在建筑物给排水系统的设计中嵌入可持续性
L.B. Jack, J.A. Swaffield
英国爱丁堡赫瑞瓦特大学建筑环境学院，EH14 4AS
摘 要：减少能源消耗和材料使用是解决建筑环境的可持续性问题中的重点。然而，在为建筑设计水和废物管理系统时，整合可持续解决方案的潜力往往被遗忘。这些系统的基本功能已得到明确认识，但传统的设计原则经常限制了提高节约用水和管道系统性能的机会。在某种程度上说，这并不奇怪，因为流的稳态分析是世界上许多使用的规范和准则的基础。然而，仿真方法的进步意味着，现在新技术的使用以及创新和更可持续的设计方法可以充分评估集成所产生的系统性能。本文概述了在Heriot-Watt大学通过开发一套数值模拟模型来评估其性能的建筑给排水系统。这些模型运用特征有限差分技术，利用适当形式的圣维南方程，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，每个例子的重点都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介绍
在为建筑物提供供水和废物管理系统时，必须确保其性能。主要职能包括：提供饮用水和基本卫生所需的水；清除受废物污染的水；以及在排水管和下水道中存在的潜在有害气体与在可居住空间之间设置物理屏障。同样重要的是，该建筑要最大限度地利用所有雨水和由此产生的废水，从而减少不必要的浪费，限制下水道和排水网络或收集系统的负荷。可持续发展应该在通过限制水的供应和消耗，减少材料的使用、成本和对环境的影响这些方面为设计理论提供基础。因此，建筑物的给排水系统为集成可持续解决方案提供了许多机会，然而，这些机会必须在不影响性能的前提下实现，因此，必须充分理解系统在使用过程中的响应情况。
通常，设计水和废水系统所采用的方法是基于稳态原理的应用，以确定流量负荷或压力响应情况。尽管这些方法以某种确定性的方式促进了系统规范化，但是它们很少提供机会来评估系统信息依赖于时间的响应，而这些信息很容易为关键的设计决策提供资料。下面的文本将据此说明系统动态响应的理解和开发，在Heriot-Watt，一套数值模拟模型促进了有效和高效的建筑给排水的设计与分析，从而全面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，在这篇论文中，水供应这个术语将在建筑用水的范围内提出，而建筑用水间接地决定了大型网络的供应情况。
在Heriot-Watt开发的套件中，每个组件模型都使用了特征技术的方法。1900年Massau首先使用这种方法来分析明渠水流，1947年，Lamoen又用这种方法分析水锤，并将连续性和动量的圣维南方程的适当形式转化为可由有限差分法求解的一对全微分方程。这些方程被称为C 和C-的特征方程，并根据相邻上下游节点的当前条件，定义未来某一节点的一次步进条件。利用距离x、时间t等自变量，结合空气的流体速度u和传播波速c，自由地表水的流体速度u和深度h等因变量，定义了有限差分网格。在系统边界处，需要一个附加的方程来完成有限差分的求解。因此，方程是在这些位置定义的，并在适当时提供关于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经成为过去和现在Heriot-Watt研究的焦点，并促进了本文中提到的排水、通风和ROOFNET三种组件模型的发展。这三种方法都基于所描述的特征技术，并且每一种都已成功地用于增强相关系统的设计方法。排水系统主要处理部分填土的暂态分析，即自由表面、管道流动，主要处理建筑物内部排水系统的性能。它的应用范围最近已扩展至本地的外部排水系统，这些系统的水流情况可能仍呈现波浪衰减的特征。AIRNET通过预测影响水基设备疏水阀密封完整性的压力和气流，检查排水通风系统的瞬态响应，而ROOFNET则评估建筑常规雨水的排水系统和虹吸雨水排水系统的性能。在某种程度上，ROOFNET和排水系统可以联合运作，以便预测雨水从屋面通过当地排水系统的输送情况。本文将通过实例说明，如何将这些模型组件应用于建筑给排水系统设计中的可持续性集成和嵌入。
2.饮用水的使用和减少厕所冲水量所带来的影响
可持续性的定义常常可能根据上下文的设置不同而不同。对许多发达国家来说，可持续性侧重于减少或充分优化诸如能源和材料的使用，而在其他地区，可持续性更多的是提供稳定的基本需求。在后一种情况下，与联合国千年发展目标(Millennium Development Goals)相违背的一个关键目标(由联合国水与卫生特别工作组传达)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，当许多国家，建筑物的饮用水供应中有相当大的一部分用于冲洗厕所时，这似乎违反直觉。仅从处理过程中减少厕所冲洗量所带来的直接成本节约的效果显然是显著的，如果再加上减小给排水系统的管道尺寸所带来的间接成本，成本还会进一步增加。
然而，任何大幅减少W.C.冲水量的建议，往往会引起人们对从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网络输送废物和其他产品的效率的关注。在英国，早在1900年左右，40升的冲水量就被认为是过量的，然而在急剧减少到9.1升(2加仑)之后，过了几十年，才出现了进一步的大幅度减少。由2001年[2]开始实施的法定规例，现定明安装时的最高冲水量为6公升，而减少的冲水量不超过最高冲水量的三分之二，以应付现时约三分之一的家居用水被用作水务中心冲厕的情况[3]。
假设任何废物都是有机的，或者符合公认的可冲洗性标准，那么重点就转移到将这些废物输送到下游排水沟或下水道的管道系统的性能上。为卫生设备服务的管道系统的流动状态本质上是不稳定的，在Heriot-Watt和其他地方已经进行了大量的工作，目的是预测设计变化或用水量变化对阀瓣排水管道的影响。同时能够预测固体沉积的位置，并能够采取预防措施，有效避免堵塞的可能性。
下面的文本提供了一个简单的例子，说明如何使用排水系统评估管道系统在不同的厕所流量下的性能。在这种情况下，连接到管道2(图1)的器具的流量在9、6、4.5和3L之间变化。所选的4个冲洗卷中的每一个都使用图1中所示类型的剖面来表示。在本例中，固体离开器具的时间进行了适当的更改，以确保在所有情况下，它都发生在流量峰值出现之前。这很重要，因为众所周知，当排水管路携带固体时(早期去除固体确保更大的旅行距离)[4]，除了放电，固体的参数，管道坡直径、粗糙度和基流，固体放电时间相对于整个冲洗过程的时间(即从而定义后面的体积)有一个极其重要的影响。
在这个模拟中，第二个冲洗容积为3 L的W.C.连接到下游5 m处，但是最初没有操作。所有下游管道均指定为直径100毫米，坡度为百分之一。
通过使用漏极，可以模拟出从W.C.流出的流体的自由表面衰减和任何离散固体沉积将发生的位置。这需要包含预先定义的边界条件方程，这些方程将流深、流率或时间联系起来，并确定物理系统各部件位置的条件，例如管道连接和水力跃变。还需要定义所有离散固体位置的流动条件的方程，以便于(单个或多个)固体沉积的模拟。
图2显示了对于9和6 L冲洗体积时，固体的沉积点如何位于模型网络之外，即超过9米，从而表明固体已成功输送到适当的下游连接处。对于4.5 L和3L的冲洗体积，移动距离分别为7.9 m和5.9 m，这表明在这两种情况下，沉积在管道3中。
这种通过增加冲洗体积来弥补的情况通常被认为是一个失败的系统，然而， 从图2可以看出，将管道直径调整到75毫米，排水管道携带距离可以扩展到9米和7.8米以上(分别为4.5和3 L冲洗时)。请注意，对于距离器具9米的下游连接点，3L冲洗的排放在运输方面仍然不足。然而，通过模拟管道1随后在30秒(模拟)时间内的3L冲洗(例如，从邻近的物业或房间排放)流动条件可以将该固体的移动距离延长到所需的最小距离之外。
图1.W.C.冲洗剖面和2管连接示意图。
图2.根据排水网的预测，不同耗水量的W.C.排放产生的固体沉积的比较。
这个例子说明了在减少冲洗体积的同时，不需要减少排水管线的流量。在这种情况下，主要是通过减小管道直径使运输便利。类似的改善可以通过调整管道坡度，或通过评估组合、顺序排放流量来实现。
值得高兴地是，尽管本文提供的示例是基于只使用三个管道，但DRAINET显然是能够模拟任意数量的管道来代表典型的建筑或一小群建筑，因此在实现信息节水政策或追求可持续性在给排水系统的设计时可以随时提供最好的方法。
3.保持居住空间和排水管道之间的物理隔离
值得注意的是，任何来自排出装置的不稳定流都会自然地在管网内产生压力变化。当垂直管道受到形成水环的排放流的影响，并且相关的气流从系统排气口位置被吸入时，这种情况尤其明显。排水管网内的任何压力变化显然都会对系统的整体响应产生影响，然而，导致疏水阀密封水耗尽的主要原因是压力漂移的瞬态性质。通常，水性管道密封之间的物理障碍提供了居住空间和瘴气中管道工程建设的服务，并提供了一个管道下水道系统，因此它是重要的，任何可能取代这些水，从而影响屏障完整性的压力变化是最小的。
当一个或多个器具的排放流量发生相对快速的变化时，最常在排水和通风管道内产生气压瞬变。图3说明了在垂直管道或烟囱管道中环空的形成是如何通过无滑移原理进入的，在大多数情况下，这种气流来自上层烟囱。图3还表明，系统通过空气压力的变化使卸料流率的变化在一个给定的点沟通，以及当通风上提供的堆栈终止时，如何导致在一个强加改变压力连接途中遇到管道。
Heriot-Watt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。同样需要定义边界条件以支持系统模拟，在Heriot-Watt进行的工作的一个重要组成部分，集中于描述适当的理论和经验派生的描述性算法的特征，这些描述性算法表示系统驱动程序和组件[5]。该模型还包括一种先进的模拟水气界面的方法，如图4所示，通过积分无量纲速度微分项，将模型从单流量模拟的约束中解放出来，可以分析多个分支入口流[6]。 因此，作为输入数据的系统规范的灵活性，加上设备排放模式，使得瞬态气流和压力的预测，以及圈闭密封保持水平成为可能，从而在评估系统性能以应对追求可持续性的变化方面向前迈出了重要的一步。
节约用水显然会对排水管道内的水流状况产生影响。一般来说，流量减少的效果是以管道内的最终水流速的整体下降为特征的，从而导致相应的空气夹带和系统压力的减少。然而，值得高兴地是，减少体积的器具排放剖面仍然明显依赖于时间，因此必须继续评估瞬态压力的影响，以确保疏水阀密封的完整性。
图3.环形管中的环空流，其中排放流量的变化导致空气压力瞬变，其释放由上烟囱端部提供。
图4.说明控制装置如何提供有效的通风
该模拟模型能够准确预测系统压力，这不仅引入了通过使用低冲洗W.C.显著减少用水量的潜力，而且还引入了集成设计解决方案，从而实现管道系统经济化。减少管道工程费用的好处是明显的，如果考虑到安装、维修和空间费用以及环境影响因素，这些好处还会进一步增加。
简要回顾排水通风系统的历史发展，可以发现，在过去的一个世纪，英国和欧洲发展的系统过度设计两个管道系统(包括四个垂直落水管)通过一个管道系统(两个垂直管道)之上，建筑物的高度在30层，是单堆栈系统(只有一个垂直的落水管)。在世界一些地区，由于主要担心可能产生过度的压力偏移，因此避免使用单环形系统，然而，可以理解的起源和性质描述这类系统的固有的非定常流条件应该消除这种担忧。使用数值模拟技术，不仅可以显示单一堆叠是可行的，表现良好，并减少对管道系统的需要，而且AIRNET还有助于在预先定义的条件下评估整个系统的性能或安装创新和可持续的设计解决方案。
下面的文本说明了使用AIRNET来提高系统操作知识的三种情况。在第一个例子中，表1列出2003年香港淘大花园个案中用以证实SARS病毒传播的空气网络输入参数。SARS专家委员会在详细介绍这次暴发事件时报告了允许变干的水基管道的基本作用，从而在公寓的可居住空间和排水管道[7]之间建立了联系。事后，AIRNET被用来强调正常压力如何变化引起系统再加上那些浴室通风设备(如发生在淘大花园)可以导致显著的空气流动，或许更重要的是，当一个或多个建筑密封圈受损时，可能与被污染的空气混合[8]。
表1模拟淘大花园(香港)排水系统的空气网络输入参数
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系统类型 |
主烟囱和通风口与水冷壁交叉连接 |
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管道直径 |
管道直径100mm，通风口直径100mm |
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楼层数 |
33 |
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通风设备 |
屋顶开口端(烟囱和通风口) |
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每层管道(浴室) |
W.C.，淋浴，水槽，地漏 |
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疏水阀连接(浴室) |
集水烟道，地漏，淋浴器，水槽于一体 |
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管道密封完整性 |
地漏(只)干 |
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应用环境、条件 |
浴室(中层)负压，抽风机 |
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应用流条件 |
正常流量(中等高度)及附加费事件(基数) |
避免穿透屋顶结构以适应上部烟囱末端的好处是显而易见的，现在已经通过使用空气导纳阀(AAVs)部分实现了。这些阀门对负压的反应是允许空气通过一个完整的隔膜进入网络，而当受到正压力时，它们接近于防
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