公共建筑水系統(tǒng)監(jiān)測體系的構(gòu)建

近年來，隨著越來越多的公共建筑供水排水事故的發(fā)生，供水安全已引起社會及國家有關(guān)部門的重視，但我國對不同種類的公共建筑以及綜合體建筑的用水規(guī)律的研究還不充分，能反映公共建筑真實用水狀況的數(shù)據(jù)較少，因此建立能及時反饋水系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測體系，成為保障供水安全及高效合理利用的重要因素?！秶夜?jié)水行動方案》指出，需要推動節(jié)水技術(shù)與工藝創(chuàng)新，瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)技術(shù)，加大節(jié)水產(chǎn)品和技術(shù)研發(fā)，加強(qiáng)大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)與節(jié)水技術(shù)、管理及產(chǎn)品的深度融合。目前我國水系統(tǒng)監(jiān)測主要側(cè)重于小區(qū)及市政管網(wǎng)給水系統(tǒng)的研究，而對建筑內(nèi)部的相關(guān)研究較少，因此構(gòu)建一套公共建筑水系統(tǒng)監(jiān)測體系，對數(shù)據(jù)的收集分析、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的編制、水資源節(jié)約均有重要意義。1?構(gòu)建水系統(tǒng)監(jiān)測體系的意義1.1?節(jié)水研究現(xiàn)狀2019年，全國總用水量為6?021.2億m3，其中生活用水871.7億m3，工業(yè)用水1?217.6億m3，農(nóng)業(yè)用水3?682.3億m3。與上年比較，農(nóng)業(yè)、工業(yè)用水量分別減少10.9億m3、44.1億m3，生活用水量增加11.9億m3。由此可見，經(jīng)過國家大力發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)，加強(qiáng)工業(yè)節(jié)水工作，情況有較大改善。隨著全國人口持續(xù)上升，生活用水節(jié)水潛力巨大。目前國內(nèi)外節(jié)水技術(shù)研究日趨成熟，已形成較完整的體系，因此順應(yīng)“數(shù)字化、自動化、智能化”的發(fā)展趨勢，依托“物聯(lián)網(wǎng)、云計算、智能感知”，通過對用水進(jìn)行監(jiān)測、建模、控制，實現(xiàn)對建筑水系統(tǒng)的智慧化管理已是大勢所趨。1.2?為供水安全提供保障隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國城鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對供水管網(wǎng)的要求也更加嚴(yán)格。目前我國供水管網(wǎng)主要存在水壓不足、二次污染、滲漏等問題；另外，世界衛(wèi)生組織（WHO）建議為預(yù)防軍團(tuán)菌繁殖，應(yīng)避免水溫處于25~45℃，這也對水溫提出了要求。為保障公共建筑的供水安全，對水溫、壓力、水質(zhì)進(jìn)行全方位監(jiān)測，加強(qiáng)安全運行管理，須盡快構(gòu)建出一套科學(xué)、合理、全面的公共建筑水系統(tǒng)監(jiān)測體系。1.3?為高效合理供水提供保障在現(xiàn)有對設(shè)計有指導(dǎo)意義的規(guī)范中，規(guī)定的用水參數(shù)普遍偏保守，脫離實際情況。參照規(guī)范計算用水量會導(dǎo)致供水水箱容量偏大、泵組配置過大、末端用水壓力偏大等情況，不但會增大供水系統(tǒng)的建設(shè)成本及運營時的能源浪費，還會增加整個系統(tǒng)的后期維護(hù)費用。2?建筑水系統(tǒng)監(jiān)測體系的構(gòu)建2.1?監(jiān)測指標(biāo)遴選GB/T?50314—2015《智能建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，“建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控范圍宜包括冷熱源、供暖通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)、給水排水、供配電、照明、電梯等，并包括以自成控制體系方式納入管理的專項設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)等；采集的信息包括溫度、濕度、流量、壓力、壓差、液位、照度、氣體濃度、電量、冷熱量等建筑設(shè)備運行基礎(chǔ)狀態(tài)信息”。水系統(tǒng)監(jiān)測體系的監(jiān)控范圍應(yīng)包括但不局限于上述指標(biāo)，供水系統(tǒng)的能耗及對用水舒適度及安全性有較大影響的水溫和水質(zhì)也應(yīng)納入其中。2.1.1?流量監(jiān)測對建筑用水量的監(jiān)測適用于包括生活給水系統(tǒng)、生活熱水系統(tǒng)、中水系統(tǒng)、建筑生產(chǎn)用水、建筑景觀綠化等所有用水方面及類型，是衡量公共建筑用水最核心的指標(biāo)，其數(shù)據(jù)直接反映了公共建筑各功能類型的水資源消耗情況；根據(jù)時間的長短,其監(jiān)測數(shù)據(jù)可分為秒用水量、時用水量、日用水量、月用水量或季度用水總量、年用水總量，對掌握建筑實時用水情況、用水定額修正、后續(xù)同類型建筑設(shè)計優(yōu)化，分析不同季節(jié)用水及整體用水趨勢變化情況有極為重要的作用。2.1.2?壓力監(jiān)測對建筑供水壓力的監(jiān)測應(yīng)與用水量監(jiān)測同步進(jìn)行，作為供水系統(tǒng)舒適度的直接體現(xiàn)，供水壓力以器具出流量的形式表現(xiàn)，在一定程度上反映了供水系統(tǒng)設(shè)計的合理性。對供水壓力進(jìn)行監(jiān)測的意義在于通過監(jiān)測典型用水點的供水壓力情況，判斷是否頻繁出現(xiàn)超壓出流情況，從而判斷在用供水加壓設(shè)備與系統(tǒng)運行狀態(tài)的匹配度。2.1.3?能耗監(jiān)測能耗是指供水系統(tǒng)將各用水點所需的水從取水端經(jīng)管路系統(tǒng)輸送至用水點所消耗的能源。對供水能耗的監(jiān)測并不能直接反映公共建筑水系統(tǒng)用水或節(jié)水情況，但結(jié)合用水量及供水壓力數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)總能耗與有用功進(jìn)行對比分析，可繪制出完整的公共建筑水系統(tǒng)狀態(tài)圖。2.1.4?水溫監(jiān)測在GB?50015—2019《建筑給水排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中，對生活熱水系統(tǒng)供水溫度有明確要求，使用過程中應(yīng)保證供水溫度合規(guī)，且從舒適度考慮，防止配水點水溫過低或過高，應(yīng)對生活熱水系統(tǒng)水溫進(jìn)行監(jiān)測。2.1.5?水質(zhì)監(jiān)測公共建筑水系統(tǒng)供水水質(zhì)直接關(guān)系到用戶的用水安全，GB?5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》對生活飲用水做出了多項、多類型指標(biāo)規(guī)定，包括微生物指標(biāo)、毒理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)、放射性指標(biāo)等，其中衡量水質(zhì)的一項重要指標(biāo)為余氯值，若其滿足要求，則水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的可能性較低，同時余氯也是少數(shù)可實現(xiàn)實時在線監(jiān)測的水質(zhì)指標(biāo)之一。對公共建筑水系統(tǒng)的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，應(yīng)保證其數(shù)據(jù)獲取的實時性，以便在水質(zhì)出現(xiàn)問題時及時作出反應(yīng)，防止大規(guī)模群體性事件發(fā)生。2.2?設(shè)備選用及監(jiān)測位置2.2.1?流量計流量監(jiān)測設(shè)備較常見的有超聲波流量計、轉(zhuǎn)子流量計、電磁流量計、壓差式流量計等。由于公共建筑水系統(tǒng)監(jiān)測體系在流量方面的監(jiān)測時間間隔以秒計算，需使用的設(shè)備可在極短時間內(nèi)對系統(tǒng)用水情況變化做出準(zhǔn)確響應(yīng)，并實時記錄流量數(shù)據(jù)。不同流量計優(yōu)缺點對比見表1。表1?不同種流量計的性能對比通過對比，監(jiān)測公共建筑水系統(tǒng)用水量可優(yōu)先選用超聲波流量計或轉(zhuǎn)子流量計，兩種設(shè)備各有優(yōu)缺點。超聲波流量計主要適用于破管安裝困難，或需嚴(yán)格控制水二次污染風(fēng)險的監(jiān)測位置，現(xiàn)有的成型產(chǎn)品具備完善的數(shù)據(jù)采集、短時存儲、特定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議發(fā)送等功能，雖方便數(shù)據(jù)采集、傳輸系統(tǒng)關(guān)聯(lián)互通，但對小管徑位置，其測量精度低于轉(zhuǎn)子流量計。雖然轉(zhuǎn)子流量計技術(shù)較成熟，可最大限度地保證流量監(jiān)測的準(zhǔn)確性，且成本較低，但是需破管安裝，對既有建筑或?qū)λ|(zhì)安全敏感的建筑實施難度較大。由于電磁流量計體積較大，且對小管徑流量監(jiān)測準(zhǔn)確度較低，需慎用于公共建筑水系統(tǒng)監(jiān)測體系。因壓差式流量計對管道流量變化的響應(yīng)速度較低，導(dǎo)致測量精度偏低，同時受工作原理所限，設(shè)備體積很難減小，不便在空間狹小的公共建筑管道井中安裝。用水量監(jiān)測點位的選取應(yīng)根據(jù)所研究內(nèi)容分析確定，具體選取方法如下。（1）針對水泵運行能耗效率，應(yīng)將監(jiān)測點設(shè)置于水泵的出水口，對該水泵所加壓的總水量進(jìn)行統(tǒng)計。對不設(shè)高位水箱（池）的供水系統(tǒng)，所記錄的水泵出水量即為水系統(tǒng)用水量。（2）針對不同建筑功能區(qū)進(jìn)行用水情況監(jiān)測，應(yīng)將監(jiān)測點設(shè)置于不同功能區(qū)的配水支管上，以便記錄研究范圍內(nèi)的用水變化情況，實現(xiàn)與其他建筑功能區(qū)分別統(tǒng)計。（3）在研究用水器具出流情況時，應(yīng)將監(jiān)測點位設(shè)置于單個用水器具前段管路，單獨記錄該器具的流量，對研究超壓出流具有實際意義。2.2.2?壓力傳感器壓力傳感器按所用材料可分為應(yīng)變式壓電傳感器、擴(kuò)散硅式壓力傳感器及藍(lán)寶石壓力傳感器。選用壓力傳感器時應(yīng)充分考慮系統(tǒng)內(nèi)各監(jiān)測點的壓力差值，選取量程覆蓋整個變化區(qū)間的產(chǎn)品。由于壓力傳感器的工作原理特性，其對電磁信號較為敏感，公共建筑人流量較大，各種無線網(wǎng)絡(luò)布滿整個空間，故要求監(jiān)測系統(tǒng)所用的壓力傳感器具有較強(qiáng)的抗干擾能力。壓力傳感器所用的壓敏元件可在較小壓力變化情況下產(chǎn)生細(xì)微的電壓變化或電流，依靠識別壓敏元件發(fā)出的電壓和電流感知壓力變化，再通過放大電路將微弱的電壓和電流轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)采集設(shè)備可識別的電子信號。其中放大電路負(fù)責(zé)將微弱信號成倍擴(kuò)大，其放大過程線性情況會直接影響后續(xù)壓力讀數(shù)。選取壓力監(jiān)測點位應(yīng)根據(jù)以下三點確定。（1）最不利點壓力。研究公共建筑水系統(tǒng)供水壓力情況，應(yīng)首先關(guān)注系統(tǒng)最不利點供水壓力是否達(dá)到或超過設(shè)計值，保證最不利點供水壓力達(dá)標(biāo)是衡量供水設(shè)備選用、系統(tǒng)設(shè)計是否合理的基本考核項。（2）各供水分區(qū)中水頭損失最小點。相比供水系統(tǒng)中的最不利點，各供水分區(qū)中均存在加壓設(shè)備至用水點水頭損失最小的管路，此項監(jiān)測可為供水分區(qū)劃分及加壓設(shè)備配置的合理性驗證提供數(shù)據(jù)支撐。（3）加壓設(shè)備的進(jìn)水口和出水口。通過監(jiān)測水泵進(jìn)水口和出水口的壓力，可得出水泵為水提供的實際壓力。2.2.3?遠(yuǎn)傳電表供水能耗監(jiān)測需選用遠(yuǎn)傳電表，該水表安裝于供水加壓設(shè)備配電箱處，對既有建筑和不方便停電停水安裝的項目可選用交感式電表。由電表實時記錄加壓設(shè)備能耗情況，將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至數(shù)據(jù)儲存模塊中。能耗監(jiān)測位置為水泵配電箱，為精準(zhǔn)監(jiān)測單臺水泵的運行能耗及效率，應(yīng)對每臺水泵單獨設(shè)置能耗監(jiān)測設(shè)備。2.2.4?溫度傳感器公共建筑熱水系統(tǒng)水溫監(jiān)測可使用接觸式或非接觸式溫度傳感器，其中接觸式溫度傳感器需破管安裝，使溫感探頭直接與熱水接觸。與壓力傳感器類似，由溫度敏感元件產(chǎn)生的細(xì)微電壓、電流，經(jīng)放大電路后生成數(shù)據(jù)采集模塊可識別的電子信號。單管系統(tǒng)及雙管系統(tǒng)循環(huán)水量，循環(huán)水泵工作狀態(tài)的調(diào)節(jié)主要依靠循環(huán)回水溫度進(jìn)行控制。監(jiān)測公共建筑熱水系統(tǒng)水溫時，應(yīng)關(guān)注用水點的出水溫度以及循環(huán)系統(tǒng)的回水溫度，并對用水舒適指標(biāo)及系統(tǒng)運行狀態(tài)同時進(jìn)行監(jiān)測。2.2.5?在線水質(zhì)監(jiān)測儀本檢測體系中選取的水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)為ORP及余氯值，針對這兩種指標(biāo)的監(jiān)測設(shè)備已較成熟，可選用設(shè)定監(jiān)測頻率、數(shù)據(jù)傳輸間隔、異常監(jiān)測值報警等功能的既有產(chǎn)品。通常公共建筑水系統(tǒng)支管繁多，用水點分布范圍廣，在各用水點設(shè)置水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備，不但無明顯實際意義，且會浪費大量人力和物力。故檢測公共建筑水質(zhì)時，建議在市政管網(wǎng)連接處（疊壓供水系統(tǒng)）、水池、水箱出水口（水箱、加壓設(shè)備聯(lián)合供水系統(tǒng)）及供水管網(wǎng)最遠(yuǎn)端設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測裝置。2.3?系統(tǒng)架構(gòu)公共建筑水監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、管理層、應(yīng)用層組成，其中采集層主要利用傳感器自動采集水的溫度、壓力、流量以及每臺設(shè)備的功率、電量等數(shù)據(jù)，通過有線或無線方式將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)解析。管理層將終端層中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、歸類、分析、處理及結(jié)構(gòu)化存儲；應(yīng)用層主要通過管理層獲取來自設(shè)備層的數(shù)據(jù)，統(tǒng)一管理流量計、壓力傳感器、電表等設(shè)備，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行具象化的展示、發(fā)布、故障診斷、能效診斷、節(jié)能管理以及其他擴(kuò)展操作。監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。圖1?水監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意因公共建筑水系統(tǒng)監(jiān)測具有監(jiān)測項目多、監(jiān)測點位分散等特點，故數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇尤為重要。有線傳輸穩(wěn)定可靠且無需設(shè)置電源，但由于監(jiān)測點位眾多，每臺監(jiān)測設(shè)備均需單獨連線，將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集儀，因連接線布置數(shù)量及長度十分巨大而難以實現(xiàn)。無線傳輸目前主流選擇有LoRa、NB-LoT、Zigbee無線通訊技術(shù)，其中NB-LoT技術(shù)具有廣覆蓋、低功耗的性能基礎(chǔ)，且使用國際通訊協(xié)會授權(quán)頻段，能充分保證在復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境下數(shù)據(jù)信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，但因主要由運營商主導(dǎo)運營且該頻段使用需繳納相應(yīng)費用，成本較高。LoRa傳輸協(xié)議使用頻段非國際通訊協(xié)會授權(quán)頻段，同樣可實現(xiàn)運行低功耗、遠(yuǎn)距離信號穩(wěn)定傳輸，但傳輸速率會隨距離增長而降低。對于公共建筑，即使是超大型綜合體，LoRa及NB-LoT技術(shù)完全能滿足其負(fù)載要求，而不至于對其性能造成影響，與使用國際通訊協(xié)會授權(quán)頻段相比，非授權(quán)頻段可獨立于運營商公網(wǎng)的專用網(wǎng)絡(luò)，也可提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)且不至受限于頻段的限制。Zigbee技術(shù)傳輸距離為10?m到百米級別，通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離還可更遠(yuǎn)，是低成本、低功耗、低時延的短距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)，但相比于LoRa及NB-LoT技術(shù)，其單網(wǎng)接入節(jié)點容量較低，為200~500個。由于小型公共建筑監(jiān)測點位及數(shù)據(jù)量較少、傳輸距離較短，故更適用類似于Zigbee靈活的短距離通信技術(shù)。3?結(jié)論公共建筑用水監(jiān)測體系構(gòu)建源于對建筑用水系統(tǒng)精細(xì)化管理的需