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建筑水系统微循环重构关键技术研究与应用

时间:2019-01-16 10:29:33 来源:给水排水 作者:赵锂等

对建筑水系统进行全方位梳理,针对现状问题寻找具有针对性的技术解决方案。开展建筑水系统的水质安全(冷水、热水)、用水舒适度、排水性能、管材及设备、管理模式等方面的技术研究,衔接建筑供水与排水系统中用水的结合点,重新构建完整的建筑水系统,完成建筑水系统“重构”过程。看“小系统”如何解决大问题~

前言

十九大报告指出“推进资源全面节约和循环利用,实施国家节水行动,降低能耗、物耗,实现生产系统和生活系统循环链接”,“循环”成为提高资源利用效率的重要途径。建筑水系统既是城镇供水系统的终端,也是城市排水系统的始端,是生活用水从“供”转向“排”的转折节点,是水资源在城市水系统循环的重要节点。在传统的建筑水系统中,生活用水的流转过程,为“建筑给水系统”到“建筑排水系统”的单向流转,水从建筑给水系统经过生活用水过程排入建筑排水系统,再经城镇排水管网进入自然水系的过程。为响应国家“推进资源循环利用”的号召,提升水资源利用效率,住建部原副部长、国务院参事仇保兴提出城镇水务绿色转型的新理念:“重建微循环”的概念,将原来建造大型的基础设施的理念改为建设小型适宜的设施。在建筑中,污废水再利用的技术路线,除采用市政再生水或集中建筑中水系统技术外,通过将住宅户内的废水简单处理和户内就地回用的技术,体现了微循环的理念,提高水资源利用效率。建筑水系统也是城镇供水系统中最接近百姓生活的部分,建筑水系统的运转情况,对百姓生活产生最直接的影响。当前,我国建筑水系统的各环节,包括二次供水水质、二次供水运营管理模式、生活热水水质标准及安全、排水系统卫生安全性能等,还存在诸多人民群众不满意的地方,亟需对建筑水系统进行全方位梳理,针对现状问题形成具有针对性的技术解决方案。开展建筑水系统的水质安全(冷水、热水)、用水舒适度、排水性能、管材及设备、管理模式等方面的技术研究,衔接建筑供水与排水系统中用水的结合点,重新构建完整的建筑水系统,完成建筑水系统“重构”过程。

1 基于终端水质安全的建筑给水水质保障技术

城镇供水应保证从水源到用户龙头的全过程水质保障。城镇供水末端(建筑及小区内)是市政供水的最后一公里,其污染日趋严峻,水质安全状况堪忧,全国各地饮用水事故接连不断。因水质、水量及二供水设施安全方面的问题造成的居民生活风险加剧。地下供水管线受到污水渗水井污染,导致大肠杆菌超标引起饮用水污染;自来水出现浑浊、发黑的现象,还带有臭味,居民饮用后出现呕吐、腹泻症状。饮用水从水源至用户的过程中,在不同介质和界面尺度上发生着复杂的水质物理、化学、生物及其协同作用,导致水质转化,并最终产生健康风险。针对城镇供水末端最后一公里的用水水质安全问题,应从技术保障和管理保障两个方面,建立基于终端水质安全的建筑给水水质保障技术,建立生活热水的水质标准及技术保证,将二次供水水质安全保障率提升到100%,即通过二次供水设施后的用户处的水质符合《生活饮用水卫生标准》GB 5749的要求。解决最后一公里的水质安全的保障技术。

从技术保障上,构建了物理屏障、化学屏障、水龄保障、涉水材料保障等方面的多级屏障体系。在物理屏障上,针对建筑供水系统的水质污染特性,提出基于终端用户关注度(感官指标、生物指标及化学指标)的水质污染控制模式,建立了以膜滤、活性炭吸附为核心的建筑给水系统的物理屏障系统。在化学屏障上,形成了二次消毒和冲击消毒技术。一方面,评价了氯、二氧化氯、银离子、紫外线、高级氧化(光催化氧化)等以及不同复合形式的常用二次消毒技术在建筑给水系统的微生物灭活效能和副产物生成量及变化规律,构建出基于原位消毒与系统持续消毒相结合的复合消毒技术,解决采用生活水池(箱)供水的水质安全保障。验证了物化消毒方式在建筑给水和生活热水的二次消毒过程中消毒效能和适用性,构建出基于水力条件与消毒效果的建筑给水安全消毒技术;另一方面,明确了氯、二氧化氯、银离子、紫外线、热力等以及不同复合形式的冲击消毒方式的微生物灭活效能和副产物生成量及变化规律,构建出基于原位消毒方式与系统持续消毒方式相结合的复合冲击消毒技术。评价了常规消毒与物化消毒方式相结合的微生物灭活效果与影响因素,建立了建筑给水和生活热水安全消毒技术及控制方法。制定了《生活热水水质标准》(CJ/T 521-2018),填补了我国在生活热水水质标准中的空白,对保障人民生活健康提供了技术措施。对二次供水系统中的水箱、管道,提出至少每3个月冲洗和消毒一次的技术建议。在水龄保障上,提出了建筑给水管路系统改进措施,建立了建筑给水管道的水力循环系统。水泵供水干管的水在供给用水点后再回到水池(箱),经消毒设施消毒后再供给用水点;建筑室内给水管道通过双承口弯头,环状布置,连接用水点处无支状管道,消灭死水区,防止细菌超标。明确了建筑内给水管路系统内部回流的水质和水力优化特性,优化了水力条件和水力停留时间,改善了建筑给水系统的水力运行特性。在材料保障上,优化了管道材质,控制生物污染。通过对管材类型进行筛选,降低溶出污染物,提高管道使用寿命。提出了二次供水常用管材和主要设备综合评价方法。

从管理保障上,构建了二次供水管理技术与模式和二次供水信息管理系统。在二次供水管理模式上,提出了成立专业的二次供水管理单位进行“统建统管”模式,由供水企业组织人员进行市场化运作,管理范围由用户总水表至用户分表的二次供水设施,包括设施日常运转、养护、维修、更换,提出了新建和既有二次供水设施产权和管理职能移交的具体方式。构建了二次供水系统监控与管理平台,由监控中心和各个设备监测点组成,数据采集终端可监测二次供水系统各项数据,并传输汇集至监控中心,解决自来水公司对二次供水设备的数据采集、监控以及管理问题,实现了子站运行监控、巡检维护监控、救险抢修指挥、热线客服平台等功能。

基于终端水质安全的建筑给水水质保障技术,形成了多项标准规范,将研究成果进行了推广。包含国家标准《建筑给水排水设计规范》GB 50015(报批稿)、国家标准《数字集成全变频控制恒压供水设备》(报批稿)、行业标准《生活热水水质标准》(CJ/T 521-2018)、《二次供水工程技术规程》CJJ 140(报批稿),中国工程建设协会标准《集中生活热水水质安全技术规程》(T/CECS 510-2018)、《二次供水运行维护及安全技术规程》(T/CECS 509-2018),住宅科技产业技术创新战略联盟标准《二次供水设备与材料用与评价指南》(AFH-103-2018)以及《二次供水工程设计手册》、建筑给水排水设计人员的经典工具书《建筑给水排水设计手册》(第三版)。

2 建筑节水节能技术

针对作为给水系统设计、设备选用的基础数据,城镇建筑物用水量统计分析欠缺,节水节能产品不配套,节水技术关联性不强,未形成节水技术优化与集成应用等问题,在实测与调研统计建筑物用水量及用水规律的基础上,编制适合我国国情的建筑用水定额(最高日)和用水舒适度评价方法;开发基于水质安全的节水节能的关键技术,建立城镇建筑节水技术,形成适用于建筑物内部的循环回用节水成套技术,全面提高供水末端水质保障能力及节水率。

2.1模块化户内中水集成系统

由于市政再生水管线和再生水水厂建设与居民小区建设速度不同步,导致“节水三同时”制度(即同时设计、同时施工、同时交付使用)不能落地。市政再生水利用设施进入住户家庭内部的部分(便器水箱、管道、阀门、水表),实际上是属于居民自我管理的财产和空间,无法实施第三方强制监督和安全管理。由于住户装修时私自改接管道,将中水管道与生活饮用水管道连接(这是国家强制性条文禁止的),即使有了市政再生水,也不能再通水使用。后期通水,将存在严重的再生水污染自来水安全隐患。即使小区落成时能接入市政再生水,也不能直接入户使用,还需要小区内建设中水处理设施,处理达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 189202002)中冲厕的规定。市政再生水水质标准一般达到一级A标准或一级B标准,其水质指标与冲厕用水指标不完全相同。市政再生水直接入户,水质不能满足冲厕的安全要求。建筑或小区中水也存在无专业化的运行管理公司,中水处理设施不能正常运行的问题。研发的适用于住宅户内的循环回用的节水成套技术,收集洗脸盆、洗衣机和淋浴的优质杂排水,通过排水管道进入在户内设置的水处理主模块,通过过滤和消毒工序后用于便器冲厕。开发的侧立式安装方式,解决了卫生间降板的基建条件限制;优化了排水管件等关键部件和消毒工艺,通过即时消毒及定时消毒和多次过滤,结合水质传感器,实现了消毒系统的自动稳定控制运行,出水水质满足《城市污水再生利用 城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)的要求,并发布了行业标准《模块化户内中水集成系统技术规程》(JGJ/T 409-2017)。通过既有住宅住户的改造安装使用,近7个月跟踪评估,与原有卫生器具用水量比较,户均节水率达到30%。该技术已作为推荐技术应用于北京市共有产权房的建设中,技术符合“源头减排、就近使用、循序利用”的原则,是绿色的“微循环”。

2.2 终端用水舒适度的节水技术研究

针对不同人群,开展了不同使用终端(冷水龙头、冷热水混合龙头及淋浴器)在满足最佳使用感觉的前提下龙头出水的舒适水温、舒适流量及水压的实测,分析了影响舒适度的因素,开展了终端用水器具的出流特性研究,为给水系统设计提供了试验数据。形成基于终端用水舒适度的建筑节水节能关键技术。给出冷水龙头,静压在0.15~0.20 MPa之间,动压在0.11~0.14 MPa之间,流量在0.059~0.062 L/s之间,可满足设计要求,同时也能满足节水需求,可节水58.7%~60.7%;冷热水混合龙头,静压在0.20~0.25 MPa之间,动压在0.12~0.17 MPa之间,流量在0.068~0.077 L/s之间,可满足设计要求,同时也能满足节水需求,可节水48.7%~57.3%;淋浴器,静压在0.20 MPa,流量在0.13~0.15 L/s之间,温度在39.0~40.0 ℃之间,可满足设计要求,同时也能满足节水需求,可节水4.3%~17.7%。

2.3 二次供水节能特性比选

针对在建筑给水设计中多种二次供水系统形式并存、各系统节能性能存在差异问题,开展二次供水方式节能差异性能研究,制定合理的供水系统方式优选方案,为建筑给水行业中供水系统的正确选择提供依据。研发了供水能耗监测系统(物联网无线传输+数据存储),用于水泵供水特性分析。对现有二次供水方式的系统特性与能耗进行分析和研究,包括变频水泵直接加压供水(叠压供水),水泵、气压水罐供水,顶部水箱(或水塔)重力供水,水箱与水泵联合供水,局部并联、局部串联等供水方式。提出了不同用水规律下的建筑中合理的供水系统方式,在保证供水安全(水质、水量及水压)的前提下,最大程度降低建筑供水系统的能耗。主要包括以下部分:①变频水泵加压供水系统能耗研究。传统水池+变频水泵供水系统具有水量保证率高、对市政管网冲击负荷小等特点,测试变频水泵加压供水系统的供水能耗,确定该系统的平均节能效果以及供水能耗、供水量及供水压力的变化规律,给出该系统的高效应用范围。②屋顶水箱重力供水系统能耗研究。确定该系统的平均节能效果以及供水能耗、供水量及供水压力的变化规律,确定屋顶水箱重力供水系统的适用范围。③用水器具与供水系统的节水特性评价技术研究。针对节水产品样式多、节水原理差异大、直接影响系统的供水压力、造成系统的耗水耗能等方面问题,开展用水器具的用水定额研究,研究水嘴(水龙头)器具出流量、单次用水供水量、单次使用时间、不同工作压力等因素与用水效果的关系,确定水温调节和流量限制功能的淋浴器用水定额;在保证卫生要求条件下,提出便器最小冲洗用水量,制定用水器具节水节能的技术评价方法。开展用水器具与供水系统的节水特性评价技术研究,针对建筑供水系统中不同特性用水器具导致的建筑供水系统压力变化而引起的用水量变化问题进行研究,制定用水器具设置与供水系统方式选择的优选方法,建立用水器具与供水系统特性的节水性能评价技术。

3 建筑排水卫生性安全保障技术

针对建筑排水系统性能评估不健全、排水预测不清晰、安全保障不充分等问题,搭建了排水系统排水能力评测与监测体系,建立了超高层排水系统性能预测模型及方法,形成了排水系统卫生安全性能保障技术体系。利用高度为122.9 m的中国首座、世界最高的高层建筑实验塔,开展了数万次足尺试验,创造性地提出了瞬间流量法,并建立了标准的测试方法和测试流程,完成了国内首部住宅生活排水系统立管排水能力测试的行业标准《住宅生活排水系统立管排水能力测试标准》(CJJ/T 245-2016),弥补了我国住宅排水系统立管排水能力测试的不足。构建了排水系统内部空气场和水流状况的模拟计算模型,建立了预测高层建筑排水系统排水能力的数学模型,填补了国际上目前建筑排水能力预测领域的空白。针对建筑排水系统卫生安全性能,基于大量足尺试验比对数据,提出了“排水系统卫生安全度”的概念,直观表达系统的卫生安全性能;研发了高水封保持能力地漏、存水弯产品;系统性地提出了高层建筑高安全性能排水系统的构成与构造技术,涵盖了建筑排水系统的户内横支管系统及地漏、存水弯产品构造、排水立管系统和排出管系统,系统整体卫生安全度达到112.0%,部分成果已纳入国家标准《建筑给水排水设计规范》GB 50015(报批稿)的修订内容,为提高我国建筑排水系统卫生安全保障水平提供了有力支撑。

4 成果应用

课题由中国建筑设计研究院有限公司承担,联合北京工业大学、中国建筑标准设计研究院、北京建筑大学、天津市华澄供水工程技术有限公司、天津生态城建设投资有限公司、沈阳水务集团有限公司、北京交通大学、山东建筑大学、重庆大学、同济大学等10家参加单位,共同开展了4年的研究。成果应用类型丰富,结合综合技术示范实现了关键技术应用,通过标准规范编制实现了重点成果推广,开展科技成果转化实现了设备市场应用。①在综合示范方面,开展了水质安全保障技术、热水消毒技术示范、节能节水技术、雨水和灰水循环利用技术、排水系统反臭气控制技术等单项和综合示范,示范工程总面积达到60万m²。②二次供水管理模式及监控平台示范,供水人口超过100万。③在标准规范方面,课题编制的标准规范12项,其中9项已经正式实施,3项已报批,将课题在给水、节水、排水卫生等方面的重要研究成果,用于指导建筑给水排水的各项工程建设。④在成果转化方面,课题形成的银离子消毒装置,模块化户内中水回用系统,高水封保持能力的地漏,在现有的科研成果基础上对其应用产品化,均形成产品并在实际建筑工程中得到应用。

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