建筑给排水系统的可持续性嵌入设计外文翻译.doc

1、建筑给排水系统的可持续性嵌入设计摘要：在解决建筑可持续发展问题时，关键点往往放在减少能源消耗和材料使用上。然而，在整合建筑物的水和废物管理系统时，潜在的可持续性解决方案常常被遗忘。这类系统的基本功能已经被清楚地了解，但是传统的设计原则往往会限制水管道工程经济的表现提高。一定程度上，在给出了基本的稳态分析，以及全球范围内支持指引使用的流体许多规则的前提下，这并不奇怪。然而，仿真法的进步，意味着从新技术的使用程度、更加可持续的设计方案的创新与整合程度来决定系统性能好坏的说法已经被认可了。 本文提供了一个建筑给水排水工程的案例，它的系统性能已经被评估过，是赫瑞瓦特大学的一套数值模拟模型。这些模型的准

2、确预测，采用适当形式的圣维南(St. Venant)方程组，其中特色的有限差技术提供了系统的压力和流体体制方案。此文提供了三种应用方案的案例，着重叙述可持续性嵌入式的设计。 关键词：水；排水；建筑；数值模拟；可持续性1 引言在提供建筑给水排水方案系统时，方案系统的确定是至关重要的。主要功能包括饮用水和基本卫生的要求的提供；已污染废弃产物中的去除水；为存在于排水管道与可居住空间之间的潜在有毒有害气体的提供一个物理屏障。同样重要的是，对建筑最好的效益，不论是任何的冲击流下的雨水或是由此产生的废水，都要减少不必要的浪费，以及限制管道系统上收集的负载。可持续发展应以通过限制水的供应与消费、减少材料的使

3、用、成本和环境影响为设计理论基础。因此建筑给水排水系统为一体化的可持续发展方案的设计提供了大量的机会，然而，这些必须在不会影响性能条件下实现，所以，必须充分了解系统在使用的过程中的反应。通常为了确定适用于给排水系统的设计方案，要以稳态原则的应用为基础，例如，流体负载或压力的反应。这种方法虽然简化了系统的规则，也在一定程度上体现了先进性。这样很少提供随时间变化而影响的系统信息的机会，从而可以轻易地给出关键设计决策。所以，本文将说明，随着发展如何去理解系统的动态响应，赫瑞瓦特大学里的一套数值模拟模型为有效和高效的建筑给水排水的设计和分析提供了便利，从而实现对集成创新和可持续设计方案的潜力的全面评估

4、。本文中，在这点上值得一提的是，术语“给水”将在整篇关于建筑使用水的文章中提出，间接地也决定了大型管网的供应设计。 在赫瑞瓦特大学，利用特征技术方法，每个组件模型会有助于套件的开发。这项技术最早是由Massau在1900年用于明渠流量分析，然后在1947年Lamoen用于水锤分析，并将其转换成一个对全微分方程解的有限差分方法的适当形式的圣维南方程的连续性和动量。这些方程被称为C+和C-特性，并且来定义在目前的条件下，在相邻的上游和下游节点一个节点在未来的一个时间步长定义的条件。有限差分网格用来定义独立的变量距离x和时间t，与因变量或是u和c流体的速度和空气传播波速度，或是u和h自由地表水的流体

5、速度和深度。在系统边界，需要一个额外的方程来完成有限差分方案将被赞成。所以方程在这种环境下被定义，并且提供静态或动态的信息，和适当的边界。这些边界条件方程的理论与实证的定义已形成赫瑞瓦特大学过去和现在研究的重点，并且已经促进了文章中提及的三个组件模型的发展，分别是DRAINTE、AIRNET、ROOFNET。所有这三个是基于特征技术描述的方案，并且每个已经成功地用于提高相关制度的设计方法。DRAINET处理部分填充的瞬态分析，换言之，自由表面，管道流体，主要是为了体现内部建筑排水系统的性能。它的应用最近已扩大到包括本地外部排水系统的流态，可能仍然是以波浪衰减为特征表现的。AIRNET审查排水通

6、风系统的瞬态响应，通过预测的压力和气流的来影响器具水封的完整性，而ROOFNET评估建筑物的常规和虹吸雨水排水系统的性能。在一定程度上，ROOFNET和DRAINET可以共同运作，以方便预测雨水从屋顶表面到当地的排水系统里，这种方法将被赞成。本文将阐明，通过使用的案例，如何将这些模型组件可以应用到整合和设计可持续发展的建筑给水排水系统中。2. 饮用水使用和减少厕所冲洗水量的影响可持续发展的定义可能通常不同于下文所设定的定义。对于许多发达的国家，可持续发展的重点在于减少或优化使用，例如，能源与原料，而在其他地区，可持续发展更着重于满足基本的供需要求。在后文中，针对联合国的千年发展目标，一个关键的

7、目标（在联合国水和卫生工作队传达）是为了“减半，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”1。因此，在许多国家它似乎违反了直接规律，一个显示建筑给水用于饮用与厕所冲洗的比例。在厕所任何减少的直接成本节约冲水量单独处理过程中出现的显然是显着的，加上与间接促进节约供水和排水系统管道尺寸为减少，又增加。节约直接成本在于，减少任何单独处理过程的厕所冲洗水量，而且显著明显，并且再加上直接节约材料在于减少给水和排水系统的管材材料，将在不久将来又增加。然而引入任何显著的减少厕所冲洗量的建议，经常会受到关于清除废物和其他卫生器具的影响，其通过相关的排水管网排入系统也是一样的。在英国，早在大

8、约1900年40L的冲水量已经被确认过度了，然而经过一个急剧的减少已减少至9.1升(2加仑)。然后再有任何进一步的强加的显著减少就到了数十年后了2。2001年实施的法律现规定，在安装时，最大的冲洗水量为6升，并且再减少冲洗量不得超过最大量的三分之二，目前用于卫生间的冲洗用水占生活用水的三分之一左右，这看似是不相称的3。假设任何的废弃水要么是有机的，要么是遵守公认冲洗能力标准下排放的，因此重点转移到管道系统的性能，包括下游的排水渠或污水管接受能力。卫生服务设备管道的流态在本质上是不稳定的，并且在赫瑞瓦特大学和其他地方有一项本质工作在开展，目的是预测，在携有离散固体的水流通过排水管线时，设计水量的

9、变化对通过水量有无影响。预测到固体沉积的位置，并且能采取相应的预防措施，很明显地避免了堵塞的倾向。以下的文字介绍一个简单的案例，当厕所排放量这个变量改变时，管道使用性能可以评估使用DRAINET。在这种情况下，连接到管2的从设备排放的水量，如图1，在9、6、4.5和3升之间变化。每一种四个冲洗水量用此类型的资料表示，也表示在图1中。在这个例子中，在此排放流量峰值的点之前的时间内，屋檐、器具发生适当的改变时。这是很重要的，因为这是公认的，在增加排放水量，固体参数，和管道坡度，直径，粗糙度和基本流体，固体排放时间是相对于整体冲洗持续时间（定义为终端量）有一个显著影响排水管线结转（早期的固体除去确保

10、了更长的流淌时间）4。流向管道1，2米图1. 厕所冲洗管道连接配置文件和原理图总流量值流速峰值管道3，4米9-3升冲洗量厕所管道2，5米管道连接冲洗图时间（秒）流速（升/秒）3升冲洗量厕所在该模拟中，第二个厕所用3升的冲洗量，连接5米的下游，但是，最终不行。所有下游的管道被指定直径为100毫米，在100内设定斜率为1。通过使用DRAINET，它可以模拟自由表面的排出流衰减，从水柱和任何一个离散的固体沉积在哪个位置会发生。这需要包含预先定义的边界条件方程，路段流量深度，流速或/和时间，并且它决定了物理系统的位置的判断条件，例如，管交汇处及水跃。限定的位置处的任何离散固体的流动条件方程也需要方便模

11、拟（单个和多个）固体沉积。图2表示出了一个9升和6升的冲洗水量，沉积的固体的点在于超越管网建模即超出9米，由此表明，该固体已成功地被输送到一个适当的下游连接处。因此显示，冲洗水量4.5和3升，行程距离7.9和5.9米时，在这两种情况下，沉积在管道3。在冲洗量的增加时，这种情况下的系统通常被认为是一个失败的系统，应当被纠正。然而，通过调整至75毫米的管直径，就可以示出如图2所示的情况，该排水管线结转可以扩展到超出9米和7.8米（冲洗量分别为4.5和3升）。被公认是，它的下游连接点位于9米的排放处，排水量从3升方面看仍然不足。然而，通过模拟的一个后续3升冲洗管1（表示，例如，来自相邻建筑或房间的排

12、水）在一段30秒的时间内（模拟数据），在最低要求之上，流体条件可以为固体延伸流淌距离。这个例子举例说明了冲洗水量的减少，不需要伴随着同时会降低管网管线的性能。在这种情况下，水的运输得到了便利，在主题中减少管道的直径就可。通过调整管道坡度，或者联合评估或连续的排放流体，就可以实现上述类似的改进。表示输送到适当的下游连接模拟时间4.5升，直径10毫米3升，直径100毫米3升，直径75毫米，冲洗时间30秒4.5升，直径75毫米9&6升，直径100毫米流淌距离图2. 固体沉积比，DRAINET模拟结果，由厕所可变的耗水量引起的排放量被赞同的是，虽然这里介绍的例子中，是根据只使用三根管子，但DRAINT

13、E显然是能够模拟任何数量的管道，代表了一个典型的建筑或建筑物的一笑部分，并且因此可以是很容易地提供信息的最佳途径，在推行节约用水的政策时，或在追求可持续发展的供水和排水系统的设计时。3. 保持居住空间和排水的管道的物理隔离 将被认同的是，在管网管道中，任何从卫生器具排出的非定常流将存在压力变化。这是特别真实的，当垂直管道进行排出流，形成了一个水环空和从系统通气孔的位置相关联的气流夹带。排水管网内的任何压力的变化将明显都会影响系统的整体变化，然而，但它主要是过渡性质的水封水的损耗引起的潜在的压力变化。通常，目前水性疏水阀密封提供建筑物的管道系统、可居住空间与瘴气之间的物理屏障，并连接到下水道系统

14、一个渠道，因此重要的是，任何可能取代这种水的压力变化，会损害屏障的完整性的，都被最小化。空气压力瞬变是最常用的排水和通风管道系统内产生的，存在从一个或多个设备中的排出流率的相对快速的变化。 图3展示出了如何在垂直方向形成环形空间，或“叠加”，管夹带，虽然原则上“无滑移”，在大多数情况下，空气流从上部通气帽终端被吸入。图3还展示出了，在一个给定的点下，系统中空气压力变化从而导致了排放速率如何变化，并且当通风由终端通气帽提供，导致在所有连接的疏水阀遇到“途中”压力的变化。赫瑞瓦特大学开发的数学模型，AIRNET，同样是采用特征的技术的方法以方便地预测整个系统的压力和气流响应变化。重新定义边界条件，

15、使系统仿真，在赫瑞瓦特大学展开的工作中重要组成部分，已经将适当的理论和经验得出的描述算法，代表系统的“驱动程序和组件”5。该模型还包括一个先进的方法示于图的水-空气界面的模拟，如图4所示，通过集成的无量纲速度差条件，释放“单排放流体”仿真模型的约束，空芯环状流图3. 堆叠中的环形流管排出流中的变化率的查询结果，在空气压力瞬变时，补救提供的上层堆叠终止。瞬变的空气压力连通的排放流率瞬时影响水封无滑移界面瞬态的补救点瞬间空气压力无滑移的空气流动分析多个分支入口流量6。作为输入数据的系统规范的灵活性，了解了器具的排水模式，可以预测到瞬态的气流与压力，同时保证疏水阀的密封性，从而在追求可持续发展的能力

16、，评估系统的性能时提供重要的一步相应与变化。节约用水可以清楚地了解到这个排水系统管道内的流态变化时受到的影响。一般情况下，在流量减少的效果是其特征在于，在终端中水的流速范围内的整体减少堆叠，因而导致空气的卷吸和系统压力相应减少。然而，将被理解的是，减小体积器具排水，同时，仍然特别的是时间依赖性的，受到瞬态压力的影响，因此，必须继续进行评估，以确保水封的完整性。仿真模型用来精确地预测系统压力的能力不仅仅导致了潜在的厕所低冲洗水柱的用水量的减少，同时也为管道经济一体化的设计提供了解决方法。管道成本降低的好处是明确的，这些都进一步增强的同时，安装、维修和空间成本，以及环境影响因素都考虑在内。简单地回

17、顾一下排水通风系统的历史发展，在过去的一个世纪里，英国和欧洲的系统从一些过度的累赘的双管道系统（由四个垂直的下水管道组成）转变到单管道系统（由两根垂直管道组成）并且映射到，在一个30层高度的建筑里，单独的堆叠系统（由仅仅一根垂直的管道组成）。在世界上的一些地区，单独的堆叠系统已经被禁止因为关乎到过度的短程压力，然而，理解能力的来源和性质的固有的非定常流动的条件下，这种图4. 说明如何控制设备，来保证有效地通风不按规模统计当正压力出现时，由于堆叠的增加，正气压衰减器转移水流，最大限度地减少了瞬变反应安装吸气阀和正空气压力衰减器时，降低了存水弯破坏的程度当没有吸气阀或正空气压力衰减器时，压力会影响

18、水封 吸气阀正空气压力衰减器随着水流的增加，当负瞬变反应发生时，增加的卷入气流会因吸气阀的作用会减少。吸入空气 排水装置系统的特点应该消除这种担忧。这不仅可以表示，使用数值模拟技术，单一的堆叠是可行的，但若要其表现与时间良好，需要的管道性能要求也很高。AIRNET也有利于系统的整体性，能评估根据预先定义的条件和/或安装的设计的可持续设计的解决方案。下面的文字说明了在三种情况下，AIRNET已被用来推进系统操作的知识。在第一个例子中，表1给出了AIRNET证实SARS病毒在2003年的香港淘大花园传播案件使用的输入参数。详细介绍了这次的爆发事件，根据严重急性呼吸系统综合症专家委员会报告的水封的基

19、础性作用，已被澄清，因此提出排水管道堵塞与居住空间的联系7。事后，AIRNRT也用来强调正常的压力系统如何变化，加上卫生间的通风风扇（如发生在淘大花园）所引起的，可能会导致显著的空气流动，并且也许更重要的是，混合的潜在空气污染，当一个或多个建筑物水封已经失密8。避免需要渗透的屋顶结构，以容纳上层堆叠终止的好处是明显的，现在的某个时候已被证实，部分通过利用吸气阀（AAVs）。这些阀门影响的负压力通过允许的空气传递到管网中，而通过一个不可分割的膜片进行正压时，它们将关闭以防止恶臭和瘴气的释放。它可以很容易的被示出，使用AIRNET，吸气阀分布在整个管网中，现在通常的做法是，在国家规定允许的情况下，

20、除了在出现一个吸气阀堆叠的位置上，可以提供有效地负压救济拦截，瞬变接近其起点。这就避免了在图3中提出的问题，那是一个潜在的水封损坏完整性，在更遥远的通风口位置时，病毒瞬变传遍整个管网。图5. 4个“密封”的建筑排水系统堆叠的例子（没有提供自带的通风）分类收集的排水渠（正常情况下）排水建立打开吸气阀和放气的空气压力衰减器，形成负压正压力的衰减是由空气压力衰减器和4根立管堆叠来实现多样性多样化的吸气阀和空气压力衰减器对于系统遇到显著变化的正压力，疏通，例如，排放到一个收集箱或管网设计导致超负荷，在赫瑞瓦特大学与行业合作伙伴有进行研究，推动发展具有积极意义的空气压力衰减器（PAPA）。使用一个灵活的

21、，可变容积的存储容器，其主要的目的是减少浪涌产生的气流变动的速率变化影响，空气压力衰减器提供正常的建筑物的浪涌保护，并且因此避免，进一步避免了不必要的昂贵通风管道，如图4。图4清楚地显示空气压力衰减器如何可以很容易地与吸气阀相结合使用，以纾缓正反两方面的系统压力，从而保持了完整的水封性，不加入额外的通风管道。扩大后，图5示出了这一原则也可以应用于更复杂的“密封”的建筑，即一个集体连接的堆叠，无需屋顶渗透。有可能采用这种方法，例如，出于安全考虑或建筑设计的将受到不利影响的突出管道的虚拟冲击。使用AIRNET设计分析工具，它可以表明，适当的定位负压吸气阀，可以纾缓速率。空气将来自一个安全的内部的空

22、间，从而保持系统的密封。再加上空气压力衰减器设备的多样性的交叉连接到备用的下水道，并衰减和纾缓的正压力9。4屋顶和小规模的本地排水雨水流淌和使用的范围内，在赫瑞瓦特大学了进行了相当多的研究工作，来提高数值模拟模型ROOFNET的发展。该模型采用与上述类似的建模原则，并能够评估常规的性能（即重心驱动）和虹吸式屋面雨水排水系统。虹吸系统不同于传统的系统，当沟槽的深度足够高，可以这样建设：通过使用一个挡板来形成排水沟和落水管出口之间的虹吸作用。它们的流通能力较强，特别是在高强度降雨事件发生时操作。在外观上看，虹吸系统往往是首选的，因为它们减少了需要特定的建筑落水管的总数量。系统清洗是建立屋顶的排水表

23、面虹吸作用的关键。赫瑞瓦特大学开展的研究都集中在相应的边界条件方程式，代表着这个过度流态的理论和实证的定义10。ROOFNET模型也有能力来模拟“新露顶板”屋顶和渗透固体结构的流态，小规模排水占主导地位的管道中，自由表面流衰减的情况下，与DRAINET模型结合，可以很容易地使用。将被认可理解的是，连通这些组件模型，使降雨流经点，及落在上述建筑物顶或局部表面的点随着时间变化，然后连接到沟中和主下水道。提供一个案例：在一个1500平方米的建筑屋顶，其中有8个雨水落水管，并且透水和不透水环绕的地方，面积大概在2000平方米左右，在一次强降水事件中，同时使用ROOFNET和DRAINET模型来评估影响

24、是可能的。ROOFNET可以用来确定这两个落水管出流量以及不透水和透水的地方溢流量。这样反过来，为DRAINET提供了溢流量的输入数据。例如，在图6中，显示可透水的地区溢流量，并表示了，在一个高强度降雨事件（假定为100毫米/小时）的情况下，时间限制在9和73秒之内的渗透流量，在之后的时间，相邻的沟槽中会发生沟水漫溢。图6. 预测径流面积1000平方米，透水面积的降雨强度为100毫米/小时时间（秒）流量（立方米小时）渗透排水沟水越顶通过建立流经屋顶排水落水管的总数模型，并且联系综合到代表着建筑排水以及不可透水和可透水区域的流量-时间曲线，然后可以使用DRAINET来确定下游（已连接的）的管流的

25、条件，如图7。模型的流出量显示，在这种情况下，下游管流占主导地位的条件，不透水区域的流出量，大概3倍于可透水地区。图7. 庭院型（组合式）管流的示意图，显示了DRAINET模拟水流不透水区域落水建筑水流DP：下水管道可渗透区域落水DRAINET也能确定，是否这个管道即将出现的全口径流量，因此，提供适当的解决方式，例如，脱离管线的存储容器，可能会更好地避免局部洪涝。识别风险和可能的洪水的能力，在这样的情况下变得越来越重要，同时加速了城市化发展与观测和预测气候的变化。5、结论性意见 本文对赫瑞-瓦特大学的排水系统流模型如何发展进行了简要概述，其不仅增强了系统性能的知识，而且也及时促进了一系列创新性

26、的系统组件和可持续发展的设计解决方案的适用性探索。由赫瑞-瓦特大学开发的每个组件模型的常见方法已经凸显和应用到实例中。 自由表面流动和离散的固体沉积模型的能力，使用DRAINET，显然有利于评估卫生器具排放量减少的影响，尤其是厕所-高的不成比例的饮用水消费。本文所介绍的例子显示了这种减少如何不会造成性能的降低，作为运输可以通过其他替代设计的措施，如减少管道直径，增加管道坡度。模型模拟的多层次能力，多家管网也被凸显了。 通过评估排水通风系统的瞬时压力和气流的响应，AIRNET模型的应用成为了2003年香港淘大公园SARS病毒的传播途径（被破坏的水封）的确证。此外，它在本文中已被证明适当分布压力控

27、制装置的集成如何大大减少复杂和昂贵的管道工程设计的需要。关于“密封”建筑排水网络的可行性已经进行了讨论。 屋面雨水排水系统性能评估的方法已经被提出，它已被证明，ROOFNET模型再加上DRAINET如何评估从屋顶或表面局部区域通过适当的下水道连接点的雨水输送（由衰减的流动条件的患病率确定）。结果表明，由不透水表面的径流占这中间管网负载主导地位的系统，以及离线存储可用来避免洪水或收集水。 因此，本文展示了排水设施的有效性和效率如何不会受到“过度设计”，例如，通过使用过多的水和/或繁琐的管道安装，以及建立排水系统如何不会受到一些确定性的稳定状态的许多国家代码原则的制约。本文所讨论的模型的应用得到了

28、一个重要的机会，来评估系统的瞬态响应和使可持续解决方案完整，个人和集体在水的消费水平和在财务和环境成本与供水和排水设施引起显著的积极影响。参 考 文 献1 UN task force on water and sanitation, Health, dignity and development: what will it take? Earthscan Publications; 2005.2 The water supply (water fittings) regulations; 1999. Statutory InstrumentNo. 1148.3 jShouler MC. Wat

29、er efficient appliances for sustainable buildings. In: CIBW62 international symposium on water supply and drainage for buildings, Brussels : Conseil International du Batiment; September 2005.4 McDougall JA, Swaffield JA. The influence of water conservation on drainsizing for building drainage system

30、s. Building Services Engineering Research and Technology 2003;24(4):22944.5 Swaffield JA, Campbell DP. The simulation of air pressure propagation in building drainage and vent systems. Building and Environment 1995; 30: 11527.6 Jack LB. Developments in the definition of fluid traction forces within

31、building drainage vent systems. Building Services Engineering Research and Technology 2000; 20(4): 26673.7 Hong Kong SAR Government SARS Expert Committee. SARS in Hong Kong: from experience to action; 2003.8 Jack LB. Drainage design and operation: contributory factors in SARS Community outbreak. In:

32、 Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Municipal Engineer, vol. 159; March 2006. p. 438.9 Swaffield JA. Modelling the impact of a sealed building drainage and vent system on the propagation of air pressure transients. In: CIBW62 international symposium on water supply and drainage for buildings, Brussels: Conseil International du Batiment; September 2005.10 Wright GB, Jack LB, Swaffield JA. Investigation and numerical modelling of roof drainage systems under extreme events. Building and Environment 2006; 41(20):12635. .此处忽略！第 12 页 共 10 页