高層建筑生活給水系統豎向分區數量的技術經濟性分析
高層建筑生活給水系統豎向分區數量的技術經濟性分析
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，一是為了保證用戶正常用水，二是為了節能。正常用水主要是防止配水點水壓過高引起濺水，同時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，由市政管網直接供水的用戶數量是確定的，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個區，近似認為每個區的流量為Q/n, 并降加壓供水區域立管水頭損失h平均分配到n個區中，則第m（1≤m≤n）個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，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，結果將會有什么變化？下面針對此點進行闡述。首先以加壓供水區域豎向分為兩個區的情況進行分析。
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，Ex取得最小值，此時
2·Zx-（Z1+Z2）=0
得Zx=（Z1+Z2）/2
即當豎向按高度平均分為兩個區時最為節能。當分為兩個以上區時亦有相同結論。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多是不現實甚至是不合理的，因為每增加一個分區，相應會增加一套加壓設備，直接增加了工程初期投資。下面通過工程實例分析如何同時考慮節能與造價兩方面問題而合理確定分區數量。
豎向不分區時年耗電量：
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，水泵造價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，運行電費與水泵造價同時決定總費用的高低。隨著分區數量的增加，總費用呈現上下波動的趨勢；
4、 當豎向分區數量大于等于兩個的情況下，不管水泵使用壽命如何，水泵造價都決定了總費用的高低。隨著分區數量的增加，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，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區，只有當小區總人數過多，分兩個區造成水泵流量過大不易選型時才分為三個區。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，但總體而言其經濟性還是比較明顯的。尤其在整個經濟背景不甚樂觀，行業各環節注重降低成本的今天，其經濟性更能得到體現。
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