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在建筑给排水设计中考虑可持续性
L.B. Jack , J.A. Swaffield
摘要：在解决建筑环境的可持续性问题时，通常把焦点放在最大限度地减少能源消耗和材料使用上。在设计建筑物的用水和废水管理系统时，可持续性解决方案的巨大潜力然而却常常被遗忘。这种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管道工程性能的提高和经济的发展。在某种程度上，这并不令人惊讶，因为对流体进行稳态分析是以全球范围内使用的很多规范和准则为基础。然而，仿真方法的进步，意味着从新技术的使用程度、更具可持续的设计方案的创新与整合程度的角度来充分评估系统的性能。
本文概述了赫瑞瓦特大学通过模型开发的一套数值对建筑物的供水和排水系统进行评估。这些模型使用适当形式的圣维南方程式将系统内的压力和流动状态表示的很准确。本文提供了三种不同的应用案例，但是每一个案例都着重叙述将可持续性融入到建筑给排水的设计中。
关键词：水；排水；建筑；数值模拟；可持续性
1 引言
在提供建筑给水排水系统方案时，确保使用性能是至关重要的。主要功能包括：提供卫生的饮用水；排除污水；把排水管和下水道中存在的有害气体与人类的居住空间隔离开。建筑物最大程度的利用雨水以及任何地方产生的废水也是十分重要的，从而减少不必要的浪费并减轻立管和排水管网以及收集系统的负荷。可持续发展应以通过限制水的供应与消费、减少材料的使用成本和环境影响为理论设计基础。因此为设计建筑给水排水系统一体化的可持续发展的方案提供了大量的机会，然而，这些必须在不会影响使用性能条件下实现，所以，必须充分了解系统在使用的过程中的反应。
通常为了确定适用于给排水系统的设计方案，要以稳态原则的应用为基础，例如，流体负载或压力的反应。尽管这样提供系统反应时间的机会很少，但是以某种确定的形式简化了系统的规则，从而可以轻易地给出关键设计决策。所以，本文将说明，赫瑞瓦特大学里的一套数值模拟模型与开发相结合的系统的动态响应，促进了建筑供水和排水系统有效和高效的设计和分析，从而全面评估整合创新和可持续设计方案的潜力。本文中，在这一点值得注意的是，“给水”将在建筑物内使用水的情况下提出，间接地指大型管网的供水。
在赫瑞瓦特大学，每个组件模型都采用了特征技术方法。这项技术最早是由Massau在1900年用于分析明渠流量，然后在1947年Lamoen用于分析水锤，并以适当的形式将圣维南的连续性动量方程转化为一对可用有限差分方法求解的全微分方程。这些方程被称为C 和C-特性，根据相邻上游和下游节点的当前状况来定义未来一个时间节点的情况。有限差分网格用来定义独立的变量距离x和时间t，与因变量u和c—流体的速度和空气传播波速度，或是u和h—自由地表水的流体速度和深度。应该认识到，在系统边界处需要附加的等式来完成有限差分解。因此在这些地点定义方程式，并酌情提供关于边界静态或动态的行为信息。
赫瑞瓦特大学过去和现在研究的重点均是关于这些边界条件方程的理论与实证的定义，并且已经促进了文章中提及的三个模型组件的发展，分别是DRAINTE、AIRNET、ROOFNET。这三个都是基于所描述的特征技术的方法，以及每个已成功地用于加强对相关系统的设计。DRAINET处理不满流的瞬态分析，即自由表面，主要是为了处理建筑内部排水系统的性能。它的应用已经扩展到当地外部排水系统，其中流态可能以波衰减为特征。AIRNET审查排水通气系统的瞬态响应，通过预测的压力和气流来影响器具水封的完整性，而ROOFNET评估建筑物中传统和虹吸雨水排水系统的性能。在一定程度上，可以认为ROOFNET和DRAINET可以共同运作，以方便预测雨水从屋顶表面到当地的排水系统里。本文将举例说明如何将这些模型组件融入可持续发展并将其应用到建筑给排水系统的整合和设计中。
2. 饮用水使用和减少厕所冲洗水量的影响
可持续发展的通用定义可能不同于下文所设定的定义。对于许多发达的国家，可持续发展的重点在于减少或优化使用，例如，能源与原料，而在其他地区，可持续发展更着重于满足基本的供需要求。在后文中，针对联合国的千年发展目标，一个关键的目标（在联合国水和卫生问题特别工作组传达的意见）是“到2015年无法持续获得安全饮用水和基本卫生设施的人口比例将减半”[1]。因此，在许多国家似乎违反了它的直接规律，建筑物饮用水的供应很大一部分用于厕所冲洗。单单由减少冲洗过程产生的冲洗量从而降低相关的直接成本节约效果是显著的，并且当由于给水与排水系统的管道尺寸减少而促进的间接节约，则成本会进一步降低。
然而引入任何显著的减少厕所冲洗量的建议，通常会关注卫生设备中清除废物和其他产品的效率以及通过相关排水管网的运输效率。在英国，早在大约1900年40L的冲水量已经被确认过度了，然而经过一个急剧的减少已减少至9.1L(2加仑)。然后再有进一步显著减少就到了数十年后了[2]。2001年实施的法律规定，在安装时，最大的冲洗水量为6L，并且再减少的冲洗量不得超过最大量的三分之二，目前用于卫生间的冲洗用水占生活用水的三分之一左右，这看似是不相称的[3]。
假设产生的是有机废物，或是符合公认的冲洗标准，因此将重点转移到管道系统的性能，包括下游的排水渠或污水管的接受能力。卫生服务设备管道的流态在本质上是不稳定的，并且在赫瑞瓦特大学和其他地方在开展其本质工作，目的是预测在携有离散固体的水流通过排水管线时，设计水量的变化对通过水量有无影响。预测到固体沉积的位置，并且能采取相应的预防措施，很明显地避免了堵塞的倾向。
以下介绍一个简单的案例，当厕所排放量改变时，管道使用性能可以使用DRAINET模型评估。在这种情况下，排放到管2的水量，在9、6、4.5和3L之间变化，如图1所示。每一种四个冲洗水量用此模型模拟，显示在图1中。在这个例子中，确保在所有情况下，固体离开器具的时间适当的发生变化，都出现在流量峰值之前。这是很重要的。因为这是公认的，除了排放水量，固体参数，和管道坡度，直径，粗糙度和基本流量之外，固体排放时间是相对于整体冲洗持续时间对排水管携带固体量有一个显著影响（早期去除固体确保了更长的流淌时间）[4]。
在该模拟实验中，第二个厕所用3升的冲洗量，连接在下游5米处，初始实验未做进行对比实验。所有下游的管道直径为100mm，斜率为0.01。
通过使用DRAINET，它可以模拟来自厕所污水的流动情况，以及离散固体将发生沉积的位置。这需要预先定义的边界条件方程，包括深度，流速或/和时间，并且确定系统的特定位置，例如，管道交汇处及水跃处。定义任何离散固体位置的流动条件方程也需要模拟（单个和多个）固体沉积。
图2表示出了一个9L和6L的冲洗水量，沉积固体的位置超越管网建模即超出9米，即表明该固体已成功地被输送到一个适当的下游连接处。对于冲洗水量为4.5升和3L时，行程距离为7.9和5.9米，在这两种情况下，固体沉积在管道3处。这种情况通常被认为是管道故障可以通过增加冲洗水量来弥补。然而，通过调整管径至75毫米，就出现如图2所示的情况，该排水管线沉积点可以扩展到超出9米和7.8米（冲洗量分别为4.5L和3L）。被公认是，它的下游连接点位于9米的排放处，排水量从3L方面看仍然不足。然而，通过在随后30s的时间内，模拟管道1用3L的冲洗量冲洗，（例如，表示从相邻的房屋或房间排除），流动状况表示可以延长该固体的行进距离，超出了最低的要求。
这个例子说明了冲洗水量的减少，管网携带固体的性能不一定降低。在这种情况下，主要通过减小管径来促进水的输送能力。通过调整管道坡度，或者评估组合或顺序排放流量，就可以实现类似的改进。
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
可以理解的是，虽然这里介绍的例子中只使用三根管子，但DRAINTE显然是能够模拟代表典型建筑或小型建筑群的任何数量的管道，因此可以很容易地提供在推行节约用水的政策时，或在追求可持续发展的供水和排水系统的设计时的最佳方案。
- 保持居住空间和排水管道的物理隔离
很容易理解，任何从卫生器具排出的不稳定流将在管道内产生压力变化。当立管受到水塞流并且夹带系统内的空气时，更是如此。排水管网内的任何压力的变化都会对系统的整体变化产生很大的影响，然而，主要是压力偏移的瞬时特性，由于潜在的压力变化会引起水封的损耗。通常，目前通过水封提供建筑物的管道系统、可居住空间与瘴气之间的物理隔离，然而需要注意的是，任何压力的变化都可能取代这种水封，从而危及水封的完整性的，水封保护作用被最小化。
当一个或多个设备的排放流量发生较快变化时，在排水和通气管道内产生气压瞬变。图3展示出了环状流如何在立管中形成，或“叠加”，管夹带，并且存在水膜流界面，在大多数情况下，空气流从上部通气帽终端被排出。图3还展示了既定位置排放流量的变化如何通过系统传递空气压力，以及当通风帽终端通气时，所有与之连接的水封都会遇到瞬时压力的变化。
赫瑞瓦特大学开发的数学模型，AIRNET，同样是采用特征技术的方法以方便地预测整个系统的压力和气流响应变化。实现系统仿真边界条件需要再次定义，并且赫瑞瓦大学开展工作的重要组成部分集中在适当地表征理论和经验派生的描述性算法，这些算法既代表系统的驱动因素，又代表组件[5]。该模型还包括图4所示的模拟水 - 空气界面的先进方法。通过对无量纲速度微分项的积分，将模型从“单流量”模拟的约束中释放出来，以便对多个分支入口流量进行分析[6]。
输入数据的灵活性，了解了器具的排水模式，可以预测到瞬态的气流与压力，同时保证水封的密封性，从而在追求可持续发展的能力，为评估系统的性能提供重要的一步。
节约用水显然会影响排水管道内的水流状况。一般情况下，流量减少的特征在于，在终端中水的流速总体降低，因而导致空气的卷吸和系统压力相应减少。然而，可以理解的是，减小体积的器具滞留曲线仍然显着地依赖于时间，因此必须继续评估瞬时压力的影响，以确保水封的完整性。
仿真模型准确预测系统压力的能力不仅通过引入低冲洗水容器大量减少水消耗的可能性，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显而易见的，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，这些成本会进一步增强。
简单地回顾一下排水通风系统的历史发展情况，在过去的一个世纪里，英国和欧洲的系统从一些繁琐的双管道系统（包括四根立管）转变到单管道系统（具有两根立管）并且映射到，在一个30层高度的建筑里，单立管系统（仅有一根立管）。在世界上的一些地区，单立管系统已经被禁止因为关乎到过度的短程压力，然而，理解表征这种系统的固有不稳定流动状态的起源和性质的能力应该减轻这种担忧。
图4. 说明如何控制设备，来保证有效地通风
不按规模统计
当正压力出现时，由于堆叠的增加，正气压衰减器转移水流，最大限度地减少了瞬变反应
安装吸气阀和正空气压力衰减器时，降低了存水弯破坏的程度
当没有吸气阀或正空气压力衰减器时，压力会影响水封
吸气阀
正空气压力衰减器
随着水流的增加，当负瞬变反应发生时，增加的卷入气流会因吸气阀的作用会减少。
吸入空气
排水装置
这不仅可以表示，使用数值模拟技术，单立管系统是可行的，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。
下面的文字说明了在三种情况下，AIRNET已被用来推进系统操作的情况。在第一个例子中，表1给出了AIRNET证实SARS病毒在2003年的香港淘大花园传播案件使用的输入参数。详细介绍了这次的暴发事件，根据SARS专家委员会报告的水封的基础性作用，已被澄清，因此提出排水管道堵塞与居住空间的联系[7]。事后，AIRNET也用来强调正常的压力系统如何变化，加上卫生间的通风风扇（如发生在淘大花园
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