十九大报告指出“推进资源全面节约和循环利用, 实施国家节水行动, 降低能耗、物耗, 实现生产系统和生活系统循环链接”, “循环”成为提高资源利用效率的重要途径。建筑水系统既是城镇供水系统的终端, 也是城市排水系统的始端, 是生活用水从“供”转向“排”的转折点, 构成了水资源在城市水系统循环的重要节点。在传统的建筑水系统中, 生活用水的流转过程, 为“建筑给水系统”到“建筑排水系统”的单向流转, 水从建筑给水系统经过生活用水过程排入建筑排水系统, 随城镇排水进入水系统的自然循环过程。为了响应国家“推进资源循环利用”的号召, 提升水资源利用效率, 课题提出 “建筑水系统微循环”的概念, 在“建筑排水系统”前, 通过灰水和雨水的简单处理和就地回用, 实现非传统水源有效利用, 构建建筑水系统的微循环过程 (见图1) 。

　　 城镇供水系统的总体目标是实现“从源头到龙头”的水质安全保障, 建筑水系统是城镇供水系统的重要组成部分, 是实现城镇供水系统目标的关键和核心。建筑水系统也是城镇供水系统中最接近百姓生活的部分, 建筑水系统的运转情况, 直接对百姓生活产生最直接的影响。但是, 近年来建筑水系统存在诸多问题, 建筑给水水质和建筑排水卫生安全问题频发, 作为建筑给水设计的核心参数“生活用水定额”也存在一定偏差。

　　 在建筑给水水质方面。我国建筑终端供水的水质保障率低于市政供水, 建筑供水的水质合格率偏低;出厂水经过市政管网和建筑终端系统后, 龙头出水水质保障率有较大幅度的降低。我国建筑给水和生活热水的污染事件频发, 二次供水水质污染事件每年报道的有数千起, 污染种类呈现多样化趋势。从总体上建筑用水系统存在开口多、管材种类多、设备器具多、输配水箱存在安全隐患、水力条件差、管理难度大等诸多问题, 极易造成水质污染。

　　 在建筑排水卫生安全方面。我国高层建筑逐渐增多, 城市建筑排水系统的卫生性能低, 高层建筑排水能力差, 普遍存在排水系统返臭气的问题。在用水定额方面, 近年来生活用水量不断攀升, 现有建筑生活水的用水定额已不能真实反映实际用水情况, 且存在供水系统超压出流、管道及用水器具漏损、节水器具质量欠佳、节能新技术和产品滥用等问题。同时, 厨余垃圾未处理、雨水与灰水利用率低、建筑物内部的节水技术缺乏等问题, 造成建筑用水效率低下, 没有进行必要的回用和循环利用, 水资源浪费严重。

　　 因此, 需要对建筑水系统进行全方位梳理, 结合水系统现状的各种问题, 形成具有针对性的技术解决方案, 逐一破解节点性问题, 重新构建完整的建筑水系统, 完成建筑水系统“重构”过程。

　　 课题的研究目标是在广泛调研建筑水系统现状的基础上, 针对现阶段建筑水系统中存在的建筑用水定额、建筑供水水质安全、管道系统、节水节能、二次供水设备与材料选用、运营管理模式、排水卫生安全性能等关键问题, 开展建筑给水与生活热水水质安全保障技术、建筑水系统节水节能关键技术、二次供水主要设备及材料评价与选用技术、建筑生活用水系统保障技术集成应用与示范4个部分的研究, 突破水质安全保障、节水节能、排水卫生安全、设备材料、运营管理模式等关键技术, 建立基于供水水质保障、排水卫生安全、节水节能、雨灰水回用的建筑水系统微循环技术体系, 结合重点流域和典型城市进行技术集成应用与工程示范, 解决城镇供水系统“最后一公里”的水质安全保障问题, 为“从源头到龙头”水质安全保障目标提供技术支撑。

　　 本课题在全国不同地域地区、具有代表性的20个城市开展建筑水系统现状调研工作的基础上, 对现有建筑水系统的供水水质、用水量定额、设备材料、排水卫生以及二次供水管理等方面问题进行系统地调研与评价, 在建筑供水水质保障、二次供水运营管理、建筑节水系统、排水卫生安全、建筑雨灰水回用等方面开展研究, 突破建筑供水质安全、节水节能、排水卫生安全、设备材料、运营管理模式等关键技术, 编制和修订相关技术标准, 建立二次供水管理信息平台, 形成基于供水水质保障、排水卫生安全、节水节能、雨灰水回用的建筑水系统微循环技术体系;结合依托工程和示范工程在华北、东北等典型城市进行单项技术与集成技术的综合示范, 为技术应用、标准完善、成果推广奠定良好的基础。图2为课题研究技术路线示意。

　　 近年来, 我国经济社会发展迅速, 百姓生活水平明显提高, 居民生活用水结构发生明显改变, 而我国对城市建筑区内的实际用水量和用水变化规律的研究欠缺, 大量基础资料采用20世纪50年代苏联的数据和公式。为了收集最新的建筑水系统现状情况资料, 课题参照我国城市给水排水技术规范区域划分的情况开展大范围调研, 由北京工业大学、北京建筑大学、同济大学、山东建筑大学、重庆大学这5所高校共同参与, 前后涉及近3年, 分别在我国东北地区、西北地区、华北地区、华中地区、西南地区、华南地区、华东地区等地, 每个地区选择3～4座[包括超大 (大) 、中、小]代表性、典型性的城市开展调研 (见图3) , 调研工作共涉及20余个城市, 调研建筑类型包含住宅、办公楼、医院、高等院校、酒店、公共浴室等, 调研工作涉及建筑用水水量、水质、二次供水管理模式等多方面指标和内容。

　　 全国建筑水系统现状调研评估工作形成了《全国建筑水系统现状调研与评估报告》, 报告结合各区域不同建筑类型的调研数据, 最终得出了全国各地区用水定额建议值, 同时综合全国各地的总体情况, 得出了建筑给水排水设计规范建议值, 为国家标准《建筑给水排水设计规范》的修编提供了重要参考, 部分调研结果已被规范修编采纳, 为我国建筑给水排水行业的发展奠定了重要的基础。

　　 围绕解决“最后一公里”的水质安全保障问题, 为城镇供水系统的“从源头到龙头”水质安全保障目标提供支撑。建筑给水和生活热水水质安全保障技术主要开展了, 建筑给水和生活热水水质污染特性研究、建筑给水和生活热水水质污染控制技术研究、建筑给水和生活热水管道系统对水质影响研究和高层建筑给水管道系统优化研究等4个方面的工作。

　　 分析和总结建筑供水系统的水质污染特点, 确定影响水质的关键环节和关键问题;系统地研究建筑给水和生活热水系统水质二次污染规律和影响因素, 研究建筑区内管网系统、楼宇内管道以及用户龙头等各个端口的水质变化情况, 确定建筑给水和生活热水水质污染特性, 评价各种因素的影响权重以及污染控制技术效能和适用性。根据水质污染的特点和污染的区域, 研究有针对性的污染控制方案, 为建筑给水和生活热水系统的水质污染控制与保障技术的提供支持。

　　 分析和总结建筑供水系统的水质污染特点, 确定影响水质的关键环节和关键问题;系统地研究建筑给水和生活热水系统水质二次污染规律和影响因素, 研究建筑区内管网系统、楼宇内管道以及用户龙头等各个端口的水质变化情况, 确定建筑给水和生活热水水质污染特性, 评价各种因素的影响权重以及污染控制技术效能和适用性。根据水质污染的特点和污染的区域, 研究有针对性的污染控制方案, 为建筑给水和生活热水系统的水质污染控制与保障技术的提供支持。

　　 研究建筑给水和生活热水管路系统构成形式和管路水力条件、水力停留时间等因素对水质的影响, 确定管路系统的设计参数和运行参数, 提出系统组成优化方案。通过构建供水管路的内部循环, 缩短水力停留时间, 建立管道水力循环保障系统。研究水中余氯变化规律与水力停留时间等相关性, 确定水质污染、管道系统构成和运行状态与水中余氯变化规律的相关性;以余氯量和水力停留时间为关键控制因素, 整体改善给水和热水系统的水力运行特性, 提高龙头出水水质的保障率。

　　 研究高层建筑和超高层建筑的多级传输供水的水质变化和污染规律, 建立有针对性的污染控制技术和水质保障措施;研究高层建筑供水的安全消毒技术, 协助研究和建立高层建筑防污染转输水箱及水质安全输配技术, 优化水质污染控制设施及消毒剂补加系统。

　　 通过建筑给水和生活热水水质安全保障技术的技术研究 (见图4) , 结合不合格比例、用户关注度、安全风险程度等多种因素, 确立了基于终端用户关注度的水质污染控制技术, 明确了“感官指标—生物安全性指标—化学安全性指标”的水质安全保障顺序。形成了以膜滤过滤保障和活性炭吸附过滤保障的物化保障技术方法, 在二次消毒保障方面, 形成了化学消毒和物化消毒的化学屏障系统。

　　 建筑排水方面的研究主要包括:排水系统性能检测平台研发、高层建筑高安全性能排水系统研发、超高层建筑排水系统排水能力预测技术、厨余垃圾排放系统成套技术等4个方面的内容。

　　 根据排水系统模拟试验的测试边界条件, 结合住宅内的用水规律, 确定各种试验的组合工况。按照国内常用的伸顶通气系统、专用通气系统和特殊单立管系统3种住宅排水系统类型, 比对定常流排水、瞬间流排水、定常流与瞬间流组合排水3类试验方法的测试数据, 并与实际调研情况相结合, 确定适合住宅用水规律的试验方法。

　　 按照高层住宅排水系统标准排水能力试验方法, 研究住宅排水系统排水能力的判别标准, 确定水封破坏的影响因素与依据, 确定水封强度的判定条件。按照高层住宅排水系统标准排水能力试验方法, 确定压力和流量检测仪表的参数条件, 数据采集与传输系统的形式与设备型号, 满足精度要求的执行机构等, 确定系统的标准配置。研究高层建筑排水立管系统安全性能影响要素, 开展住宅排水系统足尺度模拟比对试验, 分析排水系统诸要素 (系统类型、管材、排水立管管径、排水横支管管径、立管接头、排水系统工作高度、顶部通气装置) 对安全性能的影响, 研究住宅内不同排水系统类型的排水系统立管内压力分布规律, 进行高层建筑高安全性能排水系统研发。

　　 在综合分析系统控制因素基础上, 进行高安全性能排水系统的相似模拟试验研究, 确定各主要相似参数对系统排水的影响规律, 探讨高安全性能排水系统的相似参数, 通过不同排水系统 (高度在100 m以内) 进行验证, 建立高安全性能排水系统的设计参数选择方法。

　　 利用实际生产试验装系统, 研究预测排水能力的数值模拟技术, 对100 m高的不同类型排水系统进行研究, 包括伸顶通气系统、专用通气系统、特殊单立管系统等, 确定不同排水系统内压力分布特性曲线和变化规律, 构建研究排水系统内部空气场和水流状况的模拟计算模型, 开展气—水两相流的数值模拟分析研究, 探讨影响内部空气场和水流状况的主控因素及影响规律, 研发高精度压力特性曲线的数学模型, 进行超过100 m的超高层建筑排水系统排水能力预测研究。

　　 在不同排水立管管径、不同排放流量以及不同通气方式组合条件下, 开展厨余垃圾管道输送能力研究, 确定影响管道排放能力的重要因素及相对影响程度。采用模拟污物对建筑厨房排水系统内的污物进行研究, 采用模拟污物与水混合物模拟厨余垃圾, 研究在不同布置组合条件下污物输送的最大距离。针对横支管的布置方式、排水立管与渣夜收集装置的连接方式、排水立管与固液分离装置的连接方式, 分别从安装角度、坡度、污物放置时间、排放量、污物与水的比例等不同条件下开展研究, 确定排放能力和噪声影响, 建立厨余垃圾排放系统的设计方法和管道布置方法。研发清洗垃圾排放系统的高压清洗配套装置, 对不同的高压清洗装置对排水立管管内压力、水封波动情况以及清洗效果进行综合比对研究, 研发在符合室内卫生安全、满足噪声影响要求的管道清洗装置。

　　 目前建筑排水卫生安全性能相关研究取得了不错的研究成果, 形成基于排水性能评测的建筑排水卫生安全技术, 编制了行业标准《住宅排水系统排水能力测试标准》, 并已发布实施。在排水系统性能检测平台进行了上万次足尺试验。建立预测超高层建筑排水系统排水能力的数学模型 (压力特性曲线与实测数值偏差在5%以内) , 建立了标准的住宅排水系统排水能力测试系统, 测试能力满足行业标准《住宅排水系统排水能力测试标准》的相关要求标准, 研发出了适用于30～110 m高层建筑的高安全性能的排水系统 (系统内压力波动≤±400 Pa) , 并用于工程示范。图5为建筑排水系统研究内容及成果。

　　 针对作为给水设计、设备选用与开发基础的城镇建筑用水量统计分析欠缺, 节水节能产品质量差、品种少、不配套, 节水技术关联性不强, 节水技术缺乏, 未形成节水技术优化与集成应用等问题, 在分析和研究建筑水量及用水规律的基础上, 编制适合我国国情的建筑用水定额 (最高日) 和用水舒适度评价方法;开发基于水质安全的节水节能的关键技术, 建立城市建筑节水技术, 形成适用于建筑物内部的节水成套技术, 全面提高供水末端水质保障能力及节水率。

　　 针对在建筑给排水设计中多种二次供水系统形式并存、各系统节能性能存在差异问题, 开展二次供水方式节能差异性能研究, 对现有二次供水方式的系统特性与能耗进行分析和研究, 包括变频水泵直接加压供水, 水泵、气压罐供水, 顶部水箱 (或水塔) 重力供水, 水箱与水泵联合供水, 局部并联、局部串联等供水方式。研究不同用水规律的建筑中合理的供水系统方式, 保证供水安全的前提下, 最大程度降低建筑供水系统的能耗, 为后期建筑给排水行业中供水系统的正确选择提供依据。

　　 针对建筑供水系统中不同特性用水器具导致的建筑供水系统压力变化而引起的用水量变化问题进行研究, 制定用水器具设置与供水系统方式选择的优选方法, 建立用水器具与供水系统特性的节水性能评价技术。

　　 针对建筑与小区中水收集回用系统的运行难度大、不能满足节水要求的问题, 开展适用于住宅户内的优质杂排水节水成套技术研究, 研发户内优质杂排水节水成套设备, 研究处理后的户内优质杂排水供马桶冲洗的节水效率。模块化户内中水集成系统是将卫生洁具的排水横支管集成模块化 (见图6) , 集同层排水与户内“三洗” (洗衣、洗澡、洗手) 废水收集、自动回用循序冲厕为一体的户内节水集成装置系统。该系统现有下沉式、侧立式两种构造和安装方式, 工厂化生产, 现场装配。

　　 调研现阶段国内外二次供水管理技术与模式, 分析各自特点和发展趋势, 从管理、运营、效益、技术等方面评价不同管理模式的综合水平和适用性;研究适合我国特点的二次供水管理模式, 结合二次供水建设、运行维护与监管技术等方面要求, 提出符合我国国情及地域特点的二次供水管理模。在建立适宜的二次供水管理模式基础上, 研究二次供水管理信息系统的组成和构造, 制定合理的管理指标和控制参数, 建立具有实时显示与控制功能的监管系统, 对必要的水质、水量、压力等关键参数进行实时监控, 构建多功能管理和质量控制平台, 为建立和完善二次供水管理信息系统提供支撑。进行二次供水管理信息技术与供水水质保障等单项技术的工程示范。开展二次供水信息化管理平台的建设与测试, 通过电子监控、数据采集、网络传输、大数据分析预测等, 全面提高二次供水管理水平, 保障二次供水水质安全。

　　 课题系统研究了建筑水系统的各个环节, 编制了12部相关标准规范, 将研究成果进行了推广。主要包括:

　　 (1) 国家标准《建筑给水排水设计规范》 (报批稿) 。

　　 (2) 国家标准《数字集成全变频控制恒压供水设备》 (报批稿) 。

　　 (3) 行业标准《二次供水工程技术规程》 (报批稿) 。

　　 (4) 行业标准《住宅生活排水系统立管排水能力测试标准》 (CJJ/T245—2016) 。

　　 (5) 行业标准《生活热水水质标准》 (CJ/T521—2018) 。

　　 (6) 行业标准《模块化户内中水集成系统技术规程》 (JGJ/T409—2017) 。

　　 (7) 协会标准《二次供水运行维护及安全技术规程》 (T/CECS 509—2018) 。

　　 (8) 协会标准《集中生活热水水质安全技术规程》 (T/CECS 510—2018) 。

　　 (9) 联盟标准《二次供水设备与材料用与评价指南》 (AFH-103—2018) 。

　　 (10) 联盟标准《建筑二次供水系统节能技术指南》 (AFH-106—2018) 。

　　 (11) 联盟标准《节水器具工程应用指南》 (AFH-104—2018) 。

　　 (12) 联盟标准《厨余垃圾排放系统的管道布置和设备配置指南》 (AFH-105—2018) 。

　　 对建筑生活给水系统、生活热水系统、供水管道系统、供水管材与设备系统、节水节能系统、二次供水管理系统等进行全面整合和技术集成, 构建基于供水系统的建筑供水安全保障系统;对建筑排水系统、排水反臭气控制系统、厨余垃圾系统、雨水和灰水循环利用系统、住宅户内的节水系统等进行全面整合和技术集成, 构建基于排水系统的建筑用水循环利用系统;以建筑用水水质安全和循环利用为主要依据, 将建筑供水系统与建筑排水系统中的用水结合点进行衔接, 重新构建建筑用水微循环系统, 建立建筑水系统微循环重构技术。建筑水系统主要综合示范技术如下:

　　 (1) 水质安全保证技术:在示范工程中采用防污染转输水箱及输配技术, 同时监控市政引入端及二次供水终端关键性水质指标, 保证二次供水终端水质安全。

　　 (2) 热水消毒技术:在示范工程中采用银离子消毒技术对生活热水系统进行消毒, 保证军团菌的灭活, 确保生活热水生物安全性和化学安全性。

　　 (3) 节能节水技术:研究示范工程中节水供水系统的能耗分析, 完成节水系统的能耗变化规律曲线及节能效率百分比。

　　 (4) 雨水和灰水循环利用技术:在示范工程中设置雨水和灰水收集回用系统, 保证节水率。

　　 (5) 排水系统反臭气控制技术:在示范工程中优化排水支管布置方式, 采用研发出的新型高水封保持能力存水弯、地漏产品, 保证示范工程中排水系统的反臭气控制效果。

　　 课题围绕城镇供水全流程安全保障的总体目标以及建筑水系统水质保障关键技术, 从数据调研分析、技术研究、设备研发、技术集成以及标准、规范研究与管理技术等多方面进行研究和应用。课题建立基于供水水质保障、排水卫生安全、系统节水节能、户内灰水回用、雨水收集利用的建筑水系统微循环技术体系, 包括建筑给水、热水、排水、雨水、灰水系统的相关技术、设备、标准、规范等, 确保龙头处水质符合生活饮用水水质标准, 节水率达到16% (相对于现行国家标准《民用建筑节水设计标准》 (GB 50555) 的用水定额。