高层类住宅，是因为高层住宅设计的节水问题较多，高层建筑供水系统较为复杂， 基本涵盖了其他类型住宅所遇到的问题，随着各种设备同益完善，给水、热水、排水、 消防、暖通、电器等使得建筑内各种管道增多，其费用也相应的不断增加，这就迫使人 们去寻求最经济的优化设计，包括选择合理的供水方式、进行竖向最优分区、管网优化 设计、合理的水泵选型等以节省投资、节约资源。在此过程中遇到的问题比较有代表性 和全面性，所以本研究主要针对高层建筑供水优化进行理论研究。 1 2 研究背景与现状 1 2 1 高层建筑给水系统水量能量损失现状 ( 1 ) 超压出流现象 建筑内部给水系统的压力，必须能将需要的水量输送到建筑物内最不利点的用水设 备处，并保证有足够的工作水头。卫生器具给水额定流量是按照卫生器具用途和使用要 求而规定的卫生器具给水配件单位时间的出水量。最低工作压力是为基本上满足卫生器 具使用要求而规定的给水配件前的工作压力。给水配件前的压力大于最低工作压力，给 水配件在单位时间内的出水量超过额定流量的现象，称超压出流现象【3 l 。该流量与额定 流量的差值，为超压出流量。为了满足最不利点水头的要求，超压出流现象必然存在。 超压出流现象不但会破坏给水系统中水量的正常分配，因超压出流的水未产生任何效 益，即为无效水量。而且当水压过大时，水龙头启闭时易产生水击及管道振动，使得阀 门和给水龙头等磨损较快，缩短使用寿命，并可能引起管道连接处松动漏水，加剧了水 的浪费。在高层建筑中，高区的供水还必须由水泵提供，提升这部分无效水量又直接造 成了电能的浪费。 ( 2 ) 给水管道及附件的损坏导致水量浪费 管道的老化及生锈，阀门、水表、龙头等的破损导致水量的损耗。给水管道在管子 接缝处及法兰、阀门连接处都会有不同程度的漏水现象。尤其埋于地下的管道破裂漏水 更不易被发现，造成极大的水资源浪费；其次是给水附件的不合理选择，造成实际出流 量远大于需要的用水量，造成水量的浪费。 ( 3 ) 加压贮水系统选择不合理造成浪费 目前新修高层建筑的消防加压系统一般都是各号楼单独设置，这就造成工程建设 和设备投资及运转费用过高，并且多座贮水池的大消防贮水及定期换水也造成了严重 2 两华人学硕士学位论文 的水电资源的浪费。再加上一些设计人员只求符合设计规范，没有考虑到设备及管道的 投资以及后期运转上的资源消耗。比如给水方式选择的不合理，给水分区的不合理，以 及选择水泵机组的不合理都造成了不同程度资源的浪费。尤其以水泵机组选择不合理造 成资源浪费最为严重，因为水泵机组的运转是靠电能以维持，在整个给水工程中9 5 9 8 的电能是用来维持水泵的运转，因此在设计时这方面必须引起重视。 1 2 2 国内外优化研究现状 自从2 0 世纪6 0 年代人们就开始用系统分析方法设计给水管网，并将优化程序应用 于其中。最早的给水管网设计模型是为树状网设计的，如k a r m l ie ta l ( 1 9 6 8 ) 、s c h a a k e 和l a i ( 1 9 6 9 ) 。这些模型没有考虑类似阀门的附属物，但根据水力特性说明了其影响。 其它非线性模型在当时也被提出，如s e h a a k e 和“( 1 9 6 9 ) 。以上这些模型仅用于树 状网系统，没有线性规划法的计算优势，不能得出比较好的结剽引。1 9 7 7 年a l p e r o v i t s 和s h a m i r 提出了一个基本线性规划公式的、能引入任何理论和产生实际兴趣的第一个 环状系统模型，其中使用了保证坏状管网水力连续性的附加约束( 如围绕环的水头损失 代数和等于零) ，这说明线性规划法具有强大的实用性1 4 j 。在1 9 7 9 年q u i n d r y e ta 1 对该 模型进行了修正。 自从2 0 世纪7 0 年代以来，大量的管网优化设计技术被相继提出。w a l s k i l 5 j ( 1 9 8 5 ) 、 c o u l t e r 6 】( 1 9 9 2 ) 在他们的论文中提出了最中肯最有发展前途的建议。a l p e r o v i t 和 s h a m i r i 7 】( 1 9 7 7 ) 应用梯度搜索法得出给水系统中满足最小总费用的流量形式，q u i n d r y a l e ta l l 8 l ( 1 9 8 1 ) 用两阶段法设计给水管网。在优化结构中，两阶段法在模型中的使用代： 表了管网优化设计模型研究的一个新阶段。之后，b h a v e 和l a m i 驯( 1 9 8 3 ) 对l p g 法中 的变量进行了研究。 m o r g a n 和g o u i t e r l 9 l ( 1 9 8 5 ) 对h a r d y c r o s s 网络解算器和优化布置、新系统的设计 及规划系统扩建结合起来。1 9 8 9 年l a n s e y 和m a y s 1 0 j 将一般降阶法和一个现存的给水模 拟模型结合起来优化管网、估计水泵房及水箱尺寸，该法计算集中，但在优化模型和模 拟模型之间需要大量的迭代运算，而且每一步都要考虑梯度项。 在过去十年罩，对建筑给水系统建模的能力没有得到多大的改善，由于计算机的广 泛使用，建立、运行数学表达式或管网模拟型是很廉价的，然而费用没有减少，这主要 因为在校核模型和收集数据时，参数估计不准确，造成模拟模型失真，基于模拟分析之 上的设计和运行决策严重出错。1 9 8 8 年k e v i n ee l a n s r y 和c h u d ab a s n e t 精确地提出 了非线性规划法来解决估计管网模型参数。在不同荷载条件下检测给水管网性能时，估 计参数相当重型4 1 。1 9 9 6 年p v n i r m l j a nr e d d y 和k s r i d h a m n 、p v r a o l l l j 研究出了基 于g a u s s n e w t o n 最小化技术的最小平方权重法( w l s ) 来估计给水管网的参数，该项 高层建筑给水系统的童! 白l i e 匕及优化设计研究 研究的一个特点是详细考虑了参数估计中选择不同权重的影响。在环状给水管网设计系 统中选择优化法进行灵活量化是非常必要的。 到二十世纪，针对不同建筑选择何种给水方式以达到节水节能的效果，有人曾采用 三标度的层次分析法对供水方式进行优化选择，从能耗情况、投资情况、占地面积、供 水可靠性、管理方便程度等方面进行了分析比较，得出了相对较优的给水方式，也有人 是运用模糊综合评判方法或者层次分析法来对高层建筑给水系统进行给水方式的选择， 也能得到相对较优的给水方式。但这些优化方式大多是对给水方式以及给水或者消防分 区进行优化，而很少对整个管网的管径进行优化，以达到节水节能的目的。对于遗传算 法及m a l a b 软件遗传工具箱，过去多是用在市政给水管网的优化上，很少有用在建筑给 水及消火栓系统上。 1 2 3 高层建筑给水工程存在的问题 随着科学技术水平的飞速发展，节水节能技术也取得了很大进步，目前高层建筑节 水节能工作的重点主要集中在高层建筑生活给水节能、高层建筑热水节能和水资源再生 利用即中水回用等方面。安全可靠、经济节能、运行管理方便的供水技术与方式的研究 与推广应用是建筑给水的重点和难剧3 1 。从高层建筑生活给水系统的研究资料和实际工 程的运行效果来看，生产生活给水系统还存在着一些问题，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 给水系统的节能需要合理利用市政水压，具体需要采用什么样的方式能更合 理的利用这部分能量，需要根据具体境况进行研究设计。 ( 2 ) 在高层给水系统中不仅要解决给水系统的超压出流问题，而且要考虑到投资 的增加，采用何种节能又经济的方法来解决高层建筑给排水问题，还需要深入研究。 ( 3 ) 节水、节能的给水排水设备及附件的丌发与运用，以及新型减压、稳压设备 的研制与应用，低成本高效能的新型管道材料开发与应用，这些在经济合理的情况下需 要进一步推广运用。 ( 4 ) 面对高层建筑给水环境和条件的变化，特别是目前高层住宅小区的大量兴起， 如何设计更合理的给水系统来满足人们不断增长的用水需求，采用何种给水方式更经济 和节能，如何设计管径在保证供水量的同时如何做到更经济，这都需要设计工作者自身 能力的不断提高。 ( 5 ) 历史上人们的大部分兴趣集中在流量分析高效算法的研究上，很少研究开发 设计优化管网的方法，且很少有计算机软件包经济可靠地使用在设计中来对管网进行优 化设计，也就是说，到如今还没有正式优化技术在设计中被合理采用。 两华大学硕十学位论文 高速发展的建筑业，必将对建筑给水排水技术提出更高的要求，为了适应和推动高 层建筑的发展，必须不断改进和提高高层建筑给水排水技术，使高层建筑给水排水技术 达到一个新的水平。 1 3 论文的研究内容及方法 1 3 1研究内容 建筑节水节能是一个系统工程，除应制定有关节水节能的法律法规、加强日常管理 和宣传教育、利用价格杠杆促进节水节能工作外，还应采取有效的技术措施，以保证建 筑节水节能工作全面深入的开展。建筑住宅的蓬勃发展必然需要与之相配套的给排水设 施作为辅助。高层建筑由于高度大，用水点集中，耗水量大，卫生设备多，使用情况复 杂等特点，所以选择作为本课题的主要研究对象。 本课题以普遍存在的高层建筑为对象，研究节水节能对策，对高层建筑给水管网进 行优化设计，从所查阅的文献资料来看，在这方面所作的研究较少。本研究将借鉴城市 管网优化设计的已有经验以及前人的研究成果，并结合建筑管网的特点，分别建立非线 性规划数学模型并对它们进行求解，以获得在满足用户对水量和水压要求下的各管段管 径值，各种算法通过运用计算机程序上机解算。研究成果对普通多层住宅和公共建筑也 有一定的适用性。 1 3 2 研究方法 ( 1 ) 收集相关资料、调研数据，分析归纳总结； j ( 2 ) 找出和分析高层建筑生活给水系统中存在问题； ( 3 ) 提出合理的节能措施和系统优化的方法，并分析其思路和原理： ( 4 ) 应用工程实例，采用数学方法对相关数据进行分析处理，验证节能措施和系 统优化方法，总结出节能效果最佳的供水方式并对管网管径进行了优化研究。 高层建筑给水系统的“i j 4 j j “b 及优化设计研究 2 高层建筑给水系统的节能与优化 2 1 高层建筑给水系统的分区 2 1 1 高层建筑给水系统分区的必要性 目前，关于高层建筑的划分国际上尚无统一的标准。我国高层民用建筑设计防火规 定：1 0 层和1 0 层以上的住宅( 包括首层设有商业服务网点的住宅) 或建筑高度超过2 4 m 的 两层及两层以上的厂房为高层建筑，而建筑高度超过2 4 m 的单层厂房不属于高层建筑。 从规范就可以看出高层建筑物是总高度高，总建筑面积大，仅靠室外管网的供水压力， 通常是无法满足较高楼层用水点的水压要求的，工程中需要采用增压设备辅助供水，以 产生更大的水压。如果给水系统不进行竖向分区，则底层卫生器具将承受相当大的静水 压力，从而会带来一系列的问题：一是下层给水龙头流量过大，水流呈喷溅状，不仅造 成浪费，而且影响使用；二是上层给水龙头流量过小，甚至出现负压抽吸现象，造成回 流污染；三是下层管网由于承受压力巨大，关阀时易产生水锤，轻则产生噪音和振动， 重则使管网遭受破坏；四是下层阀件容易磨损，造成渗漏。如果使管材和设备在这种高 压力下工作，还会造成管材和设备的损坏。实践证明，对高层建筑实行分区供水，不仅 是解决上述问题的有效方法，也是最为合理的方法。但是，分区压力值也要选择合理， 分区压力值过高，仍会产生以上弊端；分区压力值过低，又会使分区数量增多，增加给 水设备、管道的工程造价及维修管理工作等。因此，高层建筑给水系统竖向分区应根据 使用要求、管材质量、卫生器具配件所能承受的工作压力，结合建筑层数合理划分。 2 1 2 高层建筑给水系统分区的方法 目前，国内外对高层建筑给水系统竖向分区压力值尚未有统一的规定，但通常都是 以各分区最低点的卫生器具配点处的静水压力不大于其工作压力为依据进行分区。我国 建筑给水排水设计规范( g b 5 0 0 1 5 2 0 0 3 ) 3 3 5 规定，高层建筑生活给水各分区 最低卫生器具配水点处的静水压力不宜大于0 4 5 m p a ，特殊情况不宜大于0 5 5 m p a ，水压 大于0 3 5 m p a 的人户管( 或配水横管) ，宜设减压或调压设备。且对最低处卫生器具给水 配件静水压力范围有规定：旅馆、招待所、宾馆、住宅、医院等晚自j 有人住宿和停留的 建筑，应为0 3 0 0 3 5 m p a ：办公楼、教学楼、商业楼等晚间无人住宿和停留的建筑，应 为应为0 3 0 0 3 5 m p a l l 2 j 。需要在充分利用市政供水压力的基础上，对低区以上进行合理 的分区。 以某- - 2 2 层综合性商住楼为例，该建筑属于一类高层建筑，市政给水管网供水压力 6 两华大学硕十学位论文 为2 8 0 p k a ，层高为3 5 m ，地下两层，地上2 2 层，进行竖向分区。在层高不高于3 5 h i 时 初步估算利用公式： h 。= 1 2 + ( 以一2 ) x4 ( 2 1 ) 其中，h 。，一分别为市政给水管网压力和估算的市政给水管网压力可供楼层数。 计算得n = 6 ，考虑到市政水压的波动性，取n = 5 ，即低区为地下二层到地上五层；其余 1 7 层由静水压力3 5 x 1 7 x 1 0 5 9 5 k p a ，以3 5 9 k p a 为上限压力，把这1 7 层以间隔9 层 分为两个区，即6 层到1 4 层为中区，1 5 层到2 2 层为高区。 2 2 高层建筑给水方式 2 2 1高层建筑给水的四种基本方式 ( 1 ) 高位水箱给水方式 高位水箱供水方式包括水泵和水箱。该方式又可分并联供水式、串联供水式、减压 水箱供水式、减压阀供水式1 1 3 l 。高位水箱的作用是存储调节本区的用水量和稳压。水箱 内的水由设在泵房内的离心水泵供给。高位水箱给水方式具有以下优点：一是水箱内可 储备一定水量，供水比较安全可靠；二是水压稳定；三是泵启动次数较少，效率较高； 四是设备费和运营费较低。其主要缺点：一是水箱的设置占用了一些建筑面积；二是增 加了高层建筑结构的复杂性，基建投资相对上升；三是水质较易受到污染；四是水箱进 水时，产生噪音和振动。 ( 2 ) 气压罐给水方式 。 气压罐的设备包括离心水泵和气压罐。其中气压罐为一钢制密闭容器，供水时利用 容器内空气的可压缩性存储和调节水量，并将罐内储水压送到一定的几何高度，达到节 能的目的；二是水泵机组采用软启动和循序启动，从而实现无塔供水。气压罐供水的主 要优点：一是般不需要水箱和水塔，荷载大大减小，尤其适用地震区的高层建筑；二 是罐内水质不易受污染；三是基建投资较省；四是便于集中管理，较易实现自动控制。 其主要缺点：一是供水压力不稳，常出现周期性的波动；二是气压罐容积有限，储水较 少，因而水泵启动频繁，且水泵在变压状态下工作，不仅效率低，而且增加了设备的运 行费用，缩短了水泵的使用寿命；三是由于气压罐的有效容积较少，其储水和调节水量 的作用远不如高位水箱，因而供水可靠性较差。 ( 3 ) 变频泵无水箱给水方式 变频调速水泵，是一种将单片机技术变频技术和水泵机组相结合，通过变频器电源 改变频率和电压，以控制交流电动机的转速，进而实现水压与流量可调的给水设备。由 于变频泵的水压和流量可调，可取消高位水箱。该方式的主要优点：一是节能，在保持 高层建筑给水系统的节能及优化设计研究 设定压力的前提下，根据用水量的变化情况随时调整电机的转速，运行，即可延长设备 使用寿命，又能保证运行的可靠性；二是调速全自动化，使用方便；三是结构紧凑，占 地省，安装方便，便于集中管理等。变频调速水泵的缺点：一是变频器价格贵，整机费 用比其他给水设备昂贵；二是变频器对工作环境条件( 包括温度湿度灰尘等) 要求较高： 三是变频器易受外界电池干扰，影响机组j 下常运行。 ( 4 ) 减压分区给水方式 减压分区给水方式是利用减压阀或各区的减压水箱进行减压。水泵将水直接送入最 上层的水箱，各区分别设置水箱。由上区的水箱向下区的水箱供水，利用水箱减压；或 者上下区之间设置减压阀，用减压阀代替水箱，起减压的作用。向下区供水时，先通过 干管上的减压阀，然后进入下一区的管网，依次向下区供水特点是供水比较可靠，设 备和管道系统简单，节约投资，维修管理方便。采用减压阀减压方式，各区不再设置水 箱，可提高建筑面积的利用率。但下区供水压力损失较大，水泵能源消耗较大。设计时 一般生活给水系统采用可调式减压阀；消防系统采用比例式减压阀。 在高层建筑给水系统设计中，确定经济合理、技术先进和供水安全可靠的给水方式， 是高层建筑给水系统规划设计的核心。高层建筑给水系统的供水形式可概括为以上4 种 基本类型，共8 种形式。在已建的工程中，8 种供水方式均有采用，但某一建筑究竟采用 何种供水方式迄今没有一个确定的标准，因为每一种供水方式都有各自的特点和适用条 件。同时，每一建筑都因其建筑功能的不同，专家及业主对供水方式所能达到的目标的 要求不同，从而在供水方式选择中需要考虑许多定量的和定性的因素，包括每种供水方 式的设备占用建筑面积、设备投资情况、供水可靠性、能量消耗情况和管理难易程度。 对某一具体建筑要选择相对较优的供水方式，就必须协调这些因素。 2 2 - 2 我国高层建筑给水方式现状 选择给水方式是高层建筑给水系统设计的关键，它直接关系到给水系统的使用和工 程造价。给水方式选择应以经济合理，技术先进，供水安全可靠为原则。当市政管网压 力具有一定资用水头，其压力能满足高层建筑下面几层，如地下室、裙房及附属建筑( 如 锅炉房、厨房、洗前房) 用水需要，为节省能源和基建投资与运行管理费用，下面几层 应该采用市政给水管网直接供水。但是利用市政管网压力设置给水系统时，应考虑其供 水房间的性质和水压要求。 对于建筑高度不超过l o o m 的高层建筑，一般低层部分采用市政水压直接供水，中 区和高区各采用一组调速渠供水，这就是垂直分区并联供水系统。分区内再用减匝阀局 部调压，这种方式不设高位水箱，减少了二次污染，水压也比较稳定，是目前可选用的 比较好的供水方式。由于设高位水箱供水方式，需要将水次加压送至水箱，不节能而 8 两华大学硕士学位论文 且屋顶水箱容积大，加大建筑荷载，另外，水由水箱自流进入各区减压时，如果用减压 水箱减压，分区水箱占有楼层面积，采用减压阀进行减压，减压阀减压值( 或减压比) 大， 一旦减压阀失灵后，用水存在隐患。因此，不提倡作为主要的供水方式应用。 对建筑高度超过l o o m 的高层建筑，不宜采用并联供水方式，以免输水管道承压过 大，不安全。此时可采用串连供水方式，中问设传输水箱或不设，因为采用调速阀供水， 中间转输水箱已失去了调解水量的功能，只剩下防止水压回转的功能，而此功能可用管 道倒流防止器替代，不设中间转输水箱，既可减少投资及维护费用，又可减少一个水质 污染的环节。 2 2 3 高层建筑给水方式实例分析 以某住宅小区为例，小区内共有6 幢住宅，其中4 幢2 6 层，2 幢2 9 层，层高均为 2 9 m 。共有住户1 2 6 8 户，居住人口约4 0 0 0 人，地下一层为大型停