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（华北电力大学（保定）能源动力与机械工程学院 河北保定 071000）
摘要：高层楼房排放的废水仍具有很大的势能，直接排掉造成了很大的能源浪费，笔者针对这种现象，设计一种用于高层建筑的新型节能中水供水系统，本设计的原理是将高层建筑排水的势能通过一种新型压力罐传压来作为中低层中水供水的动力，从而回收利用高层排水的势能，达到节能的目的。
关键词：高层建筑中水给水 节能 废水收集水箱 压力罐
1、前言：
随着能源危机的日益加重，节能减排如今已成为全世界共同关注的热点话题。我国建筑耗能约占社会总能耗的三分之一，建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的三大“耗能大户”，因此建筑节能越来越受到人们的重视，建筑给排水涉及生活、生产的各个领域，其所消耗的能源在建筑能耗中占相当大的比例，建筑给排水节能在整个建筑节能工程中具有极其重要的地位。
2、设计方案
2.1、方案综述
笔者通过现有给排水中存在的问题，设计出一种用于高层楼房的新型节能中水供水系统，充分利用排水势能，达到节能的目的。下面以某30层普通住宅中水供水系统为例，来介绍本系统的工作原理和过程。
（参考图1）由于楼房较高，该建筑采用的为串联水泵、水箱给水方式，建筑所用中水来自于建筑小区中水系统。新设计在原有的中水给水系统的基础上，增添废水收集水箱和压力罐等设备，构成一套新型中水供水系统。
首先本装置利用废用水收集水箱将高区用户排优质杂排水进行收集、储存，然后通过承压管道与压力罐相连，利用高区废水收集水箱中废水的高度水头产生的压强将预先充入压力罐的中水压入中区的中水供水水箱，这样，原来安装于地下中水储水箱处的水泵就可以省去（后文有详细论证），一来省去了原有的水泵的成本费，二来也省去了水泵工作时所消耗的电能，从而达 图1
到节钱节能的目的。
2.2、压力罐设计及运行
2.2.1、压力罐的设计
笔者所设计的压力罐的工作原理与隔膜式气压罐相似，所不同的是本装置是通过液体压液体来实现压力的传递。目前隔膜式气压罐技术已经非常成熟，工作时的最大承压能力可达1.6mpa，即160米高度水柱产生的压强，采用气压罐的气囊材料和密封方法完全可以保证50米水柱在液压过程中工作的可靠性和安全性，但考虑到橡胶气囊老化或其他意外情况发生，同时考虑到废水与中水水之间必须严格隔开，笔者设计的压力罐通过采用双层隔膜的方法，来大大减小漏水的可能性；并且在里外两层隔膜之间充入气体夹层，同时在两层隔膜之间安装湿度感应器，外接报警装置。这样一来系统发生漏水的几率就很小了，并且做到当压力罐发生漏水故障时能第一时间发现，及时停止该系统的工作进行检修。
2.2.2、压力罐工作原理和运行过程
压力罐的工作过程可分为两个阶段。
第一阶段：中水充入、废水排出。由于压力罐设置在中水储水箱的高度之下，在水位产生的压差作用下，中水通过止回阀进入压力罐内中水充水区。此时电动三通阀的通道a开启，通道b关闭，这样实现了压力罐中水水充入、废水排出过程。
第二阶段：废水充水，中水上供。该过程的实施方案如下：当生活废水收集水箱中液位达到设定的水位时，电接点压力表会将测得的压力信号传递给控制器，控制器控制电动三通阀动作，此时通道a关闭，通道b开启，生活废水进入废水充水区，在压差作用下将中水经过止回阀压入中区中区水箱，这样实现了压力供水罐废水充水、中水上供的过程。
图2 图3
2.3、废水收集水箱安装高度的确定
本系统只有在废水收集水箱与中区中水水箱之间的高度差适当时才能正常高效的运作，下面仍以上文案例为例，通过一定的水利计算来说明两者之间高度差的确定方法。
参考图2，该建筑内地面下中水储水箱与中区中水水箱之间的高差约为50米（约15层楼的高度），横向管路长度取10米。用假定流速法进行水利计算：假定压水工程中管内的流速为v=1m/s，设计工作流量为25 m3/h，则由体积流量 ，可得管道管径d=0.103m= 103mm通过查《建筑给排水设计手册》可选取D108x3.5的钢管，其流速v=0.9 m/s，比摩阻R=17 mm，实际工作流量为Q=28.08 m3/h。
取管道总长为L=110m（废水管、供水管各约50m，水平管道长10m），
压力罐内的外褶皱型隔膜、内褶皱型隔膜为环形褶皱，它们展开后所具有的表面积内表面积与压力罐的内表面积近似相等，这样在压水过程中隔膜自身便不会产生张力，大大减少其产生的阻力。因此本系统所需要克服的局部阻力便与生活供水所需克服的局部阻力近似相同，生活供水局部阻力损失的计算可按占沿程阻力损失的25%-35%进行，这里取所占比例的最大值k=35%。
则总阻力损失△P为：
△P =L×R（k+1）=110×17×1.35=2524.5mmH2O=2.5mH2O
即只需要废水收集水箱与中区中水水箱的高度差为2.5 m，就能克服管道内的总阻力损失，实现节能供水。
3、 经济效益分析
仍以上文所述案例为例进行分析。通过查阅建筑给排水设计手册，可得在室内有给排水卫生设备，并有沐浴设备及集中热水供应的普通居民住宅建筑内，用水定额取q=250L/（人·d） ，小时变化系数取Kh=2.6，用水时间t=24h，该小区居民户数为180户，每户平均人数选取3.5人，由此可得出最高日用水量为：
Q=q*3.5*180=157.5 m3，
冲厕用水量取q1=60L/（人·d），这部分水由粪便污水排水系统排出，不进行收集，水量为：
Q1=q1*3.5*180=37.8 m3 这样可以收集的生活杂排水水量为：
Q2= Q - Q1=119.7 m3
这样由于废水收集处理水箱设置在15层高处，此时水箱内收集的日废水量为总供水量的1/2，即：Q3=1/2Q=59.85 m3
水量损失取10%，则最终用来压中水的水量为：Q4=0.9*Q3=53.86 m3
中水用水定额取q2=70 L/（人·d），则日中水需求量为：
Q5=q2*3.5*180=44.1 m3
由于可供中水量Q大于中水需求量，且富裕系数k= Q4 / Q5 =1.22
由此可得，原来设置于地下的加压水泵省去。
本系统的节能在于用收集来的废水压中水，每日可节约能量：
E=Q*1000*g*h=53.86*1000*9.8*50=26391400 J= 7.3309kw.h
取水泵效率为0.6，则每日可节约的电能为
E=E/0.6=12.218Kw.h
系统初投资为一个废水收集水箱、一段长约50m的承压管道以及一个压力罐及部分管件，同时省去了原有系统的加压水泵，由于废水收集水箱只是用来暂时收集废水，工艺要求相对较低，工程造价初步取2500元左右， 新增大约50米的承压管段，价格约为40元/米，需投入大概2000元，压力罐成本可取2000元，另外新增电动三通及控制装置造价取500元，原系统中高扬程水泵成本为5000元每台，这样一来，用于本文所探讨的案例的本系统的一次性投资相比原系统增量约为：V=2500+2000+2000+500-5000 = 2000元。
在本文所探讨的案例中本系统每日可节约电能12.218度，若每度电价取0.5元，则每年可节能E=12.218kw.h*360=4398 kw.h，
折算成电费为每年可节钱2199元。
由上文分析可见本系统只需一年的时间便可将初投资多出的部分收回，而我国民用建筑使用周期一般约为70年，这样一来本系统便有极大的节能节钱空间。
4、总结
本文介绍了一种用于高层楼房的新型节能中水供水系统的设计方案，通过上文的论证分析，本套系统具有很高的科学性和可行性，可以大大减少高层建筑的中水供水耗能，推动中水利用的发展，同时具有很好的经济效益，为高层建筑给排水节能提供了新的思路和方向，在当今世界能源危机日益加重，水资源日益减少，建筑节能节水作为重点节能工程之一，得到各国家的高度重视的情况下，本系统具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1] 于强，原鹏，王吉刚.高层建筑给排水节能方案实例分析，节能[J]，2012，（9）： 56-59
[2] 彭勃，骆芳.超高层建筑给排水设计实例及几点思考，科技世界[J]，2012，（11）：155—157
[3] 关鸿滨.中水水箱技术研究 山西建筑 [J]，2002，[5]：88—89
摘要：高层楼房排放的废水仍具有很大的势能，直接排掉造成了很大的能源浪费，笔者针对这种现象，设计一种用于高层建筑的新型节能中水供水系统，本设计的原理是将高层建筑排水的势能通过一种新型压力罐传压来作为中低层中水供水的动力，从而回收利用高层排水的势能，达到节能的目的。
关键词：高层建筑中水给水 节能 废水收集水箱 压力罐
1、前言：
随着能源危机的日益加重，节能减排如今已成为全世界共同关注的热点话题。我国建筑耗能约占社会总能耗的三分之一，建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的三大“耗能大户”，因此建筑节能越来越受到人们的重视，建筑给排水涉及生活、生产的各个领域，其所消耗的能源在建筑能耗中占相当大的比例，建筑给排水节能在整个建筑节能工程中具有极其重要的地位。
2、设计方案
2.1、方案综述
笔者通过现有给排水中存在的问题，设计出一种用于高层楼房的新型节能中水供水系统，充分利用排水势能，达到节能的目的。下面以某30层普通住宅中水供水系统为例，来介绍本系统的工作原理和过程。
（参考图1）由于楼房较高，该建筑采用的为串联水泵、水箱给水方式，建筑所用中水来自于建筑小区中水系统。新设计在原有的中水给水系统的基础上，增添废水收集水箱和压力罐等设备，构成一套新型中水供水系统。
首先本装置利用废用水收集水箱将高区用户排优质杂排水进行收集、储存，然后通过承压管道与压力罐相连，利用高区废水收集水箱中废水的高度水头产生的压强将预先充入压力罐的中水压入中区的中水供水水箱，这样，原来安装于地下中水储水箱处的水泵就可以省去（后文有详细论证），一来省去了原有的水泵的成本费，二来也省去了水泵工作时所消耗的电能，从而达 图1
到节钱节能的目的。
2.2、压力罐设计及运行
2.2.1、压力罐的设计
笔者所设计的压力罐的工作原理与隔膜式气压罐相似，所不同的是本装置是通过液体压液体来实现压力的传递。目前隔膜式气压罐技术已经非常成熟，工作时的最大承压能力可达1.6mpa，即160米高度水柱产生的压强，采用气压罐的气囊材料和密封方法完全可以保证50米水柱在液压过程中工作的可靠性和安全性，但考虑到橡胶气囊老化或其他意外情况发生，同时考虑到废水与中水水之间必须严格隔开，笔者设计的压力罐通过采用双层隔膜的方法，来大大减小漏水的可能性；并且在里外两层隔膜之间充入气体夹层，同时在两层隔膜之间安装湿度感应器，外接报警装置。这样一来系统发生漏水的几率就很小了，并且做到当压力罐发生漏水故障时能第一时间发现，及时停止该系统的工作进行检修。
2.2.2、压力罐工作原理和运行过程
压力罐的工作过程可分为两个阶段。
第一阶段：中水充入、废水排出。由于压力罐设置在中水储水箱的高度之下，在水位产生的压差作用下，中水通过止回阀进入压力罐内中水充水区。此时电动三通阀的通道a开启，通道b关闭，这样实现了压力罐中水水充入、废水排出过程。
第二阶段：废水充水，中水上供。该过程的实施方案如下：当生活废水收集水箱中液位达到设定的水位时，电接点压力表会将测得的压力信号传递给控制器，控制器控制电动三通阀动作，此时通道a关闭，通道b开启，生活废水进入废水充水区，在压差作用下将中水经过止回阀压入中区中区水箱，这样实现了压力供水罐废水充水、中水上供的过程。
图2 图3
2.3、废水收集水箱安装高度的确定
本系统只有在废水收集水箱与中区中水水箱之间的高度差适当时才能正常高效的运作，下面仍以上文案例为例，通过一定的水利计算来说明两者之间高度差的确定方法。
参考图2，该建筑内地面下中水储水箱与中区中水水箱之间的高差约为50米（约15层楼的高度），横向管路长度取10米。用假定流速法进行水利计算：假定压水工程中管内的流速为v=1m/s，设计工作流量为25 m3/h，则由体积流量 ，可得管道管径d=0.103m= 103mm通过查《建筑给排水设计手册》可选取D108x3.5的钢管，其流速v=0.9 m/s，比摩阻R=17 mm，实际工作流量为Q=28.08 m3/h。
取管道总长为L=110m（废水管、供水管各约50m，水平管道长10m），
压力罐内的外褶皱型隔膜、内褶皱型隔膜为环形褶皱，它们展开后所具有的表面积内表面积与压力罐的内表面积近似相等，这样在压水过程中隔膜自身便不会产生张力，大大减少其产生的阻力。因此本系统所需要克服的局部阻力便与生活供水所需克服的局部阻力近似相同，生活供水局部阻力损失的计算可按占沿程阻力损失的25%-35%进行，这里取所占比例的最大值k=35%。
则总阻力损失△P为：
△P =L×R（k+1）=110×17×1.35=2524.5mmH2O=2.5mH2O
即只需要废水收集水箱与中区中水水箱的高度差为2.5 m，就能克服管道内的总阻力损失，实现节能供水。
3、 经济效益分析
仍以上文所述案例为例进行分析。通过查阅建筑给排水设计手册，可得在室内有给排水卫生设备，并有沐浴设备及集中热水供应的普通居民住宅建筑内，用水定额取q=250L/（人·d） ，小时变化系数取Kh=2.6，用水时间t=24h，该小区居民户数为180户，每户平均人数选取3.5人，由此可得出最高日用水量为：
Q=q*3.5*180=157.5 m3，
冲厕用水量取q1=60L/（人·d），这部分水由粪便污水排水系统排出，不进行收集，水量为：
Q1=q1*3.5*180=37.8 m3 这样可以收集的生活杂排水水量为：
Q2= Q - Q1=119.7 m3
这样由于废水收集处理水箱设置在15层高处，此时水箱内收集的日废水量为总供水量的1/2，即：Q3=1/2Q=59.85 m3
水量损失取10%，则最终用来压中水的水量为：Q4=0.9*Q3=53.86 m3
中水用水定额取q2=70 L/（人·d），则日中水需求量为：
Q5=q2*3.5*180=44.1 m3
由于可供中水量Q大于中水需求量，且富裕系数k= Q4 / Q5 =1.22
由此可得，原来设置于地下的加压水泵省去。
本系统的节能在于用收集来的废水压中水，每日可节约能量：
E=Q*1000*g*h=53.86*1000*9.8*50=26391400 J= 7.3309kw.h
取水泵效率为0.6，则每日可节约的电能为
E=E/0.6=12.218Kw.h
系统初投资为一个废水收集水箱、一段长约50m的承压管道以及一个压力罐及部分管件，同时省去了原有系统的加压水泵，由于废水收集水箱只是用来暂时收集废水，工艺要求相对较低，工程造价初步取2500元左右， 新增大约50米的承压管段，价格约为40元/米，需投入大概2000元，压力罐成本可取2000元，另外新增电动三通及控制装置造价取500元，原系统中高扬程水泵成本为5000元每台，这样一来，用于本文所探讨的案例的本系统的一次性投资相比原系统增量约为：V=2500+2000+2000+500-5000 = 2000元。
在本文所探讨的案例中本系统每日可节约电能12.218度，若每度电价取0.5元，则每年可节能E=12.218kw.h*360=4398 kw.h，
折算成电费为每年可节钱2199元。
由上文分析可见本系统只需一年的时间便可将初投资多出的部分收回，而我国民用建筑使用周期一般约为70年，这样一来本系统便有极大的节能节钱空间。
4、总结
本文介绍了一种用于高层楼房的新型节能中水供水系统的设计方案，通过上文的论证分析，本套系统具有很高的科学性和可行性，可以大大减少高层建筑的中水供水耗能，推动中水利用的发展，同时具有很好的经济效益，为高层建筑给排水节能提供了新的思路和方向，在当今世界能源危机日益加重，水资源日益减少，建筑节能节水作为重点节能工程之一，得到各国家的高度重视的情况下，本系统具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1] 于强，原鹏，王吉刚.高层建筑给排水节能方案实例分析，节能[J]，2012，（9）： 56-59
[2] 彭勃，骆芳.超高层建筑给排水设计实例及几点思考，科技世界[J]，2012，（11）：155—157
[3] 关鸿滨.中水水箱技术研究 山西建筑 [J]，2002，[5]：88—89