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建筑物供水和排水系统设计中嵌入可持续性
L.B. Jack*, J.A. Swaffield
建筑环境类学校，赫瑞瓦特大学，爱丁堡，苏格兰EH144AS，英国
文章资讯
文章历史：网络2009年4月3日可获取
关键词：水、排水、建筑、数值模拟、可持续发展
摘要
在解决建筑环境可持续发展的问题上，焦点往往是针对减少能源消耗和材料的使用。然而当设计建筑物的水和废物处理系统时，可持续解决方案的集成潜力常常被遗忘。这种系统的基本功能都被清楚地认识，但传统的设计原则，往往限制性能的增强和对水和管道的节约。在某种程度上，这并不令人惊讶，因为基本的前提是流动的稳态分析支撑着许多全球范围内使用的规范和准则。然而，模拟方法的进步意味着新技术的使用和创新与更加可持续性设计方法的整合产生的性能系统现在可以充分评估。
本文提供的建筑供水和排水系统的综述，在赫瑞瓦特大学其性能发展的过程已经评估了一套数值模拟模型。这些使用适当圣维南等式形式的模型，通过使用特性有限差分技术的方法准确地预测系统压力和内流体制。该文件提供三个不同的例子，其中每个的焦点是在设计中嵌入可持续性。
2009年爱思唯尔有限公司出版
1.介绍
在提供建筑物供水和废物处理系统中，必不可少的是性能上的保证。主要功能包括：提供饮用水和所要求的基本卫生;除去已污染的废产物水;并为存在于排水管和下水道和居住空间之间潜在的有害瘴气提供了物理屏障。同样重要的是，该建筑用来达到最佳效益，任何冲击雨水以及任何所得废水，从而减少不必要的浪费，并限制上下水道和排水网络和/或收集系统的荷载。可持续性应当通过限制水供应和消费这些方面支撑设计理论，并通过减少材料的使用，成本和环境影响。建筑给排水系统提供了许多用于整合可持续性方案的机会，但是，这些必须在不影响性能的情况下实现，因此，系统的使用期间的反应必须充分理解。
通常供水和污水处理系统的设计采用的方法基于稳态原则的应用，用来确定，例如，流量负载或压力的反应。尽管这样的方法有利于某些规定方式的系统规范，它们很少提供评估依赖时间的系统信息响应的机会，这些信息能够随时通知关键设计决策。因此，下面的内容将说明系统动态响应如何与发展结合，赫瑞瓦特大学的一套数值模拟模型，方便了高效的设计和建筑给排水分析，从而对潜在的集成创新和可持续设计解决方案进行全面评估。值得注意的一点，贯穿全文，“供水”这个主题，将在建筑用水内容中呈现，间接地确定供给的大型网络。
在赫瑞·瓦特大学每一个组件模型都有助于开发出了一套利用特色技术的方法。这项技术最早是由Massau在1900年分析开拓，然后通过Lamoen于1947年，分析水锤，并转换圣维南连续性和动量等式适当的形式成为一对由有限差分方法解出的共微分方程。这些方程被称为Cdagger;和Coline;特性，并在相邻上下游节点当前条件下进一步定义未来的节点条件。有限差分网格使用自变量，距离x和时间t，与因变量关联，u和c - 流体速度和空气传播波的速度或u和h代表流体速度和自由表面水的深度。应当理解，在系统边界，一个附加的方程式要能够完成差分法。因此方程在这些地方被定义，并在边界适当的提供关于静态或动态行为的信息。
这些边界条件方程的理论和实证的定义已经形成赫瑞瓦特大学过去和现在研究的重点，并促进本文中提到的这三个组件模型的开发，DRAINET，AIRNET和ROOFNET。这三个均基于特征技术所描述的方法，并且每个已被成功地用于完善相关系统的设计方法。 DRAINET涉及的部分填充的瞬态分析，即自由面，管内流动，主要是针对国内建筑排水系统的性能。它的应用最近已扩大到包括局部外排水系统，其中流动状态会有波衰减特征。空中网检查引流通风系统的瞬时响应，通过预测压力和影响用水器具水封完整性的气流，而ROOFNET评估建筑常规和虹吸雨水排水系统的性能。应当理解的是，在一定程度上，ROOFNET和DRAINET通过本地排水系统可共同运作促进屋顶表面的雨水输送预测。本文将说明，通过实例的使用，如何将这些模型组件可被应用于集成和嵌入可持续性建筑供水和排水系统的设计。
2.饮用水的使用及减少卫生间冲洗量的影响
可持续性，根据不同的内容确实会有不同的定义。对于许多发达国家，可持续发展的重点是减少或优化利用，例如，能源或材料，而在其他地区，可持续发展是更多的是基本的需求的稳定提供。在下文中，确立了联合国千年发展目标，一个主要目的（传达联合国在水和卫生上的任务）是“截至2015年，无法持续获得安全饮用水和基本生存环境人的比例减半“[1]。因此，似乎事与愿违，在许多国家中，建筑物供应的饮用水有显著比例的部分用于了厕所冲洗。成本的节约和卫生间冲洗量的减少有直接关联，比仅仅从处理过程考虑更明显，并加上通过管道尺寸和给排水系统削减的节省推动，再进一步提高节约量。
建议引入任何显著降低卫生间冲水量方法，经常会碰到清除废物和其他卫生设备产品以及相关排水网络运输工具的效率问题。在英国，早在1900年左右，40升的冲水量已被确认为过度，但是接下来戏剧性地降低至9.1 L（2加仑），它的任何进一步显著的削减经历了几十年。在2001年推行法律[2]，规定安装时6升的最大冲洗量并且降低冲洗量至不大于最大量的三分之二，从而达到近乎不成比例的水平，约目前三分之一的生活用水用于卫生间冲洗[3]。
假如任何废弃物产品都是有机的，或者他们符合可接受的可冲洗性条件，因此重点转移到了管道工程的性能上，这些管道负责传达废水进入下游排水渠或下水道。管道内的流动状态服务于清洁卫生器具有内在的不稳定性，并且在赫瑞瓦特和其他地方进行实质性的实践工作，以预测的设计变更和/或用水量的改变对排水管道输送不连续固体所产生的影响为目的。如果能够预测固体沉积的位置，并能够采取预防措施，就能明显的避免阻塞问题。
以下内容呈现了表现管道性能的一个简单的例子，当卫生间的排放量是一个可变量，可以使用DRAINET进行评估。在这种情况下，从设备排出量示出连接到管道2，图1，已被更改在9,6，4.5和3升之间。四个被选的冲洗量中每一个都使用一种概要的类型表示，这些也被展现在图一中。在这个例子中，固体留在设备的时间被适当地改变，以确保在所有情况下，在这个点之前峰值流量发生放电。这一点很重要，因为众所周知，除了排放主要因素，固体参数，管道坡度，直径，粗糙度和“基地”流动，固体排放时间相对于整个冲洗持续时间（即由此定义尾随体积）对排水管道排放上具有显著影响（如及早去除固体确保更大的输送距离）[4]。
在该模拟中，另一个卫生间冲洗量为3升，被连接在5米的下游，但是，首先不工作。所有下游管道被指定为直径100mm，设定为1：100的斜率。
通过DRAINET的使用，它可以模拟从卫生间排出流的两个自由表面的衰减和固体废弃物的所处的位置。这需要包含链接流深度，流速和/或时间，并且确定物理系统的组件的位置处的条件，例如，管接头和液压跳跃。方程限定任何离散固体位置的流动条件也需要促进（单个或多个）固体沉积的模拟。
图二表明，冲洗量为9和6升，固体沉积点超过了网络建模，即九米，从而表明固体已成功输送到一个适当的下游连接。对于4.5和3升的冲水量，输送距离分别是7.9米和5.9米，由此表明，在这两种情况下，沉积在管道3。这种情形通常被认为是该系统的故障通过增加冲洗量予以纠正，然而，通过调节管道直径到75毫米，在图二中可以看出，排水管道可以（分别为4.5和3升冲洗）扩展到超出9米和7.8米。应当理解的是，对于距离设备9米的下游连接点，从输送方面讲，3升冲洗排出仍然是不足的。然而，通过从管道1的后续3升平齐的一个30秒的模拟（表示，例如，从相邻属性或室排出），流动条件可以超过最低需求的延长输送这种固体的距离。
图1.展示了双管连接卫生间的冲洗量示意图
图2.比较于固体沉积，卫生间产生可变的用水排放量
这个例子说明了如何在冲洗量的减少不需要伴随着网络的排水管道进性能的降低。在这种情况下，主要通过管道直径减小，输送变的便利了。类似的改进，可以通过管道坡度的调整，或者通过综合评估或连续放流施行。
应当理解的是，虽然这里给出的例子是基于使用只有三个管道，DRAINET显然能够模拟典型的建筑物或小群的建筑物的任何数目的管道，因此当实施水保护政策或者给水排水系统的可持续发展时，可以就最好的实施办法提供及时的信息。
3.保持居住空间和排水管道之间的物理隔离
应该理解的是，一个放电器具有任何不稳定流动，自然会产生管网内的压力变化。这一点尤其是当垂直管进行放电流形成一个水环并且其中相关联的气流从系统排气口的位置夹带。排水管网内的任何压力变化将对系统的总体响应有明显的影响效果，但是它主要是压力的漂移时诱导水封水消耗的瞬时性质。典型地，水基水封提供可居住空间和存在于管网中的瘴气的一个物理屏障，服务整幢建筑并提供管道到下水道系统，因此有一点很重要，任何压力变化应该被最小化，因为这种水可能会被取代，从而损害了屏障的完整性。
当一个或多个设备的排放流率相对快速变化时，排水和通风管道内最容易发生空气压力瞬变。 图3展现出了如何形成的环状空间的内垂直或“堆”，管夹带，虽然无滑移“，在大多数情况下，空气流从上部堆叠终止处绘制。图3还展现出了排出流量的改变如何在给定点系统借助于气压的变化进行信息交换，以及当通风口安置在上部堆栈终止处，如何在所有连接环导致一个压力上的改变。
赫瑞·瓦特大学开发的数值型模型，AIRNET，同样采用特征技术的方法，以促进整个系统的压力和气流响应的预测。边界条件又需要定义，以确保系统模拟的性能，并在赫瑞·瓦特大学开展的显著的工作部分集中在两个系统相应的理论和经验得出的描述算法的代表，它代表了系统驱动和组件 [5]。
该模型还包括一种先进的方法模拟水和空气的界面，如图4所示，通过无量纲速度差方面的整合，发布从“单放流”模拟约束的模式，使多个分支入口流量的分析[6]。系统规范作为输入数据，再加上由此电器放电模式的灵活性允许短暂的气流和压力，水封保留级别的预测，从而提供了重要的一步，才能把应对评估系统性能的追求开始变化的能力变为可持续性。
节约用水在排水管网中对内径流状态有显著的影响。通常，流量减少的效果的特征在于，在堆栈内的终端水流速度总体减少，因此产生相应的减少的空气夹带和系统压力。然而，应当理解，减小的体积器具放电曲线仍特别依赖于时间的，因而瞬时压力的影响，必须继续能以确保陷阱密封完整性进行评估。
图3.由上堆栈结束提供的缓冲，压力瞬变导致的堆栈管中环流
图4.一个插图体现控制设备如何提供有效的通风
模拟模型的功能是准确的预测系统压力，而并不是仅仅通过卫生间的低耗水量显著地减少室内用水量这一潜能。但是也为了设计方法的一体化而放弃管道经济。管网成本的利润是显而易见的，其利润在安装、维护、空间成本以及把环保因素列入考虑的情况下又得到了加强。
排水通风系统的发展历史简要的回顾了如何跨越过去的一个世纪，在英国和欧洲系统已经从过于繁琐的双管系统（包括四个垂直落水管）通过单管系统的进展（有两个垂直管道）到达了建筑物高达约30层的单堆叠系统（只有一个垂直落水管）的高度。在世界一些地区，使用单个堆栈系统已经避免由于涉及到潜在的压力过大偏移产生担忧的因素，不过，要了解所固有的非定常流条件的来源和性质的能力，即描述这样的系统应该消除这种顾虑。它不仅可以表示出，利用数值模拟技术，该单堆是可行的，效果良好并且降低了对管道、空中网也有助于根据预先定义的条件或创新的安装和整个系统的性能进行评估可持续设计解决方案。
以下内容表明了三种情况下AIRNET已经被用于推进系统的操作的知识。在第一个的这些例子，表1列出了用于确证SARS病毒在淘大花园的情况下，在香港，2003年在传播详述此爆发的事件，空中网输入参数，专家委员会报告的基础性作用已被获准变得干燥，因而是实行了公寓的居住空间和排水管道之间的连接水的陷阱[7]。事件后，无线网被用来突出压力在系统中如化何正常变化，再加上那些诱发卫生间的通风风扇，（当淘大花园时）可导致空气显著流动。也许更重要的是，可能受到污染的空气，混合当一个建筑物陷阱密封件以上已受损[8]。
避免需要屋顶结构的渗透，以容纳上叠置终止的优点是明确的，对于某个时候现在已经实现，部分地通过使用空气导纳阀（自动增值服务）。这些阀以负压通过允许空气通入网络通过整体膜片，而当受到正压力，它们关闭，以防止难闻的气味和瘴的释放。它可以容易地示出，使用空中网，该自动增值服务的整个网络的分布（现在通常的做法，其中通过国家法规允许的）- 或者除了或代替位于上堆栈单元的AAV的- 可以提供更有效的负泄压通过拦截瞬间接近自己的原点。然后，这避免了在图呈现的问题。3，哪里有对水封的完整性丧失潜在的瞬态传播到整个网络，以及更遥远的发泄场所。
对于遇到正压显著的变化引起的系统中，例如，排放到收集箱或其中网络设计导致罚款，在赫里奥特瓦进行的研究已在与一个工业伙伴一起，促进空气正压衰减器（PAPA）的发展。使用柔性，可变容积储存容器。其中，主要目的是减少作为浪涌事件的结果而产生的气流的变化率，所述PAPA为建筑物正的浪涌保护，并且因此能够避免，然而进一步，在不必要的成本包括通风管道，例如图 4，部空间引出，从而保证系统密封），并列入PAPA装置的再加多样性来替代下水道交叉连接提供允许对正压[9]衰减和救济。图4清楚地显示了PAPA可以很容易地用在与空气准入阀配合使用可提供的救济对正反两方面的系统压力，从而保持的水性水封登完整性不诉诸列入额外的通风管道。扩大在此，图5示出如何这个原理也可应用在更复杂的“密封”的建筑物，即其中多个连接叠层的统称，需要没有屋顶穿透。这种方法可能会采用在有，例如，安全问题或在建筑物的建筑设计将被突出管道的视觉冲击力受到不利影响。使用空中网作为设计分析工具，它可以表明自动增值服务的适当的定位由负压力（其中，空气将被从一个安全的内部空间引出，从而保证系统密封）得到缓解，并列入
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