基于建筑水龄的高品质生活给水系统设计

1.1 水质标准与高品质供水

我国生活饮用水水质应符合现行国家标准《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）的要求，最新的2022年版将于2023年4月1日实施。该标准明确，生活饮用水（drinking water）是指供人生活的饮水和用水，末梢水是出厂水经输配水管网输送至用户水龙头的水。生活饮用水的水质要求符合43项常规指标和54项扩展指标的限值，消毒剂的限制对出厂水和末梢水以及不同消毒剂有相应的消毒剂余量要求。国家城镇建设行业标准《城市供水水质标准》（CJ/T 206-2005）适用于城市公共集中式供水、自建设施供水和二次供水。在城市供水水质常规检验指标中，包括微生物学指标5项，感官性状和一般化学指标17项，毒理学指标18项，放射性指标2项。这些指标也是二次供水的用户供水水质达标的标准，其用户受水点对应末梢水的用水点（水嘴）。各地方有制订当地的生活饮用水水质标准来保证生活饮用水的水质卫生。

对照国际上的世界卫生组织《饮用水水质准则》、美国《国家饮用水标准》、欧盟《饮水水质指令》以及日本《饮用水水质标准》，我国《生活饮用水卫生标准》的内容涵盖了饮用水供水的全过程，对水源、制水、输水、储水和末梢水均提出了控制性要求。

高品质供水就是提供符合国家标准《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）和用户需求的高质量标准的生活饮用水。高品质饮用水需要高品质生活给水系统的支撑，需要从设计角度去解决二次供水水质保障的问题，让用户在用水点能够获取更安全、更优质、更健康的自来水。安全可靠的生活饮用水也是健康建筑的基本要求。同时，供水的品质除了满足用户需要高品质标准的设计品质、制造品质外，还包括用户体验的服务质量。高品质供水首先需要从源头控制来实现目标品质即设计品质。

高品质供水的基本要素有高质量的水质、足够的水量、适宜的水压和舒适的水温。这些都需要合理的系统设计和可靠的水安全措施来保障。在建筑给水设计中，要提供优质的饮用水，除了采用优质的二次供水设备和管材外，仅仅采用消毒来解决问题是不够的，还需要优化系统设计，减少生活饮用水在系统中的停留时间。这对维持水质的稳定也显得尤为重要。

1.2 二次供水存在的水质问题

在城镇供水中，从水源到水厂生产输送到市政管网，引入用户单位，进入建筑红线基地后由用户单位进行二次供水。二次供水和入户设施是供水系统的重要部分，其供水方式包括直供水及加压供水，它是用户龙头水水质达标的重要环节。优质的市政供水水质，需要二次供水来维持末端水质的安全、稳定，以保障“最后一公里”的水质稳定。现状的城市供水水质虽然满足国家的生活饮用水标准或达到国际先进标准，但往往末梢水不能满足生活饮用水的直饮需求。

二次供水是造成生活饮用水水质下降的一个重要的原因。市政供水进入用户单位后，建筑给水系统存在敞开与空气接触的情况，二次供水系统水的停留时间过长，引起余氯衰减殆尽导致溶解氧减低，储水设施和管材不合理使用造成腐蚀结垢和沉积物对水质的污染，二次供水在日常维护管理方面也有所欠缺。其中，水浑和异味是二次供水中出现最多的问题。

此外，在供水管理上存在分工不同的情况。根据《城市供水水质管理规定》（2007年3月1日中华人民共和国建设部令第156号公布）的第七条规定，城市供水单位对其供应的水的质量负责，其中，经二次供水到达用户的，二次供水的水质由二次供水管理单位负责。《城市供水水质标准》（CJ/T 206-2005）中对水质的要求中包括二次供水的要求，城市供水单位对于居住建筑可以负责管理到住户的水表处，而公共建筑和工业建筑涉及到产权问题，经二次供水后的水质保障就存在管理能力不同的问题，城市供水单位到用户内去采集水样也不便。

因此，保障二次供水的水质安全、提供高品质生活给水，需要对供水的全链条和全流程协同管理，提供供水的全生命周期安全保障，解决二次供水中的薄弱环节。

2.1 建筑水龄的概念

水龄的指标较早出现在水利、水文地质、海洋科学等专业方面，近年来在城镇供水中常常出现“水龄”的概念，它用于测算供水在管网中的停留时间，其节点水龄指自来水从水厂出水达到给水管网中到某一节点的时间。美国水工业协会（AWWA）定义的水龄是指水源水经水厂处理达标后，自来水从水厂出水达到用户取水端所经历的时间。水龄的指标与污染和活性有着一定的关系，高水龄可造成饮用水的化学指标、感官指标和微生物安全指标的恶化。在建筑给水设计中，提出建筑水龄的概念，可以对水质安全性评价，控制系统内水体的停留时间，有利于保障二次供水的水质卫生。

建筑水龄指市政管网供水从进入用地红线内或内部生产的供水至用水点的供水停留时间。建筑水龄可以作为描述二次供水管网水质的一个参考参数，它表示供水到用户龙头之间流动和存储的时间。建筑水龄越短，说明供水水质的新鲜度越高，其品质越高，供水受到的污染相对较少，水质的活性保持较好；建筑水龄越长，余氯浓度衰减会失去对微生物的抑制作用，从而导致水质的下降。

2.2 建筑水龄的影响因素

建筑水龄是涉及到高品质生活饮用水的重要因素。高品质饮用水的给水系统设计不仅仅是要控制建筑水龄，还有控制管网和给水设施内水的水容积，它与供水管的管径、长度有关。此外，建筑水龄具有周期性、瞬变性、递增性等特点，它与日用水量的变化也有密切的关系。

让生活用水在管道内停留时间缩短，则需要提高水的流动性形成“健康水”以防止水退化，需要降低建筑水龄从而安全供水。在用水量一定的情况下，当管道的水流速度增大时，管网中对应节点的水龄变小、余氯浓度增大。当非用水高峰时段, 各用户的用水量减小后, 给水管道中的水流速度减小, 管道中水的停留时间变长。城市管网的水龄主要考虑对应流量在管网中的停留时间，而建筑水龄除了要考虑生活给水系统管道内的流量，还要结合二次供水的方式考虑储水设施的停留时间。此外，给水管网的维护也会影响水龄，定期冲水、管道内长期滞水的放空更换等措施可缩短管网水龄。

在《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2022）中，常规指标反映生活饮用水水质基本状况，扩展指标反映地区生活饮用水水质特征及在一定时间内或特殊情况下水质状况，从扩展指标可见时间对生活饮用水的卫生状况具有一定的影响。新修订的内容中将出厂水中游离氯余量的上限值从4mg/L调整为2mg/L，控制停留时间，可以减少氯气消毒副产物的浓度。因此，二次供水的生活给水系统设计需要控制给水系统和管道的容积，缩短建筑水龄，优化生活给水系统的设计，提供高品质生活用水。

2.3 建筑水龄的计算

从系统的角度出发，研究高品质生活给水系统需要分析二次供水的全过程安全可靠性，可以用建筑水龄来表示。建筑水龄虽然不能被直接观测，但也可采用追踪示踪剂的方式来描述水体输运的滞留时间，还可以通过计算来确定。如在储水设施的进口瞬时投加一定计量的示踪剂，并在其出口检测出流中示踪剂浓度随时间的变化，得出水龄的分布函数曲线。精确的计算可以通过建立管网水力模型采用软件进行水龄的模拟计算，工程估算可采用脉冲法计算平均水龄，即水质点中所有粒子的平均年龄。

建筑水龄的计算需要从整体的、系统的角度给予考虑。建筑水龄（T）可分建筑红线内的室外水龄（T1）、室内水龄（T2）和户内或卫生间内水龄（T3）分别进行计算。由于水体在建筑生活给水系统中分布的特指不同，建筑水龄有最长建筑水龄、最短建筑水龄和平均建筑水龄。不同管网、二次供水设备、节点、管段等的水龄计算是不同的，不同的节点或用水点的建筑水龄也是不同的。

在建筑生活给水系统中，建筑水龄可按理想的推流式计算。设dQ/dt=0，取全部容积出流的平均时确定，可按式（1）估算。

式中  T——建筑水龄，h；

V——系统中水体的总容积，m3；

Q——系统的设计流量，m3/h。

对于储水设施而言，需要尽量减少水不流动的滞水区，以缩小平均建筑水龄之间的偏差。其建筑水龄需要考虑进出水之间的关系，如式（2）所示。

式中 Tc——从时间节点t1至t2之间，储水设施中的建筑水龄，h；

Vc——储水设施的有效容积，m3；

Q1——储水设施进水管的进水流量,m3/h；

Q2——储水设施出水管的出水流量,m3/h；

对于管网任意一个的节点水龄可以采用水流从不同管道路径到达该节点的流量进行加权平均，如式（3）所示。

式中 Tpi——节点i的建筑水龄，h；

T0(n)i——沿节点i的第n条供水路径，水从水源流到节点i所经历的时间，h；

q0(n)i——第n条供水管路的流量，m3/h；

N——供水管路的数量；

LUi——节点i所有上游水源供水路径的管路集合。

管道内的建筑水龄也可采用流速的关系来表达，如式（4）所示。

式中 TP——管道内的建筑水龄，h；

V——管道中的水容积，m3；

Q——管道的设计流量，m3/h；

S——对应管径的面积，m2；

L——管道的长度，m；

v——管道中水的流速，m/h。

从式（4）可见，当管道长度一定时，管道内的流速越快，管道内的建筑水龄也就越短。

建筑水龄对生活给水系统的设计优化在于缩小水的停留时间，其措施有减小系统管网的水容积、缩小管径、提高管道内的流速等。设计优化需要从建筑给水的水足迹全过程来考量，从宏观层看，需要考虑室外管网的问题；从中观层看，需要优化供水系统，从微观层看，需要探讨用水点管道的配水布置方式。

3.1 室外给水管网

建筑室外给水管网相对简单，主要用于直接向用水点供水和市政管网的供水进入储水设施。建筑室外管网的管道相对较短，就近供水、就近进入地下生活水池是优化建筑水龄的措施之一。

值得注意的是，在国家标准《建筑给水排水与节水通用规范》（GB 55020-2021）中3.1.1条和3.2.3条规定，给水系统应具有保障不间断向建筑或小区供水的能力，室外给水管网干管应成环状布置。当成环布置干管的管径采用枝状管网单向供水的设计流量确定时，管网内水的停留时间就相应增加。这就需要在供水水量保障与水质安全之间有适度的权衡，水龄的控制直接影响到日常供水的水质安全，且其管径按建筑物最高日最大时用水量或建筑物内的生活用水设计秒流量确定，其供水水量的保障已经较高。故建议室外给水环管的管径参考市政供水的情况按环管供水的水力计算确定环状管径。

3.2 室内给水管网

高品质生活给水系统对室内给水管网的控制要素就是建筑水龄和水的流动。水的流动在于减少滞水的区域，其措施有定期更新管道内的储水（放空排水）、导流水的流线、循环水体、消毒、缩短支管长度等。

3.2.1 生活给水的健康活水供水系统

由于建筑功能不同、用水规律不同造成自来水在管道内停留时间的不同，如办公建筑在双休日和节假日的用水量明显减少、住宅建筑在夜间的用水量变小，这样自来水在管道内的停留时间增加。有必要解决建筑给水管道内用水量停留时间过长造成水质下降的问题。此外，生活给水系统设计常常采用生活水箱、生活水泵间接供水，或采用生活水箱、生活水泵经高位生活水箱重力供水，其供水管网的管径较大，设计按最高日最大时或设计秒流量确定，这样管道内平时水的停留时间较长，容易产生细菌的繁殖而降低水质。

为解决上述技术问题，提供了一种生活给水的健康活水供水系统，以优化原有的传统设计。即在最不利用水点前设置主管循环管和循环泵，与供水干管形成循环，并增加消毒装置，见图1。

图1 生活给水的健康活水供水系统

3.2.2 双循环供水系统

传统设计的低位生活水池与变频供水形式和生活水池与高位生活水箱供水形式，具有系统简单的供水特点，但是，对于生活水池、生活水箱内的用水没有能及时使况下容易造成供水中余氯量的衰减、水质产生二次污染。同样，管网内的用水在住宅夜间用水量少，公共建筑存在非运行期受到季节性影响的建筑中管网内停留时间较长，容易形成水质的下降，菌落数量的增加。为此，提出一种生活给水的双循环供水系统，见图2。

图2 生活给水的双循环供水系统

其设计优化的措施在于利用现有系统中的生活水泵对生活水池（箱）、给水管网进行循环，形成带消毒的双循环，避免了生活水池（箱）另外增加消毒装置。同时，在最不利末端设置放空管，针对长期未用水的情况下放空管道内的存水，更换新鲜的自来水、缩短供水的建筑水龄。

3.3 户内配水管道布置

户内不同配水管道布置方式对建筑水龄的影响是不同的。现提出5种户内配水管道布置，见图3，分析其设计优化的措施和布置方式的特点（见表1）。枝状就近配水布置方式为工程设计中采用最多的一种方式；枝状分水器配水布置方式在住宅中有运用，分水器后一般采用塑料管，采用缩径配管对热水的及时到达具有一定的作用；枝状分支配水布置方式在装修施工中采用较多，其安装方便，但管材用量增加；环状射流串接配水布置方式和环状就近配水布置方式是近年来提出的一种户内管道配水方式，从干管接出的支管可以采用小循环。

图3 户内配水管道的几种布置方式

表1 5种户内配水管道布置的特点

现采用一典型的一套2卫生间的住宅进行设计，按5种户内配水管道布置的结果列出材料统计（见表2）。总管材重量可用于比较不同方案的相对经济性。最不利处的水流流动时间这里指水表处的水流动到最不利用水点处的时间，即Tx=∑Li/Vi。最不利处的户内平均的建筑水龄为Tn=V/qa。

从表2可以看出，水流流动时间最长的是方案4（环状射流串接配水布置方式），最短的是方案2（枝状分水器配水布置方式）。户内平均的建筑水龄最长的也是方案4，最短的是方案2。从经济性上看，方案2最优，方案4最差。综合比较，各方案最优的次序是：方案2、方案1、方案3、方案5、方案4。环状供水方式看上去解决了支管长度的流动问题，但其干管的长度增加，造成总的水容积大、建筑水龄时间长，且经济性差。从建筑水龄的角度出发，环状供水射流串联配水布置方式的效果较差，采用支状配水布置方式较优。

此外，对于支管较长的情况下，有提出采用缩径射流管的配水形式，见图4。该形式采用文丘里原理通过缩径的形式来形成支管内水的流动，吸入部分不与扩散管连通。按水力学中的伯努利公式可知，管道中每个处只能有一个压力值，水流均是向水头损失小的方向流动。在用水点不使用的情况下，让一部分的水流从a-c-b的方向流动，减少了支管的滞水区，形成活水系统。但该形式支管的长度是原先的两倍，其对应的建筑水龄也会增加，还增加了管道配件、增加了缩径形成的水头损失（耗能），且局部配件内部的不均匀容易积垢、缩径带来流速急剧增加产生噪声和振动、成本也增加。

表2 基于建筑水龄的5种户内配水管道布置方式设计的材料统计

  注:管材按普通水煤气管进行估算比较。

图4 缩径射流管的配水原理

3.4 储水设施

储水设施对建筑水龄有较大的影响。设计按最不利的供水工况来确定低位生活水池、高位生活水箱等的有效容积。《建筑给水排水设计标准》（GB 50015-2019）规定，生活用水低位贮水池的有效容积当资料不足时，宜按建筑物最高日用水量的20％～25％确定。生活用水高位水箱由城镇给水管网夜间直接进水的高位水箱的生活用水调节容积，宜按用水人数和最高日用水定额确定；由水泵联动提升进水的水箱的生活用水调节容积，不宜小于最大时用水量的50％。有些地方的水务部门要求，建筑的储水设施有效容积不应小于建筑最高日用水量的40％。这也是造成建筑水龄增加的因素。实际在使用中，用水量是不均匀的，受到季节、气候、温度变化的影响，还有建筑功能使用的特点。如酒店在淡季时的入住率可能低于50%、展览建筑、体育建筑有一定的使用间隙期、住宅随着使用人口的变化用水量呈现趋减的现象等。这就造成储存设施的建筑水龄过长。

针对这一问题，应尽量采用不设置二次供水水池和水箱的供水方式，以减少二次污染的条件和机会。可以采用“一箱多体，一池多体”的方式，在水池、水箱内可成若干个分格，按不同季节用水量的变化调整投入使用的格数，从而减少贮水停留时间。还可以采用优化调整运行方式，由生活水泵控制生活水箱的水位，减低水箱、水池内的水龄。对于单个的水池、水箱的有效容积调节，可以采用在进水管浮球阀前设电动阀来控制其进水，还可以采用可调水位高度的液位控制阀来调节水位的高度，见图5。

图5 可调水位高度液位控制阀的安装

此外，生活水池（箱）中的水流形态不可能是理想状态的推流式，水体中的每一个质点的停留时间都不相同。这样在储水设施中存在进水区、主流区、滞水区和出水区。其中滞水区的水体缺少水流的交换，其流动性差、停留时间较长。因此，建议在储水设施中设置水流的导流隔板，合理布置进水和出水的位置，确保池底的水能够循环或定期放空建筑水龄较长的滞水。

值得注意的是，基于建筑水龄的高品质生活给水系统以建筑水龄为控制主线，侧重解决水质卫生的安全问题。其特点减少生活用水在建筑给水系统的停留时间，也要求减少储水设施内的容积。而从市政供水的角度来讲，往往要求建筑内存储一定的用水以平衡市政供水的均衡。这虽然有利于建筑供水量可靠性的提高，但建筑给水的水龄也相对增加。

4.1 生活和消防合用储水设施

由于特定的因素出现了生活饮用水与消防用水贮水池合用的情况，它便于用水量的管理和消防用水的保障，且经济性好，但合用水池势必导致贮水池储水量增大，致使建筑水龄增加。设计标准也规定，建筑物内的生活饮用水水池（箱）、水塔应采用独立结构形式，与消防用水水池（箱）并列设置时应有各自独立的池（箱）壁。

设计优化需要以高品质的二次供水为目标，在合用水池分开的同时对供水方式进行更新改造。设计可以对不同高度的住宅生活给水系统采取不同的供水方式，12层以上住宅的生活给水系统建议采用生活水池、水泵、水箱的供水方式。在水池分开的提升优化措施上，将建筑的生活饮用水池（箱）与消防用水的水池（箱）分开设置，控制生活饮用水水池（箱）内贮水更新时间不超过48h。

4.2 系统储水设施设置

生活储水设施的设置位置虽然不与建筑水龄相关，但影响到水质的卫生安全。供建筑物使用的水池（箱），无论是安装在屋顶还是室外场地的，均应设置在专用房间内，不宜在室外采用装配式的水箱泵房。储水设施需要采取隔热措施，防止受到阳光照射而水温升高带来水的余氯加速挥发，细菌繁殖加快。生活水泵房间需要无污染、不结冻、通风良好、便于维修，并应具备可靠的排水和防淹设施。

生活饮用水池（箱）、水塔人孔应密闭并设锁具，通气管、溢流管应有防止生物进入水池（箱）的措施。生活饮用水水池（箱）、水塔应设置消毒设施。排水管道不得布置在生活饮用水池（箱）的上方。储水设施应选用优质的材质和涂层，并优先采用不锈钢。

4.3 二次供水智慧化管理

生活饮用水水箱间、给水泵房应设置入侵报警系统等技防、物防安全防范和监控措施。二次供水需要强化日常的管理，并构建智慧化管理系统。如香港水务的建筑物食水安全计划，在确定健康目标后，制订系统评估、监测、管理和交流的计划，对风险进行识别，重视建筑生活给水系统的日常维护。

智慧化管理包括监测、预警、数据采集、设备管理、运行监测、故障报修、辅助决策、维护保养管理等功能，同时考虑与建筑、水务的管理平台对接，能够智能化识别、定位、跟踪、监控、计算、管理、模拟、预测和管理，特别需要对建筑水龄、水位、余氯等参数的监测。还需提升生活给水系统安全的应急响应能力。

随着社会的进步和人们生活水平的提高，在生活饮用水水压和水量得到满足的前提下，人们对水质的要求越来越高，需要有高品质生活供水。二次供水是生活给水系统中的重要环节，建筑水龄可以表述影响生活饮用水水质的主要因素。从建筑水龄的角度出发，提出了室内给水管网设计优化的两种供水方式。从户内配水管道布置方式的分析可见，支状配水布置方式对建筑水龄的控制有一定的优势，环状供水射流串联配水布置方式和缩径射流管的配水形式有一定的适用性，但对建筑水龄的控制不利。对储水设施的建筑水龄控制，创新地提出采用可调水位高度的液位控制阀来调节储水设施的有效容积。通过高品质生活饮用水系统的健康目标和智慧化管理，可进一步加强从源头到龙头的供水全流程管控。

建筑水龄控制的高品质生活给水系统，有利于保障建筑的水质安全和居民龙头水稳定，提供高品质的饮用水以更好地满足人民群众对美好生活的需求，进一步提高人们的获得感、幸福感、安全感，满足人民对美好生活的追求。