中新天津生態城排水泵站生態節能設計

1 工程概況

2 排水泵站生態節能設計

1）優化設備選擇，降低能源消耗。市政排水泵站運行過程中，水泵是主要的耗電設備，為使排水泵站的日常運行管理中更加節能環保，在工程設計中主要采用了以下的方式。

（1）水泵選擇。由于居民日常生活用水的不均勻性，使得污水泵站具有排水流量變化幅度較大的特點，為使污水泵始終能夠高效運行，污水泵選用變頻潛水排污泵，水泵在PLC的控制下，根據水量大小進行變頻調速，使其在高效段運行，節約能耗。

雨水泵選用潛水軸流（混流）泵并且選用進口知名品牌產品，保證了泵站安全、有效地運行并使管理和維護更為簡便、高效、節能。水泵運行效率可達84%以上。

（2）附屬建筑內用水設施均采用節水型用水器具。選用光電感應式延時自動關閉水龍頭、感應式或腳踏式高效節水型小便器和兩檔式坐便器，以達到節水的目的。

2）利用CFD數值模擬，優化泵池設計。CFD在最近20 a中得到飛速的發展并在近幾年廣泛的應用于分析和改進泵站設計以及水力性能的計算等方面[1]。采用CFD軟件進行數值模擬，能在短時間內較為準確地預測水泵裝置的性能并通過改變各種參數來達到最佳設計效果[2]。

以青坨子雨水泵站為例，CFD計算時選取格柵后到水泵出水管口段作為計算區域，采用三維建模軟件Autodest Inventor，按1∶1比例創建泵站的3D模型。分別模擬了6臺泵全部運行、2臺泵運行以及1臺泵運行時，泵站內雨水的流動狀態，采用Fluent12.1計算流體分析軟件對泵站進水流道進行了數值流場計算分析。

根據模擬計算的結果，對青坨子雨水泵站進行如下優化設計。

對于知識分子的道德，責難最多的恐怕就是氣節。氣節是指堅持正義，在敵人或壓力面前不屈服的品質。比如我們常說民族氣節、革命氣節。留下“人生自古誰無死、留取丹心照汗青”的文天祥表現出的是民族氣節；而留下“殺了我一個，還有后來人”的夏明翰表現出的是革命氣節。

（1）優化了泵站前池結構形式，減少了由于流態紊亂而造成的泵站水力損失，以達到節能降耗的目的。

（2）對水泵開停泵控制水位進行了優化，減少了整個泵站運行的損失，見圖1。

圖1 雨水泵站流動模式

3）初期雨水處理，減少對受納水體的污染。隨著城市化進度的不斷深化，初期雨水徑流的污染問題引起了人們越來越多的重視。在生態城的雨水泵站設計中均考慮了初期雨水的處理問題。在雨水泵站中設置初期雨水泵將初期雨水提升至規劃人工濕地，通過濕地處理后排入受納水體，從而保護了收納水體的水質。后期雨水水質較為穩定，經雨水泵站提升后直接排入受納水體，通過生態城水系的自凈能力進行凈化，見圖2。

圖2 雨水泵站排水

以中新天津生態城東北部片區雨水泵站為例，該泵站設計規模13.6m3/s，共設置6臺潛水軸流泵，針對初期雨水排放的問題，泵站利用其中一臺水泵在降雨初期將雨水排入規劃人工濕地進行凈化處理，利用調節蝶閥調節初期雨水管的出水流量。當降雨量增大時，關閉初期雨水出水管調節蝶閥，打開后期雨水出水管道蝶閥，通過雨水出水管將雨水排入河道。

4）雨水利用，節約優質水資源。隨著現代社會水資源日益緊張，將雨水作為一種資源加以利用不但可以緩解水資源緊張的現狀，還能緩解暴雨對雨水系統的沖擊。

生態城排水泵站實行分質供水，附屬建筑用水由市政給水系統提供，雨水主要用于泵站道路清洗、沖洗車輛和綠化用水等方面。

排水泵站內雨水利用主要分為2個方面：雨水下滲及雨水回收利用，見圖3。

圖3 排水泵站雨水利用系統

（1）雨水下滲。雨水入滲地下可補充涵養地下水資源，是一種間接的雨水利用技術，還有緩解地面沉降、減少水澇和海水倒灌等多種效益。泵站內綠地采用下凹式綠地，設計高程低于泵站設計地坪5 cm并與景觀設計相結合，配以洼地、植被淺溝人工入滲設施，降雨時，綠地范圍內的雨水及部分徑流至低洼綠地內的雨水通過下滲方式補充地下水。有研究結果表明，當綠地下凹5～10 cm時，能夠消納自身和相同面積不透水地面的雨水，使5 a一遇日降雨無徑流外排[3]。

（2）雨水回收利用。每座排水泵站都有一定面積的庭院道路，將降落在這部分的雨水收集并回用，不但有利于減輕雨水管道的排放壓力，而且可以節省部分優質水資源。以東北部片區雨水泵站為例，該雨水泵站室外場地面積2 900m2，其中廠區道路面積約為1 230m2，占室外場地面積的比例為42.4%。設計考慮將路面部分雨水回收處理后進行回用。庭院路面采用高承載透水路面鋪裝方式，為對路面徑流雨水進行處理并儲存，利用附屬建筑前停車場地下空間修建雨水砂濾池1座，尺寸L×B×H=12.5m×4m×2.5m。路面雨水通過鋪裝的砂基透水磚及排水盲管內，收集至雨水砂濾池內，凈化后回用于泵站綠化及道路沖洗等用途。按天津市平均降雨量560mm/a計算，道路面積1 230m2，雨水收集系數取0.8，則該雨水泵站每年可收集利用的雨水量為 550m3。

雨水收集利用受季節及降雨量的限制，存在著水量供應不均衡的特點，為彌補雨水供應的缺陷，考慮采用雨水利用系統與市政中水系統并聯運行的方式。當雨水量充足時，優先使用雨水，雨水量不足時，利用市政中水系統進行補給。

青坨子雨水泵站經過1 a的運行結果表明，雨水經雨水利用系統處理后，其水質能夠滿足道路清洗、沖洗車輛和綠化用水等方面的水質要求。在雨水量充足的條件下，完全可以代替部分優質市政水，不僅美化了環境，節約了大量的水資源，而且達到了城市防洪、美化城市景觀和節能生態的共贏目的。經測算，采用分質供水方式，泵站每年可節約優質給水1 300m3。

5）太陽能發電，發展清潔能源。太陽能作為一種綠色環保的新型能源，在現代光伏發電技術的發展中越來越普遍的在我們身邊加以利用。通過對中新天津生態城太陽能資源的調查，該區域排水泵站可充分利用附屬房間屋頂的空地來放置太陽電池方陣，變屋頂為太陽能發電站，以與屋頂相同的傾角朝南設置，可以獲得最大的年發電量而不至于影響建筑的美觀，通過光電轉換系統，將太陽能轉化為電能，能滿足建筑物內的照明、監控系統、辦公用電、空調等工作電源，多余的電力可回饋到電力網。

另外，庭院內的照明設備均采用風光互補的發電方式提供能源，以減少對市電的依賴，見圖4和圖5。

圖4 雨水泵站

圖5 庭院照明

以青坨子雨水泵站為例，根據該泵站建筑規模，屋頂太陽電池方陣的總容量可達9.72 kWp（多晶硅太陽電池組件按照屋頂傾斜角度22°設置，方陣傾斜角度和建筑屋頂傾斜角度保持一致，從而不影響建筑物的美觀），2011年該泵站太陽能發電量為11 024 kW·h，日均發電量約為30.2 kW·h。與火力發電相比較，可以減少二氧化碳的排放量約為8 kg、二氧化硫的排放量約為89 kg、氮氧化物的排放量約為43 kg，所排放的這些氣體如果用森林在一年內來吸收，則需要17 hm2面積的森林。

6）全程監控，突出節能和數字化的理念。以排水泵站為控制節點，以泵站控制中心為綱領，實現城市排水系統工藝設備、動力設備的全程監控，排水系統運行參數的實時采集分析，排水狀態視頻的實時檢測并綜合氣象會商系統、城市應急系統功能與一體，使城市排水系統實現全過程的監控，逐步推動城市信息化、數字化的建設，提高城市公用設施的利用效率使設備安全、合理、可靠地運行，突出生態城綠色、環保、節能和數字化的理念，見圖6。

圖6 排水泵站控制系統

7）綠色建筑，與周邊環境和諧相融

（1）設計構思。在考慮經濟效益的同時，創造功能齊全．流程簡單合理的公共建筑，以滿足生態城東北部產業園區整體項目的需求并充分利用土地。

（2）建筑節能。建筑設計應力求在人、建筑物、自然之間構建和諧的關系。在泵站設計過程中綜合建筑造型、平面布局、采光通風及建筑環保材料等因素,以減少建筑在運行中的能耗。

泵站附屬用房根據不同朝向有限度的設置門窗洞口大小，以達到合理的窗墻比要求，為避免建筑的外墻、門窗、屋頂熱損失，降低建筑的耗熱量指標，采用加厚外墻保溫、中空玻璃外窗、屋面保溫等一系列保障方式，使得建筑節能率達到70%。

泵站內照明光源采用LED半導體光源，可以在較低功率光源的基礎上，獲得較高的照明效果，大大提高電能的利用率，從而達到節能的目的。

3 結語

在中新天津生態城排水泵站的設計過程中，采取了一系列措施，如：雨水利用、CFD數值模擬及太陽能利用等，使得排水泵站在運行管理過程中能更好的發揮作用，減少對不可再生資源的需求并與周邊環境和諧相融，達到排水泵站運行生態節能的目的。

[1]潘中永，李曉俊，袁壽其，等.CFD技術在泵上的應用進展[J].水泵技術，2009，(1)：1-6.

[2]潘 強，王 鋒.CFD軟件在龍子湖泵站設計中的應用[J].華北水利水電學院學報，2010，31(5)：55-57.

[3]張書函，陳建剛，丁躍元.城市雨水利用的基本形式與效益分析方法[J].水利學報，2007，38(S1)：399-402.