目前, 已投入运营的地标性超高层建筑如广州东塔、上海金茂大厦、上海中心大厦均采用了高位水箱重力供水的给水方式^[1~3]。余海静^[4]结合118m高的工程实例, 经综合分析后选择变频调速供水和管网叠压供水设备相结合的给水方式;李霖霖^[5]采用改进的三标度层次分析法得出超高层建筑最优的给水方式组合形式为水池+变频泵并联/水泵-水箱的联合给水方式。以上工程应用、研究成果确定的给水方式说法不一。因此, 各超高层建筑需应基于建筑自身特点完成生活用水给水方式的优化研究。

　　 沙坪坝交通枢纽项目是重庆首例高铁车站上盖城市综合体, 工程主要包括高铁站房及站场改造、城市轨道交通工程、综合交通枢纽工程、城市道路改造和上盖物业开发等, 总建筑规模为77.66万m²。项目建成后将打通三峡广场与沙坪坝火车站的连接, 形成大范围的整体联动, 成为具有文化特色的新地标, 推进沙坪坝商圈的扩容升级与整体发展。

　　 交通枢纽综合体的1~6层为商业裙房, 6层以上为5栋超高层塔楼 (见图1) , 各塔楼楼高介于119~201m, 包括普通办公、公寓式办公、酒店3种功能, 其中公寓式办公和酒店的用水需求基本相同, 可归为一类;塔楼均为中心筒结构, 且每隔9~13层设置一个设备层, 各塔楼的详细建筑信息见表1。裙房与塔楼因功能及业态管理不同需独立设给水系统, 本文的研究范围仅包括塔楼部分。

　　 按建筑功能不同选择具代表性的A楼、B楼展开优化研究, 其中, 以A楼为主要研究对象展开深入研究。

　　 本文的研究方法是根据常见给水方式的特点, 在塔楼用水量相同, 即无水资源浪费的前提下, 考虑建筑设备层的位置、管网承压情况等因素进行相应垂直分区, 确定备选给水方案, 利用能耗模拟软件及成本投资概算分别对方案进行全年动态能耗计算、经济性分析, 最后综合比较分析以确定建筑的优化方案。

　　 综合体的市政给水管网引入管接至位于B3层的生活用水总泵房, 管网余压为21 mH₂O, 塔楼充分利用市政给水管网余压可减少水泵的扬程, 以降低系统部分运行能耗。A楼7层为塔楼大堂, 无用水点, 因此实际供水范围为8~45层, 其用水点均位于中心筒。另外, 10层、22层、34层为设备层, 屋顶设置有机房。办公建筑用水定额为40L/ (人·班) , 每标准层的用水器具包括马桶、洗手盆、小便池、拖布盆等, 总当量N_g见表1。

　　 常见的给水方式包括高位水箱重力供水、变频泵加压供水和高位水箱结合变频泵组合供水。对以上3种给水方式结合设备层位置、管网承压情况, 进行合理垂直分区、水力计算及设备选型, 形成优化研究的备选方案。备选方案及其水泵规格分别见表2。

　　 生活给水系统的运行工况与设计工况不同, 用设计工况的能耗直接对备选方案进行评价太过于片面, 而采用全年运行能耗进行比较更合理、科学。

　　 清华大学具有自主知识产权的DeST可用于建筑能耗及环境模拟, 包含采光、日照、阴影、通风、室温、负荷、空调系统及建筑能耗等计算模块。DeST因其科学性、先进性、实用性还获得国务院、教育部乃至国际能源组织、IBPSA颁发的奖项, 现已广泛应用于科研及实际工程中。

　　 建筑能耗计算模块包含的给水泵模块可根据建筑信息及系统算法进行自动分区、协助设备选型及能耗计算, 也可对已有给水方案进行能耗计算。本文将利用该模块对备选方案的全年逐时动态能耗进行模拟计算。水泵的能耗与其日均供水量、是否变频、用水作息、水泵具体规格等因素有关。其中用水作息 (见图2) 是描述建筑逐时用水量的变化, 逐时用水量由室内人员决定, 而室内人员又与是否为工作日关系密切。水泵逐时能耗用式 (1) 计算。

　　 式中P———水泵扬程, m;

　　 G———质量流量, kg/h;

　　 η———水泵效率, %。

　　 计算结果如表3、图3、图4。方案3采用高位水箱变频泵组合供水, 系统进行精细垂直分区无超压点, 不存在能耗浪费环节, 能耗最低;方案1采用高位水箱供水, 部分楼层超压, 能耗略高于方案3;方案2采用变频泵加压供水, 系统内超压楼层数最多, 能耗最大。而且, 3个备选方案的能耗相差不大。

　　 由于给水方式不同, 系统部分部件会随之发生变化, 如各干立管管材、水泵、水箱、减压阀及相应的人工费。而系统的配水点支管、建筑室外管网等部分则不变。因此, 经济性分析时仅针对以上发生变化的部分, 具体部件成本概算如下:

　　 (1) 管材。相比于金属管, 钢塑复合管具有明显的价格优势, 而孔网钢带聚乙烯复合管具有耐压强度高, 抗蠕变性、抗腐蚀性和耐磨性好, 水头损失低, 质量小, 寿命长等优点, 现已广泛应用于项目中。因此, 选择该复合管作为塔楼的管材, 价格按市场均价计。另外, 方案中各段管材规格是由流量及流速共同确定。

　　 (2) 水泵。水泵流量小, 按1用1备配置已能满足系统安全运行的要求, 其成本概算原则如下:工频泵, 按1 000元/kW计;变频泵, 泵组同工频泵, 增加的变频器、控制柜、自动切换装置及其辅料各项概算如下: (1) 变频器价格和功率相关, 查ABB公司的产品样本获得; (2) 控制柜价格与控制点位数量相关, 按800元×13个点位计; (3) 自动切换装置按1 500元计, 其辅料按变频器价格的35%计。

　　 (3) 水箱。转输水箱及高位水箱的容积为最大用水时水量的50%, 按2 000元/m³计算。

　　 (4) 减压阀。配水点供水压力高于0.3 MPa时, 配水点支管应配置可调式减压阀, 按200元/套计。

　　 (5) 人工费:与工程量、人工日工资单价成正比, 工程量与系统的管路布置、设备台数及其规格息息相关, 人工费占各分项总费用的30%~50%。

　　 基于以上原则, 3个备选方案的成本概算和经济性分析见表4。

　　 A楼充分利用市政管网余压并综合考虑设备层位置和管网承压情况进行垂直分区和设备选型, 确定了高位水箱供水、变频泵加压供水及高位水箱结合变频泵联合供水3种备选给水方案, 利用DeST进行全年动态能耗计算可知各方案能耗相差不大, 而经济性分析则表明高位水箱供水的方案成本投入最低, 另外, 从系统的机房布置、运行维护及管理等方面综合考虑高位水箱供水方式具有明显优势。因此, 高位水箱供水为A楼的最佳给水方案。

　　 B楼为公寓式办公楼[用水定额为300L/ (人·班) ], 整体结构和A楼相似, 有3个机电设备层, 亦采用中心筒结构, 不同的是将中心筒四周区域分隔成28个单间, 单间内设有多个用水点, 总当量N_g见表1, B楼用水量比A楼多。

　　 将A楼的优化研究方法应用于B楼, 其能耗计算及成本概算结果见表5。相比于A楼, 3个备选方案的能耗、成本均增大, 但各方案之间能耗相差不多, 成本概算中管材、减压阀费用占比也有所提高, 从经济性、机房布置、系统管理、运维的角度综合比较后确定B楼采用高位水箱供水最合理。

　　 A楼、B楼均为交通枢纽综合体的超高层塔楼, 均为中心筒结构, 间隔一定层数设有设备层, 功能分别为普通办公和公寓式办公。基于3种常见给水方式, 充分利用市政管网余压及建筑结构特点、管网承压要求确定具体备选方案, 通过能耗模拟发现3种备选方案的能耗相差不大;通过成本概算得知高位水箱供水的成本投入最低。因此, 从经济、机房布置、系统运维及管理的角度综合分析后确定高位水箱供水为优化方案。项目他其塔楼的特点和A楼、B楼相似, 可直接采用高位水箱供水的给水方案。该方案也可应用于具有相同特点的建筑中, 另外, 本文的研究方法也为其他类型建筑给水方案优化研究提供参考。