建筑给水排水系统节能设计要求
建筑给水排水系统节能设计要求
徐凤
(上海建筑设计研究院有限公司，上海200041)
国家标准《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2005）全面修订增加了给水排水节能设计要求。节水与节能是密切相关的，为节约能耗、减少水泵输送的能耗，应合理设计给水、热水、排水系统，正确计算用水量及合理选用水泵等设备，通过节约用水达到节能的目的。集中热水系统是给水排水设计的主要能耗系统，在设计时应注意热源的选择、水加热或换热站室布置位置、管道布置和保温等设计，力求减少热损失，从而达到降低能耗的目的。
我国建筑用能约占全国能源消费总量的27.5%，并将随着人民生活水平的提高逐步增加到30%以上。在公共建筑的全年能耗中，供暖系统的能耗约占40%~50%，照明能耗占30%~40%，其他用能设备约占10%~20%。公共建筑在围护结构、供暖空调系统、照明、给水排水以及电气等方面，有较大的节能潜力。
《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2005）全面修订版中增加了给水排水、电气和可再生能源应用的相关内容，提出了节能设计要求。笔者参加了该标准修订编制工作，本文向读者介绍该标准中给水排水系统节能设计的主要内容，在给水排水系统设计满足安全、卫生、适用的前提下，同时应注意满足节水、节能的设计要求。
建筑给水排水专业的节能要点是给水泵的能耗和集中热水系统的能耗。
1 节水与节能
节水与节能是密切相关、存在着内在联系的关系。为节约能耗、减少水泵输送的能耗，应合理设计给水、热水、排水系统，正确计算用水量，合理选用水泵等设备，通过节约用水达到节能的目的。
1.1 合理选用用水定额
合理设计给水、热水、排水系统，正确计算用水量，首先应根据工程项目的功能、使用人数等，合理选用用水定额。国家现行标准《建筑给水排水设计规范》（GB 50015—2003，2009年版）表3.1.10列出了最高日用水定额、小时变化系数等。当使用人数（或单位）较多时应选用较小的用水定额和较大的小时变化系数计算最高日和最大时用水量；当使用人数（或单位）较少时应选用较大的用水定额和较小的小时变化系数计算最高日和最大时用水量。例如，1 500床的三级甲等医院工程项目，属超大型医院，使用人数（或单位）较多，计算最高日用水量、最大时用水量时，应选用最高日用水定额的下限值100 L/（床·d），小时变化系数选用2.5。如果仍选用最高日用水定额的上限值200 L/（床·d）计算最高日用水量就不合理了，最高日用水量翻倍增加，导致给水水箱容积过大、给水泵的流量增加、给水管道管径加大等，且由于给水泵的流量增加，用电功率增加，能耗增加，不符合节能设计要求。所以，设计人员应根据工程项目的功能、使用人数（或单位）等，合理选用用水定额，节约用水，继而减少能耗。
《民用建筑节水设计标准》（GB 50555—2010）表3.1.2列出了平均日生活用水节水用水定额，全年用水量计算、非传统水源利用率计算等应按《民用建筑节水设计标准》(GB 50555—2010)有关规定执行。需要注意建筑功能或给水设备的实际使用时间、使用天数，不能一概按365天计算全年用水量，如办公楼的使用天数应减去休息日，又如冷却塔的使用时间段与空调系统使用时间一致。
1.2 计量要求
《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)修订版要求：“应根据不同建筑类型、不同用水部门和管理要求分设计量水表”，“有计量要求的水加热、换热站室，应安装热水表、热量表、蒸汽流量计或热源计量表”。
《民用建筑节水设计标准》(GB 50555—2010)对设置用水计量水表的位置作了明确要求。冷却塔循环冷却水、游泳池和游乐设施、空调冷热水系统等补水管上需要设置用水计量表；公共建筑中的厨房、公共浴室、洗衣房、锅炉房、建筑物引入管等有冷水、热水量计量要求的水管上都需要设置计量水表，控制用水量，达到节水、节能要求。
有集中供应热水系统时，对于热源有计量要求的水加热、换热站室，应安装热水表、热量表、蒸汽流量计或热源计量表。通过对热媒、热源计量以便控制热媒或热源的消耗，落实到节约用能。
当集中供应热水系统热媒采用热媒水，水加热、热交换站室的热媒水仅需要计量用量时，可在热媒管道上安装热水表，计量热媒水的使用量。水加热、热交换站室的热媒水需要计量热媒水耗热量时，在热媒管道上需要安装热量表。热量表是一种适用于测量在热交换环路中，载热液体所吸收或转换热能的仪器，通过测量热媒流量和焓差值来计算出热量损耗。在水加热、换热器的热媒进水管和热媒回水管上安装温度传感器，进行热量消耗计量。热水表仅可以计量热水使用量，但是不能计量热量的消耗量，故热水表不能替代热量表。
当集中供应热水系统热媒为蒸汽时，在蒸汽管道上需要安装蒸汽流量计进行计量。当集中供应热水系统水加热的热源为燃气或燃油时，需要设燃气计量表或燃油计量表进行计量。
2 给水系统设计降低能耗
《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)修订版要求：“给水系统应充分利用城镇给水管网或小区给水管网的水压直接供水。经批准认可时可采用叠压供水系统。”
为了节约能源，并减少生活饮用水水质被污染，除了有特殊供水安全要求的建筑以外，建筑物底部的楼层应充分利用城镇给水管网或小区给水管网的水压直接供水。当城镇给水管网或小区给水管网的水压和（或）水量不足时，应根据卫生安全、经济节能的原则选用贮水调节和（或）加压供水方案。在征得当地供水行政主管部门及供水部门批准认可时，可以采用直接从城镇给水管网吸水的叠压供水系统。
为避免因水压过高引起的用水浪费，给水系统应竖向合理分区，每区供水压力≤0.45 MPa，合理采取减压限流的节水措施，分区内低层部分的用水点处供水压力≤0.20 MPa。
《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)修订版要求：“二次加压泵站的数量、规模、位置和泵组供水水压应根据城镇给水条件、小区规模、建筑高度、建筑物的分布、使用标准、安全供水和降低能耗等因素合理确定。”给水加压站位置与能耗也有很大的关系，如果位置设置不合理，会造成浪费能耗。随着建筑行业的发展，建筑小区趋向越来越大，用地红线内的建筑群增多，为降低给水能耗，应合理布置二次加压泵站的位置，宜设于服务范围的中心区域。例如，某6层楼的酒店工程项目，建筑物长400余米，而给水泵房设于建筑物的端头，给水泵的扬程需要满足最远用水点的给水压力，造成了靠近泵房的用水点给水压力超过了用水点处供水压力，必须减压，浪费了能源。如果将给水泵房设计在建筑的中间部位，可以降低给水泵的扬程，降低能耗。所以，给排水设计人员应注意这方面的问题。
《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)修订版要求：“变频调速泵组应根据用水量和用水均匀性等因素合理选择搭配水泵及调节设施，宜按供水需求自动控制水泵启动的台数，保证在高效区运行。”变频泵的使用已经有很多年了，但是用了变频泵不一定就是节能的。所以强调“应根据用水量和用水均匀性等因素合理选择搭配水泵及调节设施”，合理选用变频泵，合理选用变频泵组，使变频泵、变频泵组运行在高效区内。建议给水流量>10 m3/h时，变频泵组工作水泵由2台以上水泵组成比较合理，泵组最多不多于5台水泵。设计可以根据公共建筑的用水量，用水的均匀性合理选择大泵、小泵搭配，泵组也可以配置气压罐，供小流量用水，避免水泵频繁启动，以降低能耗。
由悉地国际设计顾问（深圳）有限公司主编的CECS标准《数字集成全变频恒压控制供水设备应用技术规程》（已经通过送审稿审查），将数字集成全变频控制恒压供水设备中的每台水泵均独立配置一个数字集成水泵专用变频控制器，根据系统流量变化自动调节水泵转速，并实现多台工作泵运行情况下的效率均衡，无论系统运行工况如何变化及设备使用场合多么不同，水泵始终在高效区运行，不会出现能耗浪费现象，与普通继电器电路单变频控制恒压供水设备相比，采用数字集成全变频水泵专用控制技术的恒压供水设备具有更理想的节能效果。
3 给水泵节能限定值
《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)修订版要求：“给水泵应根据给水管网水力计算结果选型，并应保证设计工况下水泵效率处在高效区。给水泵的效率不应低于国家标准《清水离心泵能效限定值及节能评价值》(GB 19762—2007)规定的泵节能评价值。”
给水系统设计应该根据《建筑给水排水设计规范》(GB 50015—2003,2009年版)、《民用建筑节水设计标准》(GB 50555—2010)的规定，正确计算给水泵的流量、扬程，选用保证设计工况下水泵效率处在高效区的给水泵。给水泵是耗能设备，常年工作，水泵产品的效率对节约能耗起着关键作用，应选择符合现行标准《清水离心泵能效限定值及节能评价值》(GB 19762—2007)规定、通过节能认证的水泵产品，以节约能耗。
现行国家标准《清水离心泵能效限定值及节能评价值》(GB 19762—2007)规定了“泵能效限定值”、“泵目标能效限定值”和“泵节能评价值”。其中“泵能效限定值”、“泵目标能效限定值”是强制性的，“泵节能评价值”是推荐性的，“泵节能评价值”是指在标准规定测试条件下，满足节能认证要求应达到的泵规定点的最低效率。“泵节能评价值”比“泵能效限定值”和“泵目标能效限定值”要求更高，故要求所选用的给水泵效率不应低于国家标准“泵节能评价值”。
《清水离心泵能效限定值及节能评价值》(GB 19762—2007)给出了泵节能评价值的计算方法，水泵比转速按下式计算：
计算得出比转数后，查《清水离心泵能效限定值及节能评价值》(GB 19762—2007)中的图表，即可计算得出“泵规定点效率值”、“能效限定值”和“节能评价值”。
笔者参照《建筑给水排水设计手册》中IS型单级单吸水泵、TSWA型多级单吸水泵和DL型多级单吸水泵的流量、扬程、转速数据，通过计算比转数和查图表，得出给水泵节能评价值，见表1~3（表中列出了节能评价值大于50%的水泵规格），供读者参考。
表1 IS型单级单吸给水泵节能评价值
表2 TSWA型多级单吸离心给水泵节能评价值
表3 DL多级离心给水泵节能评价值
从表1~3中数据可以看出，在同样的流量、扬程情况下，2 900 r/min的水泵比1 450 r/min的水泵效率要高2%～4%，建议除对噪声有要求的场合，宜选用转速2 900 r/min的水泵，提高用能效率。
4 生活热水系统节能设计要点
4.1 热源选择
《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)修订版要求：“集中热水供应系统的热源，宜利用余热、废热、可再生能源或空气源热泵作为热水供应热源。当最高日生活热水量>5 m3时，除电力需求侧管理鼓励用电，且利用谷电加热的情况下，不应采用直接电加热热源作为集中热水供应系统的热源。”这条规定是集中热水供应系统热源选择的原则。
余热包括工业余热、集中空调系统制冷机组排放的冷凝热、蒸汽凝结水热等。
当采用太阳能热水系统时，为保证热水温度恒定和保证水质，可优先考虑采用集热与辅热设备分开设置的系统。
由于集中热水供应系统采用直接电加热会耗费大量电能；若当地供电部门鼓励采用低谷时段电力，并给予较大的优惠政策时，允许采用利用谷电加热的蓄热式电热水炉，但是必须保证在峰时段与平时段不使用，即需要设有足够热容量的蓄热装置，如贮存设计温度的一天热水用水量。根据当地电力供应状况，小型集中热水系统可以采用夜间低谷电直接电加热作为集中热水供应系统的热源。
设计集中热水供应系统以最高日生活热水量5 m3作为限定，是以酒店生活热水用量进行测算，据建筑专业所述，酒店一般最少15套客房。以每套客房2床计算，根据《建筑给水排水设计规范》（GB 50015—2003，2009年版）表5.1.1，取客房最高日用水定额上限值160 L/（床·d）（60 ℃），则最高日热水量为4.8 m3。故当最高日生活热水量>5 m3时，集中热水供应系统尽可能避免采用直接电加热作为主热源，或集中太阳能热水系统的辅助热源，除非当地电力供应富余、电力需求侧管理从发电系统整体效率角度，有明确的供电政策支持时，允许适当采用直接电热。
《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)修订版要求：“以燃气或燃油作为热源时，宜采用燃气或燃油热水机组直接制备热水。当采用锅炉制备生活热水或开水时，锅炉额定工况下热效率不应低于表4.2.5中的限定值。”集中热水供应系统除有其他用蒸汽要求外，不建议采用燃气或燃油锅炉制备高温、高压蒸汽再进行热交换后供应生活热水的热源方式，这是因为蒸汽的热焓比热水要高得多，将水由低温状态加热至高温、高压蒸汽再通过热交换转化为生活热水是能量的高质低用，造成能源浪费，应避免采用。医院的中心供应中心（室）、酒店的洗衣房等有需要用蒸汽的要求，需要设蒸汽锅炉，此时制备生活热水可以采用汽-水热交换器。其他没有用蒸汽要求的公共建筑可以利用工业余热、废热、太阳能、燃气热水炉等方式制备生活热水。当采用锅炉制备生活热水或开水时，锅炉额定工况下热效率不应低于表4（表4.2.5）中的效率限定值。
表4 名义工况下锅炉热效率(GB 50189—2005表4.2.5)
气锅炉重油8688轻油8890燃气8890在广东省、云南省、江苏省等南方地区，较多采用空气源热泵热水机组制备生活热水，使用效果较好。空气源热泵热水机组比较适用于夏季和过渡季节总时间长的地区；寒冷地区使用时需要考虑机组的经济性与可靠性，在室外温度较低的工况下运行，致使机组制热性能系数（COP）等级太低，失去热泵机组节能优势时就不宜采用。为有效地规范国内热泵热水机（器）市场，以及加快设备制造厂家的技术进步，我国制定了国家标准《热泵热水机(器)能效限定值及能源效率等级》(GB 29541—2013)，该标准将热泵热水机能源效率分为五个等级，1级表示能源效率最高，2级表示达到节能认证的最小值，3、4级代表了我国多联机的平均能效水平，5级为标准实施后市场准入值。
《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)修订版要求：“当采用空气源热泵热水机组制备生活热水时，制热量大于10 kW的热泵热水机在名义制热工况和规定条件下，性能系数（COP）不宜低于表5.3.3的规定，并应有保证水质的有效措施。”热泵热水机（器）能效要求见表5（表5.3.3）。
表5 热泵热水机（器）能效（COP）(GB 50189—2005表5.3.3)
表5中能效等级数据是依据能效等级2级编制，在设计和选用空气源热泵热水机组时，应选用达到节能认证的产品。
选用空气源热泵热水机组制备生活热水时还应注意热水出水温度，在节能设计的同时还需要满足现行国家标准对生活热水水质的卫生要求。一般空气源热泵热水机组热水出水温度<60 ℃，为避免热水管网中滋生军团菌，需要采取措施抑制细菌繁殖。如定期每隔1~2周采用65 ℃的热水供水1天，抑制细菌繁殖生长，但必须有用水时防止烫伤的措施，设置混水阀等，或采取其他安全有效的消毒杀菌措施。
其他的消毒技术，如中国建筑设计研究院重点开发的银离子消毒技术和AOT紫外光催化二氧化钛灭菌装置，可根据工程实际情况进行选用。
4.2 热水管网布置
《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)修订版要求：“小区内设有集中热水供应系统的热水循环管网服务半径不宜大于300 m且不应大于500 m，水加热、热交换站室位置宜靠近热水用水量较大的建筑或部位，并宜设置在小区的中心位置。”对自加热设备站室至最远建筑或用水点的服务半径作了规定，限制热水循环管网服务半径，一是减少管路上热量损失和输送动力损失，增大运行能耗和成本，不利系统的运行管理；中国建筑设计研究院在广州亚运城集中热水供应系统管网设计中，研究了热水管道敷设长度与热量损失的关系。通过对亚运会期间媒体村低区热水供水管网各测试点的温度监测发现，热水在管道输送过程中的热损失还是不可忽视的。管线越长，热损失越大,缩短管道长度可以有效降低管网热损失，故需要对热水管网的服务半径作出规定。二是避免管线过长，管网末端温度降低，管网内容易滋生军团菌。并要求水加热、热交换站室位置靠近热水用水量较大的建筑或部位，以及设置在小区的中心位置，可以减少热水管线的敷设长度，以降低热损耗，达到节能目的。
《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)修订版要求：“仅设有洗手盆的建筑或距离集中热水站室较远的个别用户，不宜设计集中生活热水供应系统。设有集中热水供应系统的建筑物中，热水用量较大或定时供应热水的用户宜设置单独的热水循环系统。”为降低能耗，对不宜设置集中热水供应系统的情况作出了限定。《建筑给水排水设计规范》(GB 50015—2003,2009年版）规定，办公楼集中盥洗室仅设有洗手盆时，每人每日热水用水定额为5~10 L，热水用量较少，如设置集中热水供应系统，管道长，热损失大，为保证热水出水温度还需要设热水循环泵，能耗较大，故限定仅设有洗手盆的建筑，不宜设计集中生活热水供应系统。当办公建筑内仅有集中盥洗室的洗手盆供应热水时，可采用小型贮热容积式电加热热水器。
对于管网输送距离较远、用水量较小的个别用户不宜设置集中热水系统，可以设置局部加热设备，这样可以减少管路上的热量损失和输送动力损失。热水用量较大的用户有浴室、洗衣房、厨房等，宜设计单独的热水回路，有利于管理与计量。
4.3 冷、热水压力平衡
《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)修订版要求：“集中热水供应系统的供水分区宜与用水点处的冷水分区同区，并有保证用水点处冷、热水供水压力平衡和保证循环管网有效循环的措施。”使用生活热水需要通过冷、热水混合后调整到所需要的使用温度。故热水供应系统需要与冷水系统的分区一致，保证系统内冷水和热水的压力平衡，达到节水、节能和用水舒适的目的。集中热水供应系统要求采用机械循环，保证干管、立管的热水循环，支管可以不循环，采用多设立管的形式，减少支管的长度，在保证用水点使用温度的同时也需要注意节能。
4.4 管网及设备保温
集中热水供应系统减少热损耗的一个重要点是对热水供水、循环水管网及水加热设备或者换热设备进行保温。《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)修订版要求：“集中热水供应系统的管网及设备应保温，保温层厚度应按现行国家标准《设备及管道绝热设计导则》(GB/T 8175—2008)中经济厚度计算方法确定，也可按本标准附录D的规定选用。”
表6、7列出了《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)修订版附录D中生活热水管道的绝热厚度，供读者参考使用。设计人应选用优质保温材料，根据热水生活热水使用时间选用保温厚度。设备保温应参照国家标准图集03S401《管道和设备保温、防结露及电伴热》的规定执行。
表6 生活热水管道的绝热厚度（使用期105天）（表D.0.3-1）
表7 生活热水管道的绝热厚度（使用期150天）（表D.0.3-2）
5 结语
节水与节能是密切相关的，存在着内在联系的关系。节水、节能是一种理念，贯穿于给水排水设计的全过程。为节约能耗、减少水泵输送的能耗，应合理设计给水、热水、排水系统，选用达到节能标准的产品。集中热水系统是给水排水设计的主要能耗系统，在设计时更应注意热源的选择、水加热站或热交换器室布置位置、管道布置和保温等，力求减少热损失，从而达到降低能耗的目的。
虽然，在公共建筑中给水排水系统能耗仅占其他用能设备10%~20%的一部分，且未纳入典型公共建筑模型能耗分析的“基准建筑模型”，但是我们也应该为实现国家节约能源和保护环境的战略，贯彻有关政策和法规作出贡献。
致谢:感谢刘振印总工、赵锂副院长、冯旭东总工、赵力军总工在《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)标准编制过程中给予的帮助和提出的宝贵意见！
（本文发表于《中国给水排水》杂志2015年第2期“设计经验”栏目）
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