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二次供水系统节能与环保问题的探讨
 点击数:1608次 添加时间:2007-12-03 22:04:40 [打印] [关闭] [收藏]

二次供水系统节能与环保问题的探讨

天津建筑设计院  李旭东  章崇伦

[摘要] 本文对目前二次供水系统中存在的问题进行分析,对系统方案的合理性进行比较,总结出二次供水系统选择的三个要素,针对要素探讨二次供水系统节能与环保的优化方案。

[关键词] 二次供水 节能 二次污染 要素

1 引言

随着城市高层建筑数量的日益增多,从城市自来水管网取水,经加压后供给较高楼层用户使用的二次加压供水方式已被广泛应用。从设计角度如何解决好目前二次供水系统中存在的一些问题正在受到普遍关注。

2 二次供水技术的发展过程

水泵将水提升至高位水箱再向高层用户供水是最传统的二次加压供水方式。它的优点是系统拥有较多的调节水量,外网停水或停电时可以延时供水,供水可靠性最高。缺点是水池和高位水箱的设置较多的占用了建筑空间,并且使水质遭受二次污染的机会大大增加。

气压供水方式利用气压给水罐调节流量和控制水泵,不需设置高位水箱,减少了占用空间,减小了污染机会。但气压罐调节水量小(约为总容积的1535%),供水安全性较差。水泵运行不在高效段,平均效率低,耗电量较大(一般增加1525%),消耗钢材多。变压式系统供水压力变化大,给用水带来不利影响。

变频供水采用水泵变频技术恒压供水,具有系统压力维持恒定、占地省、污染小、日常维护简便的特点,因此设计上已经被广泛应用。缺点是供水可靠性依赖于电源供应情况,供水安全性较低,目前多数运行系统存在运行费用和能耗偏高问题。

以上三个方式有一个共同的缺点——不能充分利用市政管网的余压。尤其对于一些多层建筑,平时市政水压可以满足要求,只在高峰用水时水压不足。但为了满足最不利情况下的使用要求,设计往往都要设置二次加压供水装置,造成能量的损失。

直接加压供水设备是我国近年来迅速发展的二次加压供水设备,是继水箱供水、气压供水、变频供水技术后得到广泛应用的第四代供水设备。它具有占用空间省、不易产生二次污染、节能、初投资和运行费用少、安装简便、易于管理等优点。但这种方式供水可靠性最低,在设计和安装条件上有严格的规定和要求,特别是必须要有防止对市政管道水质造成污染的措施。

3 二次供水系统选择的要素

通过对四种供水方式的对比可以看出,相对于水箱供水来讲,其它三种方式在减少污染和易于管理等方面都有不同程度地提高。目前变频供水和直接加压供水是比较流行的二次加压供水方式,但是从供水的安全可靠性方面来讲,水箱供水无疑有着不可比拟的优势。如果说变频供水中供水泵吸水的断流水池(水箱)在一定程度上还提供了一部份调节水量,供水可靠性仅受电源情况影响的话,那么直接加压供水由于水泵直接从市政水源吸水,其供水可靠性受到水源和电源情况的双重制约,一但城市供水管网出现问题或电源不能保障,二次加压供水设施将在第一时间失去作用。因此,确定二次供水方式在考虑其他因素的同时绝不能忽略供水可靠性的要求。

二次供水系统一方面弥补了城市自来水管网供水压力的不足,另一方面却延长了输水时间,增加了水中余氯的丢失和水质遭受二次污染的机会。二次供水污染问题在我国各城市普遍存在,已经给人们的身体健康甚至生命安全带来严重威胁。各地区有关的调查报告显示:设计不合理、设施不完备、管理不善、缺乏监控是导致二次供水污染的主要原因。因此二次供水系统设计方案的优劣将直接关系到供水的安全可靠和经济合理。

经过上诉分析可以得出:根据我国目前的国情,确定供水方式的主要因素在于在提高供水可靠性(安全)的前提下,减少污染(环保)和降低运行成本(节能)。

4 二次供水存在的问题

4.1 有关水质污染的原因

由于水泵将提升至高位水箱,再依靠重力自流供水无疑是最可靠的二次供水技术,并且压力恒定。近期的工程设计中,这种方式往往被变频供水所取代。究其原因无外乎:高位水箱的设置增加了结构荷载,占用了建筑空间或妨碍了建筑物里面的美观,容易造成水质的二次污染。这里我们不妨分析一下水箱造成水质二次污染的原因。

4.1.1 早期的设计中,水箱材质一般为普通装配钢板,从水箱启用时就发生氧化。由于自来水中含有一定量的余氯,而且清洗消毒也使用氯制剂,有氧化腐蚀作用,加快了铁的氧化。氧化铁混入水中,污染了水质,增加了总铁含量,造成二次供水总铁超标并缩短了水箱的使用寿命。另外水箱补水管和出水管的材质早期一般为镀锌钢管,管材的腐蚀和老化也加剧了水箱水质的变化。

4.1.2 目前一部份水箱还存在消防和饮用水共用一个水箱的问题。水箱的上层水作为饮用,下层水作为消防用,中间无任何隔离层。饮用水的出水口设在水箱中段,下层水在不发生火灾的情况下等不到使用,也就得不到更换,成为死水,久之发生水质恶化。由于上层水为饮用水循环使用,需不断注入新水,当注入新水时,下层恶化的死水混入上层被人饮用。另一种情况是:此类水箱生活出水管弯曲伸入箱底,使下层水成为活水,这种方法表面上看似乎消灭了死水区,水箱内的全部水量在一段时间内得到更换,而实际上由于水在水箱内停留的时间加长,水质发生变化仍然不可以避免。

4.1.3 水箱容积设计不合理造成水在水箱内停留时间过长,细菌逐渐繁殖,导致水质恶化;施工不当导致入孔不严密,通气管或溢流管管径敞开,尘土、蚊虫等侵入,也使得水质遭受二次污染。

4.1.4 由于管理不善或其他人为因素的影响,水箱不能定时清洗以及没有定期的水质监控措施,久而久之造成水质恶化。

由此看来,水箱引起的污染问题也并非不可改善,取消水箱也并非完全杜绝污染。比如二次加压供水设施中供水泵吸水的断流水箱(池)依然存在,这类水箱往往设于建筑物的底层,发生污染的可能性相对于高位水箱更大。另外,由于取消高位水箱会失去一部份调节容积,从而降低了供水的可靠性。由此产生的高峰供水量增加问题也不可避免。

4.2 有关变频供水的节能问题

早在多年前,由于屋顶水箱水质的二次污染问题,水箱供水方式受到质疑。随着变频供水技术的发展,水箱供水方式逐渐被变频供水方式所取代。一般认为:1套变频调速供水设备在达到设计最大流量时,水泵运行处于高效区,而随着流量的减少,运行频率将成比例的递减至非常低的数值。而通过对一些正在运行的变频供水设备的调查和数据分析,却得出了不同的结论:随着管网流量的逐步减少,水泵转速及运行频率呈非直线型下降,当流量降到某一数值后,运行频率的变化就基本维持不变,致使水泵运行效率持续降低。也就是说,在某些日供水量变化曲线波动较大的系统中,变频水泵普遍在低效区运行,能耗远大于同等条件下采用工频水泵和高位水箱联合供水的方式。另外,某些设计方案配备水泵台数很少,在流量较小时单台水泵运行效率很低,长期运行也存在不节能问题。由此可见,变频供水方式节能只存在于理想状态,不可以一概而论。

4.3 有关直接加压供水系统选用应注意的问题

直接加压供水系统是指由水泵叠加市政供水管网水压,直接从市政供水管网中取水增压的供水方式。系统能够充分利用城市供水管网余压,环保和节能效果非常明显,是近年来迅速发展的二次供水技术。国家有关直接加压供水的技术规程也正在编制过程中。

但我们必须认识到,由于受到水源和电源情况的双重制约,在同等条件下这种方式是上述四种二次供水方式中供水可靠性较低的。系统设备一般由防污隔断单元、变频加压单元、压力补偿单元、压力变送器、微机控制单元和管路系统组成。市政管道水压和水量等条件的制约、防污隔断阀的设置、系统调节方式、供水方式等等都是直接加压供水值得关注的问题。如何解决好这些问题,是直接加压供水技术取得突破的关键。

5 二次供水系统的优化

二次供水系统有多种模式可以选择,其供水方案大概分以下几种:

方案1:市政管网—→低位水箱—→工频水泵—→高位水箱—→用户;

方案2:市政管网—→低位水箱—→工频水泵配气压水罐—→用户;

方案3:市政管网—→低位水箱—→变频水泵—→用户;

方案4:市政管网—→直接加压供水设备(水泵变频控制)—→用户;

前面我们已经得出结论,确定二次加压供水方式的要素包括:提高供水可靠性、减少污染、降低能耗等。基于这些因素,提出如下优化方案供大家探讨。

方案5:市政管网—→管网叠压供水设备(工频水泵)—→高位水箱—→用户;

显而易见,这个方案的优越性在于:

其一,在方案4的基础上增设了高位水箱,这部分调节容积增加了系统供水的可靠性。这种可靠性是方案234所不可比拟的,特别是在单电源情况下更加突出。

其二,借鉴方案4的优势,充分利用市政管道余压,同时减少了污染。

其三,由于采用工频水泵供水,使水泵工作经常处于高效段,达到节电的效果。取消变频控制也降低了工程的投资成本。

其四,系统流量可以不必以秒流量计而改为以设计小时流量计,选择水泵更经济。

其五,由于水泵吸水量降低,吸水管管径减少,更容易符合从市政管网直接吸水的条件要求。因此有理由认为,当对城市二次加压供水系统进行改造时,此方案值得优先考虑。

设置高位水箱增加了系统遭受二次污染的机会,通过水箱形状的变化、水箱和补水管材质的改进、生活和消防水箱分设、设计合理的水箱容积、增加水箱消毒设备以及定期清洗和水质监测等措施可以有效防止二次污染问题。这个方案存在的顶层用户配水点水头偏小问题可以在系统管道的设计上加以解决。

另外,我们还可以在方案3的基础上对低位水箱(水池)进行改造,形成一种常压环保型水罐,在减少污染的同时结合方案4充分利用城市管网水压,进一步达到节能的目的,从而得到另一种优化方案。

6结语

6.1 水质遭受二次污染的问题在我国许多城市中已逐渐显现。在另一方面,水资源严重匮乏是我国的国情。在众多城市中,设于建筑物内高位水箱的储水量其总数非常可观,客观上这些水箱为城市提供了大量的储备和调节水量,因此在对城市供水系统进行大规模改造时,不应该一概盲目取消高位水箱。所以如何减少水箱水质遭受二次污染是二次供水系统设计的一个重要依据。

6.2 据统计,建筑能耗已占全球能源总消耗的30%以上。从可持续发展角度来讲,在建筑给排水行业里二次供水的节能问题应该受到重视。

6.3 二次供水系统的安全、节能与环保等三个方面的因素在某种程度上存在一定的辩证关系。确定二次供水方案应符合当前国情,尽可能的均衡三者之间的关系。

6.4 有关二次供水要研究的问题是多方面的,改善系统的方法也比较多,盲目推崇或一味否定某种方式是不可取的。如何更好的提高理念,结合本地区市政供水实际条件进行优化设计,使系统更趋于合理使我们今后需要努力研究的方向。