能源及建筑135(2017)119-127
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能源及建筑物
降低中国高层建筑供水能耗
作者名:Kate Smith, Shuming Liu lowast; , Yi Liu, Ying Liu, Yipeng Wu
清华大学环境学院，北京100084，中国
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文章信息 文章历史: 2016年6月1日收到 已收到修订本 二零一六年九月十二日 2016年11月16日接受 2016年11月18日 关键词: 气候变化 能源消耗量 温室气体 抽水 供水 |
摘要 尽管高层建筑中的供给水是城市供水的一个主要因素，但在能源计算中却被忽视了。使用两个常用的泵系统的数据，并将结果推广到中国的一个特大城市，我们发现超过三分之一的供水供给一个城市十分之一的人口。建筑物可以通过用加压稳压系统取代传统的水箱系统来减少45%的抽水能量。后者利用供水网络提供的压力，而前者通过在气压下储存水而损失能量。通过用加压稳压系统替换25%的水箱系统节省的电力是城市中高压供水能量的11%，并减少了8600吨的二氧化碳年排放量。随着中国城市人口的增长和生活密度的提高，替代控制是减少与供水有关的排放的一个现实途径。 copy;2016 Elsevier B.V.保留所有权利 |
- 引言
根据2015年联合国气候变化大会筹备期间提交的目标，中国的目标是在2005年至2030年间将单位GDP的二氧化碳排放量减少60%至65%[1]。在中国，电是二氧化碳排放的主要来源，因为大约80%的电力是用煤发的 [2,3]。
为了实现减排目标，中国必须确定并应对导致用电量增加的趋势。2014年，中国公布了一项到2020年将城镇率提高到60%的计划，这可能会导致城市用水需求和生活密度的上升，这两个因素都有可能增加城市供水部门的用电量。2001年至2011年间 [4,5]，中国城市用水需求增长了33%，2000年至2010年间 [6]，居住在7层以上建筑物中的家庭数量增长了一倍多。在中国，7层及以上楼层需要建筑物内部的抽水系统，这增加了供水的能源消耗。与2012年相比，预计到2025年，中国还将有25个城市突破100万大关。因此，中国面临着在城市化的同时稳定或减少城市供水用电的挑战。完成这一壮举将使城市供水中国2030年减排能力的部门名单中去除[7,8]。这个分析了高层住宅建筑抽水对城市供水用电的重要贡献，提出了提高城市供水效率的实用方法。
忽视建筑物高度对电力消耗的影响可能会破坏中国减少二氧化碳排放的步骤。但是，由于缺乏对高层建筑抽水用电的研究，影响了这一领域的政策发展。能源使用在水部门的重要性经常被忽视[9]，到目前为止，在中国和其他国家，用于建筑物生活用水抽水的能源问题受到的关注有限。这一点在最近关于建筑物能源利用的信息、预测和效率[10-16]以及中国城市供水能源利用的研究[17-22]中表现得很明显，这些研究没有充分考虑建筑物内供水抽水系统的能源利用。对台湾和香港高层建筑供水的研究，一直是基于理论水泵方程[23]或只有一种抽水系统的建筑物的实测数据[24]。
本文首次对我国两种用于住宅高层住宅供水的抽水系统的用电量进行了定量分析。这些信息将用于两个目的。首先，从建筑水平、城市水平和国家水平估算高层抽水对供水过程的贡献。第二，通过最有效的抽水系统的实际应用，确定实际可以节省多少电能。选取1500多万人口的特大城市作为城市水平评价的个案研究。
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lowast;通讯作者。 电子邮件地址: skt15@mails.tsinghua.edu.cn (K. Smith), shumingliu@tsinghua.edu.cn (S. Liu), yi.liu@tsinghua.edu.cn (Y. Liu), ying-liu15@mails.tsinghua.edu (Y. Liu), wu-yp14@mails.tsinghua.edu.cn (Y. Wu). http://dx.doi.org/10.1016/j.enbuild.2016.11.033 0378-7788/copy; 2016 Elsevier B.V.保留所有权利. |
文章指出了高层住宅建筑抽水对城市供水用电的重要贡献，并提出了一种提高效率的实用方法。
管道中的箭头表示水流方向。
图1.中国两种常见的高层建筑给水泵送系统。（a）增压泵和破碎罐（BPBT）系统由变速泵和大型破碎罐组成。（b）全增压增压增压器（EPB）系统由一个变速泵和一个小型增压罐组成。如图所示，两个系统都连接到城市干线。水从总水管流过地下室的水箱，然后在建筑物内泵送至用户。
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材料和方法
- 计算能量强度
本文选择了我国两种常用的高层建筑供水抽水系统进行研究。这些是增压泵和稳压罐(BPBT)系统和完全加压增压(EPB)系统，如图1所示。这两种系统的主要区别在于罐的部件。在BPBT系统中，来自城市主管道的水在大气压力下储存在一个巨大的罐中。EPB系统消除了主电源和第一增压泵之间的断路槽。取而代之的是，来自中央分配系统的水进入一个小的加压水箱，然后被泵直接输送到消费者手中。从中央分配系统进水至少应有28米的水头(即能量)，当水储存在一个破碎的水箱中时，水就会流失。在EPB系统中，水一直处于加压状态，这样可以避免能量损失。
采集了中国三大城市不同居住小区的10栋高层住宅的泵用电量和流量数据。这10座建筑由14个数据集表示。设置1-9对应于具有完全加压助力器(EPB)系统的建筑物，设置10-14对应于具有助力泵和稳压罐(BPBT)系统的建筑物。集合5和集合10对应于同一建筑物从BPBT改为EPB系统之前和之后，9和11也是如此。改造系统的平均成本为38万元，改变发生在2014年上半年。集合7和集合8是指同一建筑物的低层和高层，集合13和集合14也是如此。建筑物从10层到34层不等。所有的流量数据都是用附在泵系统上的流量计收集的。累积流量数据每秒或每分钟自动记录。累积耗电量是使用自动电度表记录每秒或每分钟的耗电量，或使用流量计量期开始和结束时连接到泵上的标准电度表的读数计算的。流量和电量计量周期平均延长7天。
使用计量期间的总流量和总用电量计算每组的每立方米泵送能量。
Ep = E/Q
(1)式中，Ep=每立方米水所需的泵送能量（kWh/m3）；E=计量期间泵送系统使用的总电能（kWh）；Q=同期通过泵送系统的总流量（m3）.
对于每台机组，使用等式（2）计算泵送系统所需的升力。假设泵送系统为水提供足够的提升力以到达顶层。因此，提升是泵（F）提供的最高楼层的功能。假设一层的平均高度为2.8米[25,26]。根据国家标准[27]，数字10包含顶层所需的头部。现场观察和调查表明地下室一般在地下4到5米，因此等式（2）中使用4.5表示从地下室（水泵所在地）到地面的平均水位。式（2）不考虑在建筑物内转移水时克服摩擦所需的额外水头，因为与所需总水头相比，摩擦引起的水头损失通常不显著。
h = 2.8f 10 4.5 (2)式中，h=为离开泵送系统的水提供的提升力（m）；f=必须提升水的最高楼层。
利用方程（3）计算了每台机组每立方米每米提升的泵送能量。
Ei = Ep/h
(3)式中，Ei=机组i每立方米水每米提升的泵送能量（kWh/m3 m）；i=1，2，hellip;，14；E=所需泵送能量。
p
每立方米水（kWh/m3）；h=提供给离开泵送系统的水的升程（m）。
根据式（4）计算了EPB系统每立方米每米的平均能量。式（5）给出了BPBT系统的平均能耗。
式中，Epres=EPB系统每立方米每升程的平均泵送能量（kWh/m3 m）；E=机组i每立方米提升水的泵送能量（kWh/m3 m）；Ebreak=BPBT系统每立方米提升水的平均泵送能量（kWh/m3 m）.
2.2.两种抽水系统建筑物能量利用计算
根据公式，计算了两种不同的抽水系统在F层建筑内将水抽至7层及以上楼层所需的日总能量。（6）和（7）。
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Epres,f = Vge;7,f times; h times; Epres |
(6) |
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Ebreak,f = V 7,f times; h times; Ebreak |
(7) |
假设所有的水都以建筑物内所需的最大压力（即顶层所需的压力）离开水泵。因此，根据式（2）计算h。
式中，Epres，f=假设使用EPB系统，f层住宅建筑内所需的每日总抽水能量（kWh/天）；vge;7，f=f层住宅建筑7层及以上所需的水量（m3/天）；h=提供给离开抽水系统的水的提升机（m）；Epres=EPB系统每立方米每米提升的平均泵送能量（kWh/m3 m）；E=假设使用了BPBT系统，F层住宅建筑内所需的每日总泵送能量（kWh/天）；
Ebreak=BPBT系统每立方米提升的平均泵送能量（kWh/m3 m）。
根据公式，计算了两种不同的抽水系统将水抽至案例城市所有住宅建筑内7层及以上楼层所需的日总能量。（8）和（9）。
式中，Epres，tot=假设使用EPB系统，在7层或以上的所有住宅楼内抽水所需的每天总能量（kWh/天）；Epres，f=假设使用EPB系统，在F层住宅楼内抽水所需的每天总能量（kWh/天）；Ebreak，tot=在所有R内抽水所需的每天总能量假设使用了BPBT系统，则为7层或更多楼层的住宅建筑（kWh/天）；以及Ebreak，f=假设使用了BPBT系统，则为F层住宅建筑内所需的每日总泵送能量（kWh/天）。
2.3.外推到城市层面
中国的一个超过1500万人口的特大城市被选为一个案例研究，用于估计全市范围内住宅建筑物内抽水的能源使用情况。2010年的统计年鉴和统计数据被用来确定2010年该市居住在7层以上建筑物中的人数[28,29]。不包括6层以下的建筑，因为集中供水应该有足够的压力到达六楼。人口普查数据包含了该城市1层、2-3层、4-6层、7-9层和10层或10层以上的住户数量。这些数据是对10%的人口进行随机抽样，只包括城市地区的家庭。不包括受案例城市管辖的县。关于8层或8层以上建筑物总数以及住宅和非住宅建筑物占用总面积的统计年鉴数据被用来估计10层或10层以上住宅建筑物的分布情况，然后可用来计算住户在这些建筑物中的分布情况[29]。
选择中国超过1500万人口的超大城市作为案例研究，以估算城市范围内用于住宅建筑内抽水的能源使用情况。2010年统计年鉴和人口普查数据用于确定2010年该城市7层或以上建筑物的人数[28,29]。 6层或以下的建筑物不包括在内，因为中央分布的水应该有足够的压力到达6楼[30]。人口普查数据包含住在1 层，2-3层，4-6层，7-9层和10个或更多的建筑物的住户数量[28]。这个数据是10％随机抽样的人口，只包括城市地区的家庭。不包括受案例城市管辖的县。关于8层以上建筑物总数的统计年鉴数据以及住宅和非住宅建筑占用的总面
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