建筑设计嵌入稳定供水和排水系统研究

 摘要:在解决建筑环境的可持续发展问题时,焦点往往是直接针对能源消费和材料使用的最少化。然而经常被遗忘的,就是在整合永续解决方案设计时,建筑的水和废水处理管理体系。这样的系统基本功能有明确的认可,但水性能的提高、通风的经济体经常被传统的设计原则所约束。在某种程度上,这是意料之中,在稳态分析的基本前提下,巩固的流体标准和指导方针在全球范围内使用。然而,先进的模拟方法意味着系统的性能所产生的新技术的使用和整合创新以及更多可持续的设计方法可以进行全面评估。本文概述了一套通过供水、排水系统的建筑物绩效评估发展的数值模拟模型。这些模型利用适当的形式运用在这样的系统方法的特点准确地预测有限差分技术。

　　关键词:建筑设计 供水排水系统 数值模拟 有限差分技术

　　在提供供水和废物处理系统建筑时性能是必要的保证。主要功能包括:提供饮用水和所需基本卫生;除去被垃圾污染了产品的水分,提供一个物理屏障用于阻止潜在的有害的迷雾和下水道。同样重要的是,建筑雨水系统以及任何合成废水处理系统都采用最佳效益,从而减少不必要的浪费,减少下水道和排水网络和/或收集系统的负荷。可持续发展应该通过设计理论在每个的这些方面通过限制供水和消费,并通过减少材料使用、成本和环境的影响来实现。供水和排水系统的方法为建筑物为一体的可持续的解决方案提供大量的机会,然而,这些必须达到没有妥协性能,因此,回应的系统在使用过程中必须有充分的理解。

　　水及污水处理系统通常的设计方法采用是基于稳态原理的应用,例如,流动压力加载。虽然这些方法便于确定系统规格,但是他们很少提供那些可以很容易地确定关键设计决策的机会去评估系统-时间响应信息。下面的文章将举例说明如何理解的动态响应,以及在系统开发过程中,Heriot Wat数值模拟模式已经促成有效设计和分析的供水和排水的建筑,从而使潜在的综合评价作为一体的创新和可持续发展的设计解决方案。值得注意的是,在这一点上,本文的“供水”将会出现在建筑物内各种大型的管网中。

　　1 饮用水的使用和减少厕所冲水所带来的影响

　　可持续性的定义可以并经常随着它在上下文的位置而不同。许多发达国家的可持续性的重点是致力于减少或优化使用比如能源或材料这些资源,而对于其它地区更在意的是稳定的满足基本的需要。其中后者,比照联合国千年发展目标,将无法持续获得安全饮用水和基本卫生的人口比例减半。因此,这似乎有违这一目标,在许多国家,大部份楼宇的食水供应用于冲厕。直接与之相关的,通过减少冲厕量,单从处理过程中对成本节约出现出明显的作用,再加上间接地通过减少供应和排水系统的管道尺寸,进一步增加节约的功效。

　　我们建议引入通过减少冲厕水量,然而这会降低卫生设备中的污物和其它产物的清除以及从排水系统管道里运输的效率。法规现在规定,到2001年实现,对于冲厕设施的安装,冲水量最高冲不超过6公升和最低不低于2公升,从而致力于改变国内厕所冲水量占国内供水三分之一的这一看似不成比例的现状。

　　假定任何废物都是有机物或者符合接受冲刷标准,那么,焦点就转移到管道将这种废物运输到下游排水或污水渠的性能。卫生装置的管道中流态物的本身就是不稳定的,能够预测固体沉积的位置,并能够采取预防措施,显然避免阻塞倾向。

　　2 物理隔离的设置

　　应了解卸料装置中的任何非恒定流将会自然生成的管网内的压力变化。尤其当垂直管承受形成一个环水的流量时和在由系统的通风口引起关联的气流的地方。排水管网内的任何压力变化显然会影响系统的整体响应,但是它主要是流体压力的瞬态性质。通常,基于水的防臭密封用物理的方式将可居住空间和服务于建筑给排水的管道中的毒气隔离开来,因此,任何可能取代这种水的压力变化,都会损害屏障的完整性。

　　节约用水对排水管道内的水流流态有明显的影响。一般来说,在流量减少时终端水的流速范围内堆栈的整体减少,从而导致在空气中夹带和系统压力相应减少。然而,家用水减少量仍然具有时间依赖性和瞬变压力的影响,因此必须继续进行评估,以确保疏水阀的密封完整性。

　　仿真模型能够准确预测系统的压力,不仅介绍了通过使用低冲洗厕所的一个显着减少水消耗,同时也为设计解决方案,产生管道经济一体化。管道成本降低的好处是显而易见的,这些都进一步增强的同时,安装,维修和空间成本,以及对环境的影响因素也被考虑进去。

　　排水通风系统历史发展的简要回顾显示,一个世纪以前,在英国和欧洲的系统过于繁琐双管系统通过单管系统(包括四个垂直落水管)(两个垂直管道)的进展和上,建筑物一个约30层的高度的单堆栈系统(只有一个垂直溜子)。在世界一些地区,使用单一堆栈系统以避免由于主要涉及到可能产生过大的压力,然而,理解能力的起源和本质的固有的非定常流条件描述这样的系统应该消除这种担心。它不仅可以显示,利用数值模拟技术,单栈是可行的,性能良好,并减少需要的管道,AIRNET也有利于系统的整体性能评估定义的条件,和安装创新和可持续发展设计解决方案。

　　3 最高限度和小型当地排水系统

　　在雨水运输和使用期间,Heriot Watt使数值仿真模型有了很大的发展。该模型采用类似上述的建模原则,即常规性能评估的能力(即重力驱动)和虹吸式屋面雨水排水系统原则。不同于传统的系统,当排水沟深度足够高时,他们通过使用一个挡板之间的排水沟和落水管出口的虹吸作用,建立虹吸系统,其流动能力较高。特别是在高强度降雨事件,他们往往使用这种方法。总的来说,虹吸系统往往是首选,因为它们减少了需要一个特定的建筑落水管的整体。系统启动是建立虹吸排水屋顶表面行动的关键。大部分Heriot Watthas开展的研究集中在适当的边界条件方程式,它代表这个过渡的流动制度的理论和实证的定义。

　　4 结语

　　固体沉积模型自由表面流动的能力和离散,显然有利于评估减少卫生设备排水容量的影响,特别是厕所-极高饮用水的使用终端。此处所显示的示例演示如何减少需要而不会导致性能降低,如能通过替代设计,如减少管道直径,或增加管道斜度等措施加强运输。模型多层次、多装置网络模拟能力也被突出显示。

　　因此,本文演示不需要过设计给水排水是如何的有效能和效率,即通过过度用水和繁琐的管道设施,以及大厦排水系统如何不需要被支持许多国家代码的确定性稳态原则约束。此处讨论的模型的应用能成为评估系统瞬态响应及整个单独和集体的可持续解决方案的一个重要机会,这个系统无论是整体上还是在某一方面都会在水的消费水平和财政和环境相关的成本上对供水和排水产生重大的积极影响。