建筑给排水系统的可持续性嵌入设计外文翻译资料

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建筑给排水系统的可持续性嵌入设计

L.B.Jack*,J.A.Swaffield

School of the Built Environment,Heriot–Watt University,Edinburgh,Scotland EH14 4AS,UK

摘要

在解决建筑可持续发展问题时，重点往往是尽量减少能源消耗和材料使用上。然而，在整合建筑物的水和废物管理系统时，潜在的可持续性解决方案常常被遗忘。这类系统的基本功能已经被清楚地认识到，但是传统的设计原则往往会限制水管道工程经济的表现提高。一定程度上，在给出了基本的稳态分析，以及全球范围内支持指引使用的流体许多规则的前提下，这并不奇怪。然而，仿真法的进步，意味着从新技术的使用程度、更加可持续的设计方案的创新与整合程度来决定系统性能好坏的说法已经被认可了。

本文概述了一个建筑给水排水工程的案例，它的系统性能已经被评估过，是赫瑞瓦特大学的一套数值模拟模型。这些模型的准确预测，采用适当形式的圣维南(St.Venant)方程组，其中特色的有限差技术提供了系统的压力和流体体制方案。本文提供了三个不同的应用实例，着重叙述可持续性嵌入式的设计。

关键词：水；排水；建筑物；数值模拟；持续性

1.引言

在为建筑物提供供水和废物管理系统时，必须确保性能。主要功能包括：提供饮用水和基本卫生所需的水；去除已被废物污染的水；并且在排水管和下水道中存在的潜在有害气体与可居住空间之间提供物理屏障。同样重要的是，建筑物要最大程度地利用任何影响的雨水以及所产生的废水，从而减少不必要的浪费并限制下水道和排水网络或收集系统的负荷。可持续性应通过限制水的供应和消耗，并减少材料的使用，成本和环境影响，在每个方面都支持设计理论。因此，用于建筑物的给水和排水系统为集成可持续解决方案提供了许多机会，但是，这些必须在不影响性能的情况下实现，因此必须充分理解系统在使用期间的响应。

水和废水系统设计所采用的方法往往是以应用稳态原理为基础，以确定例如流量负荷或压力响应。尽管这样的方法以某种确定性的方式促进了系统的规范化，但是它们很少提供评估系统随时间变化的响应的机会-这些信息可以很容易地指导关键的设计决策。因此，以下文本将说明在Heriot-Watt结合一系列数值模拟模型的发展对系统动态响应的理解如何促进了建筑物给水和排水的有效设计和分析，从而可以对创新和可持续设计解决方案集成的潜力进行全面评估。值得注意的是，在整个本文中，“供水”一词将在建筑物内用水的情况下出现，间接指示了大型网络的供水。

Heriot-Watt开发的套件中的每个组件模型都使用“特征方法”技术。这项技术首先在1900年由Massau用于分析明渠水流，然后在1947年由Lamoen用于分析水锤，然后将连续性和动量的St.Venant方程的适当形式转换为一对总的差分方程可通过有限差分法求解。这些方程被称为C 和C^-特性，并且根据相邻的上游和下游节点的当前条件来定义一个节点未来某个时间步的条件。有限差分网格是使用自变量距离x和时间t定义的，并与因变量相关联，u和c是空气的流体速度和传播波速，u和h是自由地表水的流体速度和深度。将意识到，在系统边界处，需要一个附加方程来完成有限差分解。因此，方程式在这些位置定义，并提供有关边界的静态或动态行为的信息。

这些边界条件方程的理论和经验定义已成为Heriot-Watt过去和现在研究的重点，并促进了本文中提到的三个组件模型DRAINET，AIRNET和ROOFNET的开发。这三个都是基于所描述的“特征方法”技术的，并且每个都已成功用于增强相关系统的设计方法。DRAINET负责部分填充，管道流量的瞬态分析，主要解决建筑物内部排水系统的性能问题。最近，它的应用已扩展到包括局部外部排水系统，在该系统中，流态仍可能以波浪衰减为特征。AIRNET通过预测会影响水基设备疏水阀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则评估建筑物的常规排水系统和虹吸排水系统的性能。应该理解的是，在一定程度上，ROOFNET和DRAINET可以一起操作以促进对从屋顶表面到局部排水系统的雨水输送的预测。本文将通过示例说明如何使用这些模型组件将可持续性集成和嵌入建筑物的给水和排水系统设计中。

2.饮用水使用和减少厕所冲洗水量的影响

可持续性的定义可能会并且经常会因设置环境的不同而有所不同。对于许多发达国家而言，可持续发展的重点是减少或优化能源或材料的使用，而在其他地区，可持续发展更多地是稳定地提供基本需求。在后文中，与联合国的千年发展目标背道而驰，一项主要目标（由联合国水与卫生特别工作组传达）是到2015年将无法持续获得安全饮用水和基本饮用水的人口比例减少一半卫生”[1]。因此，在许多国家中，建筑物的饮用水中有很大一部分用于厕所，这似乎是违反直接规律。与厕所的任何减少相关的直接成本节省显然仅由处理过程引起的冲洗量就很重要，并且与供排水系统的管道尺寸减小所带来的间接节省相结合时，还会进一步增加。

然而，关于大幅度减少卫生设备冲洗量的建议往往引起人们对卫生设备中废物和其他产品去除效率的关切，并且他们通过相关的排水网络的运输。在英国，40升的冲洗量早在1900年左右就被认为是过量的，但在此后急剧减少到9.1升（2加仑），然后经过几十年的时间，才进一步大幅度削减。到2001年执行的法定条例[2]现在规定安装时最大冲洗量6升和减少的冲洗量不超过最大水量的三分之二，从而针对目前使用的家庭供水的三分之一左右的似乎不成比例的水平厕所冲洗[3]。

假设任何废物产品是有机的或符合公认的可冲洗性标准，则重点将转移到将这些废物输送到下游排水管或下水道的管道系统。用于卫生设备的管道中的流动状态固有地不稳定，并且在Heriot-Watt和其他地方已经进行了大量工作，目的是预测设计变更和/或耗水量变化对管道的影响。排水管携带离散固体。能够预测固体沉积的位置并能够采取预防措施，显然避免了堵塞的可能性。

以下的文字介绍一个简单的案例，当厕所排放量这个变量改变时，管道使用性能可以评估使用DRAINET。在这种情况下，连接到管2的从设备排放的水量，如图1，在9、6、4.5和3升之间变化。每一种四个冲洗水量用此类型的资料表示，也表示在图1中。在这个例子中，在此排放流量峰值的点之前的时间内，屋檐、器具发生适当的改变时。这是很重要的，因为这是公认的，在增加排放水量，固体参数，和管道坡度，直径，粗糙度和基本流体，固体排放时间是相对于整体冲洗持续时间（定义为终端量）有一个显著影响排水管线结转（早期的固体除去确保了更长的流淌时间）[4]。

在该模拟中，第二个厕所用3升的冲洗量，连接5米的下游，但是，最终不行。所有下游的管道被指定直径为100毫米，在100内设定斜率为1。

通过使用DRAINET，可以模拟来自厕所的排放流的自由表面衰减。以及任何离散固体沉积的位置。这就要求包括预定义的边界条件方程，这些方程链接流的深度，流速和/或时间，并确定物理系统各组件（例如，管道连接处和水力跃迁）位置的条件。还需要用于定义任何离散固体位置的流动条件的方程式，以简化对（单个和多个）固体沉积的模拟。

图2表示出了一个9升和6升的冲洗水量，固体的沉积点如何超出所建模的网络，即超过9m，由此表明，该固体已成功地被输送到一个适当的下游连接处。因此显示，冲洗水量4.5和3升，行程距离7.9和5.9米时，在这两种情况下，沉积在管道3。在

图1.厕所冲洗管道连接配置文件和原理图

图2.固体沉积比，DRAINET模拟结果，由厕所可变的耗水量引起的排放量

冲洗量的增加时，这种情况下的系统通常被认为是一个失败的系统，应当被纠正。然而，通过调整至75毫米的管直径，就可以示出如图2所示的情况，该排水管线结转可以扩展到超出9米和7.8米（冲洗量分别为4.5和3升）。被公认是，它的下游连接点位于9米的排放处，排水量从3升方面看仍然不足。然而，通过模拟的一个后续3升冲洗管1（表示，例如，来自相邻建筑或房间的排水）在一段30秒的时间内（模拟数据），在最低要求之上，流体条件可以为固体延伸流淌距离。

这个例子举例说明了冲洗水量的减少，不需要伴随着同时会降低管网管线的性能。在这种情况下，水的运输得到了便利，在主题中减少管道的直径就可。通过调整管道坡度，或者联合评估或连续的排放流体，就可以实现上述类似的改进。

图2.正如DRAINET所预测的那样，固体沉积的比较是由W.C.排放引起的，其耗水量是可变的。

值得赞赏的是，尽管本文提出的示例仅基于三个管道的使用，但是DRAINET显然能够模拟代表典型建筑物或一小群建筑物的任何数量的管道，因此可以轻松地提供有关实施节水政策或在供水和排水系统设计中追求可持续能力时的最佳方法。

3.保持居住空间和排水的管道的物理隔离

将被认同的是，在管网管道中，任何从卫生器具排出的不稳定流动将存在压力变化。这是特别真实的，当垂直管道进行排出流，形成了一个水环空和从系统通气孔的位置相关联的气流夹带。排水管网内的任何压力的变化将明显都会影响系统的整体变化，，但是它主要是过渡性质的水封水的损耗引起的潜在的压力变化。通常，基于水的疏水阀密封提供建筑物的管道系统、可居住空间与瘴气之间的物理屏障，并连接到下水道系统一个渠道，因此重要的是，任何可能取代这种水的压力变化，会损害屏障的完整性的，都被最小化。

当一个或多个设备的排放流量发生相对迅速的变化时，最常见的是在排水和通风管道内产生的气压瞬变。图3展示出了如何在垂直方向形成环形空间，或“叠加”，管夹带，虽然原则上“无滑移”，在大多数情况下，空气流从上部通气帽终端被吸入。图3还展示出了，在一个给定的点下，系统中空气压力变化从而导致了排放速率如何变化，并且当通风由终端通气帽提供，导致在所有连接的疏水阀遇到“途中”压力的变化。

赫里奥特-瓦特开发的数值模型AIRNET同样使用特征方法技术来促进整个系统压力和气流响应的预测。重新定义边界条件，使系统仿真，在赫瑞瓦特大学展开的工作中重要组成部分，已经将适当的理论和经验得出的描述算法，代表系统的“驱动程序和组件”[5]。该模型还包括一个先进的方法示于图的水-空气界面的模拟，如图4所示，通过集成的无量纲速度差条件，释放“单排放流体”仿真模型的约束，从而能够分析多个分支入口流量[6]。系统规范作为输入数据的灵活性，再加上设备的排放模式，因此可以预测瞬态气流和压力，同时保证疏水阀的密封性，从而在评估系统性能以应对变化方面迈出了重要的一步追求可持续发展。

节约用水可以清楚地了解到这个排水系统管道内的流态变化时受到的影响。一般情况下，在流量减少的效果是其特征在于，在终端中水的流速范围内的整体减少堆叠，因

图3.堆叠中的环形流管排出流中的变化率查询结果，在空气压力瞬变时，补救提供的上层堆叠终止

图4.说明控制装置如何有效的通风

而导致空气的卷吸和系统压力相应减少。然而，将被理解的是，减小体积器具排水，同时，仍然特别的是时间依赖性的，受到瞬态压力的影响，因此，必须继续进行评估，以确保水封的完整性。

仿真模型用来精确地预测系统压力的能力不仅仅导致了潜在的厕所低冲洗水柱的用水量的减少，同时也为管道经济一体化的设计提供了解决方法。管道成本降低的好处是明确的，这些都进一步增强的同时，安装、维修和空间成本，以及环境影响因素都考虑在内。

简要回顾一下排水通风系统的历史发展，可以发现在过去的一个世纪中，英国和欧洲的系统是如何从繁琐的双管道系统（由四个垂直的下水管道组成）转变到单管道系统（由两根垂直管道组成）并且映射到，在一个30层高度的建筑里，单独的堆叠系统（由仅仅一根垂直的管道组成）。在世界上的一些地区，单独的堆叠系统已经被禁止因为关乎到过度的短程压力，然而，理解能力的来源和性质的固有的非定常流动的条件下，这种系统的特点应该消除这种担忧。这不仅可以表示，使用数值模拟技术，单一的堆叠是可行的，但若要其表现与时间良好，需要的管道性能要求也很高。AIRNET也有利于系统的整体性，能评估根据预先定义的条件和/或安装的设计的可持续设计的解决方案。

下面的文字说明了使用AIRNET增强系统操作知识的三种情况。在这些示例的第一个示例中，表1给出了AIRNET输入参数，这些参数用于证实2003年香港淘大花园案中SARS病毒的传播。在详细说明此次爆发事件时，SARS专家委员会报告了该事件的基本作用。被允许变干的水基陷阱，从而在公寓的可居住空间和排水管道之间建立了联系[7]。事后，AIRNET用于突出显示系统中正常压力的变化，当一个或多个建筑物的密封圈遭到破坏时，再加上由浴室通风风扇引起的通风（例如在淘大花园中发生的通风）可能会导致空气大量流动，并且可能更重要的是，可能混入潜在被污染的空气[8]。

表1.模拟淘园（香港）排水系统的AIRNET输入参数

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