Renewable Energy 34 (2009) 2061–2066
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Renewable Energy
j o u r n a l h o m e p a g e : w w w . e l s ev i e r . c o m / l o c a t e / r e n e n e
Embedding sustainability in the design of water supply and drainage systems for buildings
L.B. Jack*, J.A. Swaffield
School of the Built Environment, Heriot–Watt University, Edinburgh, Scotland EH14 4AS, UK
a r t i c l e i n f o
Article history:
Available online 3 April 2009
Keywords:
Water
Drainage
Buildings
Numerical modelling
Sustainability
a b s t r a c t
In addressing sustainability issues for the built environment, focus is often directed towards minimising energy consumption and material use. Often forgotten however, is the potential for the integration of sustainable solutions when designing water and waste management systems for buildings. The funda-mental functions of such systems are clearly recognised, but traditional design principles often constrain opportunities for performance enhancement and for water and pipework economies. To an extent, this is unsurprising, given the basic premise that steady-state analysis of flows underpins many of the codes and guidelines used worldwide. However, advances in simulation methods mean that system perfor-mance resulting from the use of new techniques and from the integration of innovative and more sustainable design approaches can now be fully assessed.
This paper provides an overview of the water supply and drainage systems for buildings whose performance has been assessed through the development, at Heriot–Watt University, of a suite of numerical simulation models. These models accurately predict, using appropriate forms of the St. Venant equations, the pressure and flow regime within such systems by applying the Method of Characteristics finite difference technique. The paper provides three different examples of application, where the focus of each is on embedding sustainability in design.
2009 Published by Elsevier Ltd.
1. Introduction
In providing water supply and waste management systems for buildings, it is essential that performance is assured. Key functions encompass: the provision of potable water and that required for basic hygiene; the removal of water that has been contaminated with waste products; and the provision of a physical barrier between the potentially harmful miasma present in drain pipes and sewers and the habitable space. It is also important that the building uses to best benefit, any impinging rainwater as well as any resultant wastewater, thus reducing unnecessary wastage and limiting the loading on sewer and drainage networks and/or collection systems. Sustainability should underpin design theory in each of these aspects through limiting water supply and consumption, and through reducing material use, cost and envi-ronmental impact. Water supply and drainage systems for build-ings therefore provide a number of opportunities for the integration of sustainable solutions, however, these must be ach-ieved without compromising performance, and thus, the response of systems during use must be fully understood.
- Corresponding author. Tel.: thorn;44 (0)131 451 4646; fax thorn;44 (0)131 451 4617.
E-mail address: l.b.jack@hw.ac.uk (L.B. Jack).
0960-1481/$ – see front matter 2009 Published by Elsevier Ltd.
doi:10.1016/j.renene.2009.02.009
Often the approach adopted for the design of water and wastewater systems is based upon the application of steady-state principles in order to determine, for example, flow loading or pressure response. Although such methods facilitate system spec-ification in a somewhat deterministic fashion, they seldom provide the opportunity to assess the time-dependent response of systems
– information that can readily inform key design decisions. The following text will therefore illustrate how an understanding of the dynamic response of systems coupled with the development, at Heriot–Watt, of a suite of numerical simulation models has facili-tated the effective and efficient design and analysis of water supply and drainage for buildings, thereby enabling a comprehensive assessment of the potential for integration of innovative and sustainable design solutions. It is worth noting at this point that, throughout this paper, the term lsquo;water supplyrsquo; will be presented within the context of water use within the building that, indirectly, dictates supply from large scale networks.
Each component model contributing to the suite developed at Heriot–Watt utilises the Method of Characteristics technique. This technique was first used by Massau in 1900 to analyse open channel flow, and then by Lamoen in 1947 to analyse water hammer, and transforms the appropriate forms of the St. Venant equations of continuity and momentum into a pair of total differ-ential equations solvable by finite difference methods. These
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equations are termed the Cthorn; and C characteristics, and define the conditions at a node one time step in the future in terms of current conditions at adjacent upstream and downstream nodes. The finite difference grid is defined using the independent variables distance, x and time, t, linked with dependent variables, either u and c – fluid velocity and propagation wave speed for air or u and h
– fluid velocity and depth for free surface water. It will be appre-ciated that at system boundaries, an additional equation is required to complete the finite difference solution. Equations are therefore defined at these locations, and provide i
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可持续性在建筑给排水系统设计中的应用
摘要：在处理建造环境的可持续性问题时，重点往往是尽量减少能源消耗和材料使用。然而，然而，常常被遗忘的是，在设计建筑物的水和废物管理系统时，有可能集成可持续的解决方案。这种系统的基本功能有明确的认可，但传统的设计原则往往限制了性能的提高和水管道的经济机会。在某种程度上，这是不足为奇的，因为流动的稳态分析的许多规范和标准在全球范围内使用。然而，模拟方法的进步意味着利用新技术和集成创新和更可持续的设计方法所产生的系统性能。现在可以全面评估更可持续的设计方法。
本文概述了建筑物的供水和排水系统，通过在赫里奥特-瓦特大学开发的一套数值模拟模型来评估其性能。这些模型使用适当形式的圣维南方程，应用特征有限差分方法用精确地预测了这些系统内的压力和流动状况。本文提供了三个不同的应用实例，每个示例的重点是在设计中嵌入可持续性。
- 介绍
在为建筑物提供供水和废物管理系统时，确保性能是很重要的。主要功能包括：提供满足基本卫生要求的饮用水和排出被污染的水；以及在排水管和下水道的有害的瘴气与居住空间之间的物理屏障的设置。同样重要的是，建筑物要使用出最大的经济效益，任何撞击雨水以及任何产生的废水，从而减少不必要的浪费和对排水管网或收集系统的限制负荷。可持续性应通过限制供水和耗水量，并通过减少材料的使用，降低成本和对环境的影响，在上述各方面为设计理论提供基础。因此，建筑工程的供水和排水系统为可持续解决方案的整合提供了许多机会，然而，这些必须是在不影响性能的前提下，必须充分理解系统在使用过程中的响应。
– information that can readily inform key design decisions. The following text will therefore illustrate how an understanding of the dynamic response of systems coupled with the development, at Heriot–Watt, of a suite of numerical simulation models has facili-tated the effective and efficient design and analysis of water supply and drainage for buildings, thereby enabling a comprehensive assessment of the potential for integration of innovative and sustainable design solutions. It is worth noting at this point that, throughout this paper, the term lsquo;water supplyrsquo; will be presented within the context of water use within the building that, indirectly, dictates supply from large scale networks.
在设计供水和废水系统时，通常采用的方法是应用稳态原理来确定流量负荷或压力响应。虽然这些方法以某种确定性的方式促进了系统的具体化，但它们很少提供机会来评估系统随时间变化的响应和能够随时通知关键设计决策的信息。因此，下面的案文将说明如何理解系统的动态响应，并结合赫瑞瓦特开发的一套数值模拟模型，使建筑物的供水和排水系统的设计和分析更加有效和高效，从而为创新和可持续设计解决方案集成的潜力综合评价。在这一点上，值得注意的是，在整个文件中，“供水”一词将在建筑物内部的用水情况下提出，间接地规定了大规模网络的供应。
在赫瑞瓦特开发的套件中，每个组件模型都使用了特征技术的方法。马索在1900年首次使用这项技术来分析明渠流动，然后由拉莫恩在1947年对水锤进行分析，并将具有连续性和动量的圣维南方程的适当形式转化为一对全微分方程的有限差分方法解。
这些方程称为Cp和C特征，并根据相邻上下游节点的水流条件定义了未来一个时间步长节点的条件。有限差分网格是用自变量距离x和时间t来定义的，它与因变量u，c-流体速度和空气或u，h的传播波速、自由地表水的流速和深度有关。它会表明在系统边界需要用有限差分解法来完成一个额外的方程。因此需要在这些位置定义方程来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赫里奥特大学过去和现在研究的重点，并促进了这三种边界条件方程的发展。本文中提到的联合模型-DRAINET、AIRNET和ROOFNET。这三种方法都是基于描述特征技术的方法，每一种方法都被成功地用于增强相关系统的设计方法。DRAINET处理部分填充的瞬态分析，即自由表面、管道流动，主要解决建筑物内部排水系统的性能问题。其应用范围最近已扩大到包括城市的外部排水系统，在这些系统中，流态可能仍然以波衰减为特征。AIRNET检查在排水通气系统中的瞬态反应，通过预测压力和气流影响水封的完整性，而ROOFNET则用来评估建筑物中重力排水和虹吸雨水排水系统的性能。在某种程度上，ROOFNET和DRAINET可以联合运行，以便于预测雨水的输送，这将是值得赞赏的。从屋面表面到局部排水系统。本文将通过举例说明如何利用这些模型组件把可持续性发展应用到建筑物供水和排水系统的设计中。
2.饮用水的使用和减少厕所用水的影响
可持续性的定义可能经常会因设定可持续性的背景而有所不同。对许多发达国家来说，可持续发展的重点是减少或优化混合使用。例如，能源或材料，而在其他区域，可持续性更多的是基本需求的稳定供给。在后一种背景下，与联合国千年法人发展目标背道而驰---在联合国水和卫生问题工作队中表达的目标之一是在2015年底前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少一半[ 1 ]。因此，在许多国家，建筑物中的重要的饮用水以一个显著的供应比例用于厕所冲洗似乎有悖常理。任何通过减少厕所用水量带来的成本减少都是非常重要的，同时由于减少管道的供应和缩小管道的尺寸而带来的间接节省在排水系统中也是很明显的，未来还会进一步增加。
不过，有关大幅减少厕所冲洗量的建议，往往会引起对清洁用具及其他产品的废物去除效率的关注，以及通过的相关的排水管网。在英国，40升的冲洗量早在1900年左右就被认为是过量的，但在大幅减少到9.1升之后，又过几十年才有进一步的大幅削减。根据2001[2]实施的法定规则，现在规定了安装时的最高冲水量为6升，减少的冲洗量不超过最大值的三分之二，从而针对大约三分之一的家庭用水供应目前用于水洗的不合理的比例[3]。
假设任何废品都是有机的，或者符合公认的洗涤标准，那么重点就会转移到输送这些废物的排水管道或下水道的性能上。为卫生器具服务的管道的流动状况本质上是不稳定的，在赫瑞瓦特大学和其他地方进行了大量的工作，目的是预测设计变化和用水量变化对离散固体排放线的影响。能够预测固体沉积的位置采取预防措施，明显避免堵塞的可能性。
2 。 yǐn饮 yograve;ng用 shuǐ水 de的 shǐ使 yograve;ng用 heacute;和 jiǎn减 shǎo少 cegrave;厕 suǒ所 chōng冲 xǐ洗 tǐ体 jī积 de的 yǐng影 xiǎng响
The definition of sustainability may, and often does, differ depending upon the context within which it is set. For many developed countries, sustainability focuses on reducing or opti-mising the use of, for example, energy or materials, whereas in other regions, sustainability is more about the stable provision of basic needs. Within the latter context, and set against the UNrsquo;s Millennium Development Goals, one key aim (conveyed in the UNrsquo;s Task Force on Water and Sanitation) is to lsquo;halve, by 2015, the proportion of people without sustainable access to safe drinking water and basic sanitationrsquo; [1]. It therefore seems counterintuitive that in many countries, a significant proportion of the potable water supply to buildings is used for w.c. flushing. The direct cost savings associated with any reduction in w.c. flush volume that arise from treatment processes alone are clearly significant, and when coupled with indirect savings facilitated by a reduction in pipe size for both supply and drainage systems, increase yet further.
下面的文本给出了一个简单的例子，说明当管道内厕所排放量变化时，如何使用DRAINET评估管道的性能。在这种情况下，图1所示的装置连接管2，排出量在9,6、4.5和3之间变化。选择的四个冲洗量中的每一个都使用图1中所示的类型的轮廓来表示。选择的四个冲洗量中的每一个都使用图1中所示类型的轮廓来表示。在本例中，固体离开设备的时间发生了适当的变化，以确保在所有情况下，这都先于发生峰值流量的时刻。这是很重要的，众所周知，除排放剖面、固体参数、管道斜率、直径、粗糙度和“基座”流量外，固体放电时间相对于整体冲洗时间也是相当长的（即由此定义“尾流体积”）对排水线输送有重要的影响(如果早期的固体清除可以确保更大的行程)[4]。
在该模拟中，第二厕所产生3升的冲洗水量连接到下游5米处，但最初没有操作。所有下游管道的直径均为100mm，坡度为1 /100。
通过DRAINET的使用，可以模拟来自厕所的水流的自由表面衰减和任何离散固体的沉积发生的位置。这就需要包含预先定义的边界条件方程，该方程将水流深度、流速和时间联系起来，并在物理系统的组件的位置确定条件，例如，管道连接和水压变化。还需要定义任意离散固体位置上的流动条件的方程，以便于对（单个和多个）固体沉积进行模拟。
图2显示了在9L和6L的流量下，固体的沉积点是如何位于模拟的网络之外，即超过9m，从而表明固体已经成功地输送到适当的下游连接管段。对于4.5L和3L的冲洗体积，行程距离分别为7.9米和5.9米。
水流方向
图2.根据DRAINET的预测，由厕所产生的固体沉积的比较
排放耗水量的变化分别表明，在这两种情况下，固体在管道3中沉积。但是，这种情况常常被认为是一个失败的系统，需要通过增加冲洗量来弥补，但是，通过调整管径至75毫米，如图2所示，排水管可延伸至9米及7.8米以上(分别为4.5升及3升)。我们要注意，对于从设备处到9米处的下游连接点，3 L冲水的流量流量在输送方面仍然不足。然而，通过从管道1后续的3L冲水模拟(例如，从邻近的地点或房间排放)在30秒的模拟时间，流动条件可以延长这种固体的旅行距离，超过所需的最低限度。
此示例说明了如何在减少冲洗量的同时不需要减少管道携带性能的排水线路。在这种情况下，主要是通过减少管道直径来促进运输。通过调整管道坡度，或通过评估整合或调整排放流量，可以实现类似的改进。
这可以看出，虽然本文所介绍的例子仅基于三根管道的使用，但DRAINET显然是能够模拟任意数量的具有代表性的典型建筑或一个小的建筑群的管道，因此可以很容易地提供信息，说明在设计供水和排水系统时采用何种最佳方法来制定节约用水政策或追求可持续发展的能力。
3.保持居住空间和排水管道之间的物理屏障
需要注意的是，从排水设备中流出的不稳定液体自然会在管网中产生压力变化。尤其是当垂直管道受到形成水环空的排放流的影响时，以及从系统通气管处引入无接触气流时，情况尤其如此。排水管网内的任何压力的变化显然将对系统整体的反应有影响，正是由于压力的瞬间变化，才导致了水封枯竭的可能性。通常情况下，水封为建筑物内一条通往下水道系统的管道，提供了可居住空间与管道中存在的烟雾之间的物理屏障，因此，重要的是，任何压力的变化都可能破坏水封，从而损害了屏障的完整性而使阻断能力最小化。
当一个或多个装置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气管道中产生气压瞬间变化。图3说明了垂直或“成环”管道内的环隙是如何形成的，尽管“防滑”的原理是一种气流，在大多数情况下，它是从排水管与通气管道形成的。图3还示出了在给定点的排放流量的变化是如何通过系统通过空气压力的变化来传递的，以及当上部排水管网终端提供通气时，如何在所有连接的卫生器具中产生在“途中”遇到的压力的改变。
赫瑞瓦特开发的数值模型AIRNET同样使用特征技术的方法来预测整个系统的压力和气流响应。边界条件同样需要定义来支持系统模拟，赫瑞瓦特所做工作的一个重要组成部分是描述适当的理论和经验衍生的描述性算法，代表系统的驱动程序和组件[5]。该模型还包括一种模拟水
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