高层建筑水箱供水能量效率的提高

高层建筑水箱供水能量效率的提高C.T.Cheung,K.W.Mui,L.T.Wong香港理工大学建筑工程系重点：1·我们评估建筑水箱的供水的能量效率；2·建筑水箱的位置布置影响水泵的能量使用；3·我们建立一个数学模型来得到最佳的解决方案；4·我们用在香港二十二个建筑上得到的数据来检验模型；5·香港的潜在的能量节省将达到410TJ。文章来源：文章修订历史1、标准版：2012,5,16；2、修订版：2012,10,2；3、公认版：2012,10,19；4，网络版：2012,11,17；关键字：建筑，供水，能源效率，水消费，水箱位置摘要高层建筑是人口密集城市发展的趋势，与此同时建筑给水和温室气体的排放都要增加。本文通过安排水泵的位置来找到最好的高层建筑供水系统设计方案和水泵的能量模型。为了证明方案是有用的必须要建立一个整合能量损耗到满足各种建筑需求和使用模式的城市供水的计划之中的最佳设计方案，并且22个香港的高层居民建筑的数据都是通过实地测量得出来的。结果显示22个高层建筑的供水效率大概为0.25，通过重新放置水箱的位置可以把这一数值提高到0.26-0.37。这相当于一年可以节约160-410TJ的电力，这相当于香港全年的0.1%-0.3%的用电量。1、介绍高层建筑在全世界的人口稠密的城市是一种发展趋势，同时也增加了供水系统的能量损耗。研究表明，从净化水厂供水到家庭用户的能量损耗占了大约45%的供水系统的能量损耗。香港，是一个在丘陵地带的建筑土地资源有限的城市，所以高层建筑是香港发展的一种趋势。事实上，很多最近刚刚建成的政府资助的住宅大楼都已经超过了四十层或者超过一百米，而且，现在城市的平均住宅高度预计已经超过了25.8层。每年总共的耗水量大约为1200兆吨，并且在2030年将会上升到1315兆吨。相对的，根据以下公式：60)1(2.16.3punpBpumpvNE计算，建筑供水系统大约占了整个香港城市电力使用的1.6%，其中，pumpE是以水泵的抽水速度pumpV抽取一定体积的水用的能量，BN(=25.8)是平均的建筑高度，常数3.6和60是用于单位转换，“1”表示额外的超出建筑最高层的泵的扬程，1.2表示泵和电动机效率，水管的摩擦力以及各层建筑物高度的总和。因为在香港接市政水管的水压不足以达到大多数的高层建筑物的最高的供应要求，所以屋顶的重力位能贮存罐都是设计成向下供水的方式。为了最小化由于低区低用水量而导致的供水管的水的过剩和损失，通过使用减压阀可以保持适当的工作水压限制（例如100-450kPa）。如今高层建筑普遍使用有可调节装置和螺纹连结的减压阀是为了最大保证供水应用的灵活性。专业术语）面积（2mAIII表示一和二--表示出水头压力--C表示一年一次--a）能量（MJE建筑物层数--B每年和每天的能量--,daEE水箱底--b重力--g水箱底入口--c水柱的压力H天数--d）高度（m--h上水管的压力fn...1,2ji--ji，，，建筑物层数计算，，楼层对楼层ff数量N低区L）居住面积比（mpsO2水位提升l）体积（mV3出口o）单位时间的需水量（m3v输出out能量效率--水泵pump全部的传输效率--c居住者s电动机传输效率--e高区--U机械传输效率m％百分比--水泵效率--p之间和随机数10--水密度--尽管能源效率是一个可持续发展的主要问题，但是现在的高楼大厦没有测量系统可以解决高层建筑供水系统操作的优化设计。设计解决方案应该大力发展把能源有效的融入水规划过程中以便节约能源，减少浪费和保护我们的环境。本文提出了一种在建筑给水系统的设计的能源效率方案。在香港的一些高层建筑的验证测量是为了示范评价性模型的适用性。一些系统设计的能源性能指标和节能的潜在性都可以推出来。2、建筑给水系统的能源效率通过提高蓄水池的高度来给水已经实现了。这种思路已经被普遍接受，通过在屋顶设置一个水箱。然而，这两个系统在能源效率方面是不相同的。（1）说明这两种供水系统的设计：（a）是通过一点点高度差来实现供水的储水池（比如镇上最高的水塔）；（b）是通过很大的高度差来实现供水的屋顶水箱（比如屋顶最高处的水箱）。对于高层建筑，系统设计是由给水提升量以及给定的高度比来确定的。（2）（1nh-h）是在最高的高度减去最低的高度之间的高度差，1h是水提升的高度。11n*1hh-hh，水提升的高度1h是从水箱的底部到水箱的入口的总的高度差，大约是总的水箱的体积，高度差是在需求的高度n和水箱的底部bh之间，并且是在水的表面（屋顶蓄水池或者断流池）和高峰需求量nh之间。表格一选择建筑给水系统的设计参数水泵效率p0.65机械传动效率m0.90电动机效率e0.9总储水罐的体积cV27高度差bh10最低需求的位置高度1h1最高需求的位置高度nh≧10水箱入口到水箱底部的高度ch3水头损失fH0.1lh允许的最低的水头压力OH5居住着面积比sO私人住宅0.085（0.03）0.096（0.04）每年每人的耗水量（淡水）海水70（13）22（10）偏差显示在括号中31~;CcncblVhhhhh(3)系统设计（a）和（b）的扬程分别为0**llhoh和，对于一个高层建筑，比例*lh~1主要取决于供水高度nhh~1和ncbhhh。理想的水压力水头的最小值oh据说在某些实际是五米水压，假设在这个需求点和摩擦水头fh要求在供水管道中作为总管道的一部分（10%的lh）ffhHH1.0;50（4）考虑到要沿着建筑高度需求均匀分布，设计方案（a）和（b）的需求高度ih如下，其中i=1,2,3,...n{ffnnnChhhhhhhhhhh12312*121*1...:0...:0(5)outE,(MJ)水的势能高度ih在下面都给出来了，是水的密度，g是重力加速度，nihvgEhiiiouti,...,2,1;:*（6）这个公式在两个方案中改写后为：{)2(:0:01*1*1noutnouthhgnvEhgnvhEh（7）两个方案的输入能量通过提升水的高度到达箱子的能量pumpE按照下面定义，其中c方案全部的传输效率：ccbnfocpumphhhHHgnvgnvhEh)(:1*1（8）能量效率是输出的能量除以输入的能量的比值，同时也是泵浦能的性能的一种测量。能量效率是由供水系统的高度，水管的摩擦以及需用压头决定的。;pumpoutEE{)(1.15)2(:0)(1.15:01*1*1cbncncbncnhhhhhhhhhhh（9）表格一陈列了一些建筑给水系统的设计参数的例子。一个最大需求量高度大于等于十米时例如一个三层的房子。设计的全部的能量传输效率c占有50-80%的水泵效率，大约90-100%的机械传输效率，而且70-90%的电动机效率。为简单起见，假设效率都是固定的，5625.0,9.0,9.0,65.0cempempc（10）根据图二，*1h的范围为零到一的水供应系统设计的能源效率的值在使用了表格一中的数据都接近0.5和0.25对于0*1h和0*1h的都有各自的增高高度nh{nncnncnncnnchhhhhhhhhh2.26.38)1()13(1.15)21(:01.13.19)13(1.15:0*1*1（11）:nh{25.0~2.2~:05.0~1.1~:0*1*1cchh（12）人们指出香港现在的达到300米高层建筑，方案（a）和（b）的能源效率的分别为0.44和0.24，oncbHhhh,,,等设计参数对能源效率的提升有很大的帮助。3、水需求模型下面的水需求的模型是通过计算每天的耗水量而的出来的。通过居民楼的家用洗手间建立的随机模型可以最优化储水箱的位置。平均每天每层的耗水量（dsv,）是由qE来决定的。对香港有空调的办公室进行室内环境效率的评估，isN,是每层的居住的人数，dsv,是平均每人的耗水量，iso,为居住者面积比，iA是总共的住宅面积，iisisdsisdiAONvNv,,,,,;（13）很多相似的研究通过在表格一种给出的参数分配函数来研究局部地区的人均占有面积比，周末以及节假日每小时的的负载变动以及平均每天建筑物中的水的消耗速度。对香港有空调的办公室进行室内环境效率的评估能够决定蒙特卡罗模拟dsv,的百分位，)1,0(,isO可以通过sdsOv~,~,的得到分布函数来，其中是属于（0,1）的任意数。