在建筑物给排水系统设计中嵌入可持续性外文翻译资料

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在建筑物给排水系统设计中嵌入可持续性

作者：L.B. Jack * , J.A. Swaffield，School of the Built Environment, Heriot–Watt University, Edinburgh, Scotland EH14 4AS, UK

文章历史：Available online 3 April 2009

关键词：给水 排水 建筑物 数值模拟 持续性

摘要:在解决建筑环境中可持续发展问题时，其重点往往倾向于最大限度地减少能源的消耗和材料的使用。然而，当进行建筑物的给水系统和废物管理系统设计时，经常被人们所遗忘的是整合可持续解决方案的潜在能力。类似这些系统的基本功能已经被明确的证实过了，但传统的设计原则往往限制其性能的提高以及水管道经济的优化。可是，如果我们以在全球范围内流动的许多规范和标准的稳态分析为参考依据，某种程度上来说，这些是不足为奇的。然而，模拟方法的进步意味着使用新技术和整合创新能够优化系统性能，这让更多的可持续设计方法现在能够得到充分的证实。

本文概要的阐述了建筑物的给水和排水系统，其性能已经在发展中得到了评估，关于这点，我们可以参考Heriot–Watt大学的一套数值模拟模型。通过适当的使用圣维南方程，利用特征有限差分法对此类系统的压力和流量进行分析，这些模型确实能够在一定程度上做出准确预测。本文提供了三个不同的应用实例，其重点都是在设计中嵌入可持续性理念。

1. 介绍

在为建筑物群体提供给水和废物管理系统时，保证系统的性能是至关重要的。主要功能包括：提供饮用水及其基本卫生条件；净化去除已被废物污染的水；为潜在于排水管和下水道与人们居住空间之间的瘴气提供物理屏障；让建筑物发挥最大效益也是同样重要的，对于任何撞击雨水以及产生的废水，可以减少不必要的浪费并且限制其对于下水道和排水网络或收集系统的负载。另外，我们应该在设计理论的每一方面巩固可持续发展理念，通过限制供水和消费、减少材料的使用、费用和生态环境的影响可以实现。建筑物给水排水系统的建设为整合可持续解决方案提供了大量的机会，然而，这些必须在不影响性能的条件下完成，所以，对于系统在使用过程中的响应，我们必须充分理解，才能提供更好的解决方案。

通常，我们采用的方法是基于稳态原理的应用，以此来进行给水和排水系统的设计，用以确定例如流量加载或者压力响应等情况。虽然这种方法在某种程度上有利于系统的规范化，但我们不能随时了解系统，难以及时做出关键决策，这是因为他们很少提及系统对时间依耐性的响应信息。接下来的文字，将通过Heriot–Watt大学提供的一套已实现建筑物给排水系统有效设计和分析的数值模拟模型的发展，以此为例来让我们理解系统的动态响应，从而使创新和可持续设计方案整合的解决潜力能够得到综合评估。值得注意的一点是，在本文中提到的“供水”一词将会在建筑物内的用水范围内提出，这个也间接的决定了大规模网络的水供应。

在所有Heriot–Watt大学开发的组件模型的套件中，都利用特征技术方法。早在1900年，这项技术最先被Massau用于分析明槽流，接着在1947被Lamoen 用来分析水锤，然后将圣维南方程式转换为变化的连续性和动量的形式，利用有限差分法求解一对全微分方程。这些方程式组被赋予C 和C-的特征，并且就目前相邻的上游和下游节点条件而言，定义一个时间步节点的条件。有限差分网格用自变量x定义距离，t定义时间，并与因变量连接，要么是与u和c代表的流体速度、传播速度，要么是与u和h代表的流体速度和深度。值得肯定的是，在系统的边界处，应当额外附加一个方程式来完成有限差分解。因此，在这些位置定义方程式，能够适当的提供关于边界的静态或动态行为信息。

关于这些边界条件方程组的理论和经验定义已经形成了Heriot–Watt大学过去和现在的研究重点，并促进了本文中提到的DRAINET，AIRNET， ROOFNET三个组件的发展。所有这三种组件都是基于所描述的特征技术方法，并且已经在加强相关系统的设计中被成功地引用。DRAINET处理部分填充，即自由表面管道流动的瞬态分析，主要解决建筑物内部排水系统的性能。它的应用最近才扩展到包括局部外排水系统，其中流动状态可能是通过波浪衰减来表征的。AIRNET通过预测影响水基电器密封完整性的压力和气流来检查排水通风系统的瞬态响应，而ROOFNET则是评估常规和虹吸式雨水排水系统建筑物的性能。可以看出的是，ROOFNET和DRAINET在一定程度上可以共同操作，以便于预测从屋顶表面到当地排水系统的雨水输送。本文将通过使用示例说明，如何将这些模型组件应用于整合和嵌入可持续发展的建筑给水排水系统中。

1. 饮用水的使用和减少厕所冲洗水体积的影响

可持续性的定义可能而且往往根据其设定的上下文而有所不同。对许多发达国家而言，可持续性发展侧重于减少或优化使用能源或材料，而在其他地区，可持续发展更多地是稳定的提供基本需求。在后一种情况下，针对联合国的千年发展大计，一个关键目标（在联合国水和卫生设施工作队中传达）是到2015，将无法持续获得安全饮用水和基本卫生设施的人口比例减半。这看起来似乎有悖常理，因为在许多国家，大部分的饮用水供应都是用于建筑物的厕所冲洗。与成本直接节省相关联的任何厕所冲水量的减少，这部分单独从处理过程中产生的体积是相当显著的，当加上供水和排水系统管道尺寸减少所带来的间接节约，节省冲洗水的体积将进一步增加。任何能减少厕所冲洗水量方案的提出，然而，经常会遇到来自废物和卫生器具其他产品清除效率以及它们通过相关排水网络运输的困扰。在英国，40升的冲洗量早在1900年时就被确认为超标，随后厕所冲洗量急剧减少到9.1升（2加仑），然而在此大幅度削减之前，已经花了数十年的时间。根据2001年实施的法定条例现状规定安装卫生器具，最大冲洗量为6升，减少的冲洗量不大于最大值的三分之二，以此针对看似不成比例的目前用于厕所冲洗的三分之一国内供水水平。

假设任何废物都是有机的，或者说它们都符合可接受的洗涤性标准，因此，重点将转移到管道传送这些废物到下游排水沟或下水道的工作性能上。管道中的流动状态，在为卫生设备服务时，其本质上来说是不稳定的，并且已经在Heriot–Watt和其他地方进行了大量工作，其目的是预测设计变更和/或用水量变化对排水管线的影响。这能够让我们预测固体沉积的位置，并能够采取预防措施，明显避免堵塞的倾向。

以下文字介绍了一个关于管道性能的简单的例子，当其受到排放量可变的影响时，可以使用 DRAINET进行评估。在这种情况下，如图一所示，连接到管道2的设备的排放量已经在9,6,4.5和3升之间变化。所选择的四个冲洗体积中的任一个的使用也在图一中以示出类型的轮廓来表示。在这个例子中，固体离开设备的时间是适当变化的，以确保在所有情况下，这一事件都发生在峰值流量排放之前。这是很重要的，众所周知，除了排放曲线，固体参数和管道边坡，直径，粗糙度和“基地”流，固体排放时间相对于整体冲洗持续时间（即由此定义“拖尾体积”）对排水管道进位具有显著影响（其中早期固体去除确保更大的行进距离）。

在这一模拟中，第二个马桶冲洗量为3升，连接到下游5米处，但是在最初并没有运行。所有下游管道直径规定为100mm,坡度0.01.

通过使用DRAINET，我们可以模拟从厕所位置开始的自由表面衰减的流量和离散固体将发生沉积的任何位置。这需要包含带有流动深度的预定义边界方程，流量和/或时间，并确定物理系统组件的位置条件，例如管道接头和液压跳跃。另外，为了方便（单次和多次）的模拟固体沉积，还需要在离散固体的任何部位定义方程的流动条件。

正如图2 所示，对于9升和6升的冲洗量，固体的沉积点超出了网络建模的范围，即9米，这说明固体已经被成功地传送到一个适当的下游连接。对于4.5升和3升的冲洗量，固体的行驶距离分别为7.9米和5.9米，因此，表明了在这两种情况下，固体都是在管道3中沉积的。这种情况通常被认为是失败的系统，因为它是通过增加冲洗量来弥补的，但是，通过调整管道直径为75mm，正如图2所示，排水管道可以延伸9米和7.8米以上（对于4.5升和3升的冲洗水量来说）。这可以看出，对于距离卫生器具9m的下游连接点，冲洗量为3升的污水排放量在输送方面仍有不足。然而，通过模拟管1 中出来的3升冲洗水，例如，在模拟时间30s内，从一个相邻的物业或房间排放的冲洗量，其流动条件可以延长这一固体的行进距离，使超出最低要求。

这个例子说明了如何在排水管线进位性能降低的情况下，保证厕所冲洗量的减少。在这种情况下，主要是通过减小管道直径来促进水量输送。与此类似的改进，可以通过调整管道坡度来实现，也可以通过评估组合或顺序排放流量来实现。

这是值得肯定的，虽然上文给出的示例仅仅只是基于三个管道的使用，DRAINET显然是能够模拟代表典型建筑物或小型建筑群的任意数量的管道，因此，在实施节水政策或在给排水系统设计中追求可持续性时，DRAINET可随时提供有关最佳方案的资料。

1. 保持居住空间与排水管道之间的物理隔离

很显然的，来自排水设备任何的不稳定流量的流动将在管网内产生压力变化。当立管进行泄流，形成水环，并且夹带的气流随着水流进入系统排放位置时，这一压力变化尤其明显。排水管网内的任何压力变化都会明显影响系统的整体响应，然而，它主要是引起压力偏移的瞬态性质，从而消耗潜在的密封水。通常情况下，水基密封件为居住空间和存在于管道中的瘴气之间提供了一个物理屏障，并且服务于建筑，连接下水道系统，重要的是，任何可能会取代这种水，从而损害屏障完整性的压力的改变将会被最小化。

当来自一个或多个设备的排放流量的速率相对快速变化时，排水和通风管道内将会发生气压瞬变，这一点是最为常见的。图3所示，说明了如何在垂直或堆叠的管道中形成环，由于“不滑动”原理，在大多数情况下，气流都是从上部逸出的。图3还表示了，流经系统的一个给定点的流量速率变化是如何通过空气压力的变化传递的，以及当通风是由立管上部终端提供时，因此导致所施加的压力在所有连接管的途中是如何改变的。

Heriot–Watt大学开发的数值模型AIRNET，同样使用特征技术的方法来帮助预测整个系统的压力和气流响应。边界条件需要再次定义以实现系统仿真， Heriot–Watt大学开展工作的的一个重要组成部件集中在表征由适当的理论和经验导出的描述性算法，其代表了系统的驱动程序和组件。如图4所示，该模型还包括一个先进方法，用来模拟水-空气界面，通过整合无量纲速度微分项，解除“单次排放流”模型模拟的限制，使多个分支入口流量能够得以分析。灵便的系统数据输入形式，加上灵活的设备排放方式，使预测瞬时气流和压力的功能得以实现，保持密封装置水平，从而在追求可持续发展的变化中，为评估系统性能提供重要的一步。

节约用水对于排水管道内的流态有明显的影响。一般情况下，流量体积减小的效果，体现在叠加管道内的终端水速度总体降低，因此，导致空气夹带和相应的系统压力减少。然而，减少体积的器具排放曲线仍随时间显著变化， 因此，瞬态压力的改变需要对其影响继续进行评估，以确保疏水阀密封完整性。

该仿真模型准确地预测系统的压力，不仅介绍了采用低冲洗水平能显著降低水消耗的潜力，而且针对管道经济一体化，也可用于设计方案的整合。降低管道成本的好处是明显的，安装时这些措施将进一步增强，维护和空间成本以及环境影响因素也将纳入考虑范畴。

对排水通风系统历史发展的简要回顾表明，英国和欧洲在过去的一个世纪中，对于建筑高度大约30层楼的建筑物，其的系统是如何从过于繁琐的双管系统（包括四个垂直水管），通过单管系统（具有两个垂直的水管），达到单立管系统的（只有一个垂直的水管）。鉴于可能产生过大的压力偏差，在世界上的一些地区已经避免采用单立管系统，然而，对于有能力了解该系统固有不稳定流动条件的起源和性质的国家来说，可以不用理会这一顾虑。利用数字模拟技术，AIRNET不仅可以显示单立管系统性能的优良，并降低了对管道系统的需求，另外，AIRNET还有助于在预先定义和/或进行创新和可持续设计解决方案的条件下，对系统的整体性能进行评估。

下文说明了AIRNET已被用于提高系统操作水平的三种情况。在第一个例子中，表1列出了AIRNET的输入参数，用于证实SARS病毒于2013年在香港Amoy花园的传播。SARA专家委员会详细介绍了这一疫情，指出了水基密封装置的作用，正是由于这些水基的干燥，导致了公寓居住空间与排水管道之间的联通。事后，AIRNET被用来表征正常压力是如何在系统中变化的，当与浴室通风扇（如Amoy花园发生的）相结合时，会造成显著的空气流动，也许更重要的是，当一个或多个建筑物密封井已经受到损坏时，潜在在空气中的污染物。

通过使用部分进气阀（AAVs），避免穿透屋顶结构以适应上部管道终端,这一要求的好处是显而易见的，现在已经深有体会。这些阀门，是让空气通过一个完整的隔膜进入管网来响应系统的负压，而当受到正压力时，它们则会关闭，以防止臭气和毒气的释放。利用AIRNET可以很容易地显示，整个管网中AAV的分布（在现今国家规范允许的做法），除了位于上部堆积位置的AAV之外，都能够通过拦截接近原点的气压瞬变，有效的进行负压释放。这样就避免了图3中出现的问题，当有一个潜在的密封完整性被破坏时，这一瞬变将通过管网传播到更远的通风位置。

对于发生正压力急剧改变的系统，例如，由排放到收集池或管网设计导致的系统压力的巨变，Heriot-watt大学正与行业合作伙伴一起，着力于空气正压力衰减器（PAPA）的发展。如图4所示，使用灵活的、可变容积的容器，其主要目的是降低由于浪涌事件而产生的气流变化速率，PAPA正面为建筑物提供浪涌保护，因此，可以避免使用昂贵的通风管道。

图4清楚的展示了PAPA与空气进气阀联合作用的机理，对系统的正负压进行调节，从而保持了水基密封的完整性，而不需要设计额外的通风管道。展开来说，图5显示了这一原理也可用于更为复杂的“密封”建筑物，即包含

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