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 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-

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 environmental impact. Water supply and drainage systems for buildings therefore provide a number of opportunities for the integration of sustainable solutions, however, these must be achieved without compromising performance, and thus, the response of systems during use must be fully understood.

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 specification 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 facilitated 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 differential equations solvable by finite difference methods. These equations are termed the C^thorn; 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 appreciated that at system boundaries, an additional equation is required to complete the finite difference solution. Equations are therefore defined at these locations, and provide information on the static or dynamic behaviour, as appropriate, of the boundary.

The theoretical and empirical definition of these boundary condition equations has formed the focus of both past and present research at Heriot–Watt, and has facilitated the development of the three component models referred to in this text – DRAINET, AIRNET and ROOFNET. All three are based on the Method of Characteristics technique described, and each has been successfully used to enhance the design approach for relev

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将可持续性纳入建筑物给排水系统的设计

L.B.Jack*，J.A.Swaffield

苏格兰，爱丁堡，赫瑞-瓦特大学建筑环境学院

摘要：

在解决建筑环境的可持续性问题时，重点往往是最大限度地减少能源消耗和材料使用。然而，人们常常忘记的是在设计建筑用水和废物管理系统时集成可持续解决方案的潜力。

这类系统的基本功能得到了明确的承认，但传统的设计原则往往限制了提高性能以及水和管道工程经济的机会。在某种程度上，这是不足为奇的，因为基本的前提是，对流动的稳态分析是世界范围内使用的许多规范和准则的基础。然而，模拟方法的进展现在可以全面评估由于使用新技术和从集成创新和更可持续的设计方法而产生的系统性能。

本文概述了在赫瑞-瓦特大学大学开发的一套数值型建筑物的供水和排水系统的仿真模型。这些模型利用圣维南方程的适当形式，应用特征有限差分技术，准确地预测了这些系统内的压力和流动状态。。本文提供了三个不同的应用实例，其中每个应用的重点是在设计中嵌入可持续性。

关键词：水、排水、建筑物、数值模拟、可持续性

1。导言

在为建筑物提供供水和废物管理系统时，必须确保业绩。主要职能包括:提供饮用水和基本卫生所需的饮用水;去除被污染的水与废品;以及在排水管和下水道中存在的潜在有害的泥潭与可居住的空间之间设置物理屏障。同样重要的是，建筑物使用的最佳利益，任何冲击雨水，以及产生的废水，从而减少不必要的浪费，并限制下水道和排水网络及/或收集系统的负荷。可持续性应通过限制供水和消耗来支持上述每一个方面的设计理论，并通过减少材料使用、成本和环境影响。因此，建筑物的供水和排水系统提供的数量整合可持续解决方案的机会，然而，这些目标必须在没有妥协的情况下实现性能，因此，必须充分了解系统在使用过程中的响应。

在设计水和废水系统时，通常采用的方法是应用稳态原理，例如确定流量负荷或压力响应。虽然这类方法以某种确定性的方式促进了系统规范，它们很少提供机会来评估系统的随时间变化的响应信息，这些信息可以随时通知地为关键的设计决策。因此，下面的文本将说明如何理解系统的热力响应加上在赫瑞-瓦特开发了一套数值模拟模型，促进了建筑物给排水的有效和高效的设计和分析，从而实现了全面的评估整合创新和可持续设计解决方案的潜力。在这一点上值得注意的是，在整个文件中，“供水”一词将在建筑物内的用水背景下提出，直接要求从大规模网络的供应。

在赫瑞-瓦特开发的套件中，每个组件模型都使用特性技术方法。这项技术最早是在1900年被马萨乌用来分析开放通道流，然后由拉莫恩在1947年分析水锤子，和将圣维南连续性和动量方程的适当形式转化为一对可用有限差分法求解的总微分方程。这些方程被称为C 和C-特性，以及根据相邻上游和下游节点的当前条件，定义节点在将来的一个时间步长上的条件。有限差分网格是使用自变量距离定义的，X和时间t与因变量链接，或者在和C-空气或空气的流体速度和传播波速度在和H–自由地表水的流体速度和深度。应当理解，在系统边界处，需要额外的方程来完成有限差分解。因此，在这些位置定义了方程，并提供关于边界的静态或动态特性的信息。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，并促进了这三种方程的发展，即本文中提到的组件模型-DRAINET、AIRNET和ROOFNET。这三种方法都是基于所描述的特征方法技术，每一种方法都已成功地用于增强相关系统的设计方法。龙处理部分填充物(即自由表面、管道流动)的瞬态分析，主要解决内部建筑排水系统的性能问题。它的应用最近已扩大到包括当地的外部排水系统。我们的流动状态可能仍然是波衰减的特征。AIRFLOW通过预测影响水基装置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。ROOFNET评估了传统和虹吸式建筑雨水排水系统的性能。值得赞赏的是，在一定程度上，ROOFNET和DRANET可以联合运作，以便利从表面到当地的排水系统。本文将说明，通过使用例如，如何将这些模型组成部分应用于将可持续性纳入建筑物的给排水系统设计并将其嵌入。

2。饮用水的使用和减少厕所冲洗体积的影响

可持续性的定义可能而且往往确实因确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可持续发展。例如，使用能源或材料，而在其他区域，可持续性更多的是稳定地提供基本需求。在后一种背景下，并根据联合国的千年发展目标，一个关键目标(在联合国关于水和卫生的任务中传达)将到2015年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”。因此，在许多国家，相当大比例的喝w建筑物的供应用于冲洗。仅治疗过程就可减少大量的大量费用，这显然是显著的，再加上减少的间接节约在管道尺寸为供应和排水系统，进一步增加。

关于大幅减少。体积然而，人们常常对从萨尼清除废物和其他产品的效率感到关切。以及通过相关排水网络运输的器具。在英国，早在1900年左右就被认为是40升的冲水量，然而在大幅减少到9。1升(2加仑)之后，它就被认为是过度的的数量在实施任何进一步的大幅削减之前的几十年。法定条例，到2001年执行，现在规定，对于安装，最大冲水体积为6升，减少的冲水体积不超过最大的三分之二，从而t将目前用于冲洗的家庭供水的约三分之一的水平的重点放在一起。

假设任何废品要么是有机的，要么符合公认的可燃性标准，因此重点石将此废物输送到下游排水沟或下水道的管道的性能。为卫生设备服务的管道中的流动方式本质上是不稳定的，在赫瑞-瓦特大学d在其他地方，目的是预测设计变化和水消耗的变化对离散固体的排水管道携带的影响。能够预测固体沉积的位置，并能够采取预防措施，y避免堵塞的倾向。

下面的文本提供了一个简单的示例，说明如何使用DRINET评估管道在受到可变的排放体积影响时的性能。在这种情况下，从放电的体积显示连接到管道2，图1，在9、6、4。5和3l之间变化。所选的四个刷新卷中的每一个都使用的配置文件，该配置文件也显示在图1。在本例中，实体离开应用程序的时间e进行了适当的修改，以确保在所有情况下，这都早于峰值流量发生的点。这一点很重要，因为众所周知，除了排放剖面、固体参数和管道坡度、直径、粗糙度和#39;b#39;b酶#39;流量，固体放电时间相对于整个冲水持续时间(即从而定义#39;尾随体积#39;)对排水线携带有重大影响(其中早期的固体去除确保更大的行驶距离)。

在此模拟中，第二w。c。的冲水体积为3l，连接到下游5米，但最初没有操作。所有下游管道都被指定为直径100毫米，设置在每100人中有1个的坡度。

通过使用是可以模拟的两个e从w。c。流出的流量的表面衰减以及离散固体的任何沉积发生的位置。这就需要包括预定义的边界条件方程，这些方程将流动深度、流速和时间联系起来，并且确定物理系统部件位置的条件，例如管道连接点和液压跳跃。还需要定义任何离散固体位置流动条件的公式，以便于模拟(b单一和多个)固体沉积。

图2显示了在9和6l的冲水体积中，固体的沉积点位于模拟网络之外，即9米以上，从而表明固体已成功地传递给应用下游连接。对于4。5和3升的冲流量，行驶距离为7。9米和5。9米。

刷新配置文件 管道连接

图1。 显示2路管道连接的冲洗轮廓和原理图

图2。由DRENET预测的固体沉积的比较，产生于不同耗水量的市场经济

在这两种情况下，管道3。这种情况通常被认为是系统的故障，可以通过增加冲洗量来补救，但是，通过将管道直径调整为75毫米，可以显示，图2，排水线的携带可以延长到9米和7。8米以上(分别用于4。5升和3升冲洗)。对于距离设备9米的下游连接点，请注意，从设备中排出的3升在运输方面，冲洗仍然不足。然而，通过模拟子seq从管道1(代表，为例如，在30秒的(模拟)时间从相邻的属性或房间排出)时，流动条件可以将这种固体的行驶距离延长到所需的最小值之外。

此示例说明了如何重新在冲水量中的感应不需要伴随着网络的排水线携带性能的降低。在这种情况下，运输主要是通过减少管道直径而得到便利的。类似的改进可以通过广告来实现管道坡度的调整，或通过评估联合或顺序排放流量。

值得赞赏的是，尽管这里介绍的例子是基于只使用三个管道，DRINET显然是能够模拟任何数量的管道再回将典型建筑或一小群建筑物送进，因此，在执行节水政策或在供水和排水系统设计中追求可持续性时，可以随时提供关于最佳方法的信息。

3。持宜居空间和排水管道之间的物理分离

我们会注意到，排放装置的任何不稳定流量自然会在管网内产生压力变化。这一点尤其重要当垂直管道受到形成水环的排放流动时，以及当一个相关的气流从系统通风口位置被输送时，则为true。排水管网内的任何压力变化都将清楚地有影响后的总体系统的响应，但它主要是压力出游的瞬态性质，导致疏水阀密封水耗尽的可能性。通常情况下，水基疏水阀密封提供了适合居住空间和为建筑物提供管道的管道中存在的迷雾，并为下水道系统提供管道，因此，必须尽量减少任何可能取代这种水从而损害屏障完整性的压力变化。

当一个或多个电器的排放流量变化相对较快时，最常见的是在排水和通风管道内产生气压瞬变。图3说明了如何形成的环内垂直的，或#39;堆栈#39;，管道进入，虽然原理#39;无滑#39;，气流，在大多数情况下，从上堆栈端接。图3还显示了在给定点上的排放流量的变化是如何通过系统通过气压的变化，以及当通风由上堆栈端接提供时，如何导致在“途中”遇到的所有连接陷阱的压力变化。

赫瑞-瓦特大学开发的数值模型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。。边界条件再次需要定义才能进行系统模拟，并在赫瑞-瓦特大学专注于适当的理论和经验派生的描述性算法的特征，这些算法代表了系统的“驱动程序”和组件[3]。该模型还包括一种先进的方法来模拟at–空气接口显示在图4通过集成无量纲速度微分项，从“单流量”模拟的约束中释放模型，从而能够分析多个分支入口流。灵活作为输入数据的系统规范，再加上设备放电模式，从而可以预测瞬态气流和压力以及疏水阀密封保持水平，从而在评估系统p的能力方面向前迈出了重要一步。以响应在追求可持续发展过程中发起的变化。

节约用水显然会对这个排水管道内的水流制度产生影响。一般来说，流量减少的影响的特点是堆栈内的终端水速总体降低，从而导致在空气运动由于“无滑”气压瞬态相应地减少空气夹带和系统压力。不过，我们将意识到，减少体积的家电排放概况仍然明显依赖于时间。

该仿真模型准确预测系统压力的能力，不仅通过使用低冲水的W。C。引入了大幅减少用水量的潜力，而且还带来了一种可能性。 也是为了集成设计解决方案，以产生管道经济。降低管道成本的好处是清楚这些都得到了进一步的加强，当安装，维护和空间以及环境影响因素也得到了考虑。

对排水通风系统历史发展的简要回顾显示，在过去的一个世纪里，英国和欧洲的排水通风系统是如何从过于繁琐的中发展起来的通过无立管系统(带有两个垂直管道)和上，对于高度约30层的建筑物，采用单堆栈系统(只有一个垂直下水管道)。在世界一些地区，避免使用单一堆栈系统，主要原因是担心产生过度的压力出游的可能性，然而，了解固有的不稳定流动条件的起源和性质的能力。这样的系统应该消除这样的担忧。AIRNET不仅可以用数值模拟技术证明单堆栈是可行的，性能良好，并且减少了对管道的需求，而且还有助于对整个系统进行评估在预定条件下的性能，或安装创新和可持续的设计解决方案。

图3。在烟囱管道中的环形流动，其中排放流量的变化导致空气压力瞬变，上面的烟囱终止为其提供救济。

下面的文本说明了在三个情况下，AIRNET被用来提高系统操作的知识。在这些示例中的第一个示例中，表1。2003年，在香港淘大花园个案中，提供空气网络输入参数，以证实严重急性呼吸系统综合症病毒的传播。在详细说明这次疫情的发生时，非典专家委员会报告了水基技术的根本作用。被允许变干的，从而在公寓的宜居空间和排水管道之间建立了联系。事件发生后，AIRNET被用来突出系统中的正常压力变化，当与浴室通风风扇引起的空气(如在淘大花园发生)结合在一起时，会导致明显的空气运动，也许更重要的是，混合了潜在的空气层压空气，当一个或多个建筑物陷阱密封件已被破坏。

避免屋顶结构渗透以适应上堆栈端接的好处是显而易见的，有一段时间现在已经实现了，通过使用空气导纳阀(Aav)。这些阀门通过允许空气通过一个整体隔膜进入网络来响应负压，而当受到正压时，它们会接近以防止污垢的释放r和米艾玛。可以很容易地显示，使用AIRNET，Aav在整个网络中的分布(现在是正常做法，在国家代码允许的情况下)--除了或取代位于上堆栈位置的AAV之外--可以亲通过拦截接近其原点的瞬态来更有效地缓解负压。这样就可以避免图3，当瞬态在整个网络中传播时，有可能丢失陷阱密封完整性。到更远的通风口位置。

对于在正压方面发生重大变化的系统，例如，由排放到收集槽引起的压力，或者网络设计导致附加费的系统，在赫瑞-瓦特大学进行的研究包括:与行业合作伙伴合作，促进了正气压衰减器(PAPA)的开发。使用灵活、可变体积的安全壳，其主要目的是降低由此产生的气流变化率在浪涌事件中，PAPA为建筑物提供了积极的浪涌保护，因此可以进一步避免不必要地包括昂贵的通风管道，图4。

表1。 用于模拟淘大花园 (香港) 排水系统的输入参数

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