建筑技术丨公共建筑水系统监测体系的构建

近年来，随着越来越多的公共建筑供水排水事故的发生，供水安全已引起社会及国家有关部门的重视，但我国对不同种类的公共建筑以及综合体建筑的用水规律的研究还不充分，能反映公共建筑真实用水状况的数据较少，因此建立能及时反馈水系统状态的监测体系，成为保障供水安全及高效合理利用的重要因素。《国家节水行动方案》指出，需要推动节水技术与工艺创新，瞄准世界先进技术，加大节水产品和技术研发，加强大数据、人工智能、区块链等新一代信息技术与节水技术、管理及产品的深度融合。

目前我国水系统监测主要侧重于小区及市政管网给水系统的研究，而对建筑内部的相关研究较少，因此构建一套公共建筑水系统监测体系，对数据的收集分析、规范标准的编制、水资源节约均有重要意义。

1 构建水系统监测体系的意义

1.1 节水研究现状

2019年，全国总用水量为6 021.2亿m³，其中生活用水871.7亿m³，工业用水1 217.6亿m³，农业用水3 682.3亿m³。与上年比较，农业、工业用水量分别减少10.9亿m³、44.1亿m³，生活用水量增加11.9亿m³。由此可见，经过国家大力发展节水灌溉技术，加强工业节水工作，情况有较大改善。随着全国人口持续上升，生活用水节水潜力巨大。目前国内外节水技术研究日趋成熟，已形成较完整的体系，因此顺应“数字化、自动化、智能化”的发展趋势，依托“物联网、云计算、智能感知”，通过对用水进行监测、建模、控制，实现对建筑水系统的智慧化管理已是大势所趋。

1.2 为供水安全提供保障

随着经济的发展，我国城镇规模不断扩大，对供水管网的要求也更加严格。目前我国供水管网主要存在水压不足、二次污染、渗漏等问题；另外，世界卫生组织（WHO）建议为预防军团菌繁殖，应避免水温处于25~45℃，这也对水温提出了要求。为保障公共建筑的供水安全，对水温、压力、水质进行全方位监测，加强安全运行管理，须尽快构建出一套科学、合理、全面的公共建筑水系统监测体系。

1.3 为高效合理供水提供保障

在现有对设计有指导意义的规范中，规定的用水参数普遍偏保守，脱离实际情况。参照规范计算用水量会导致供水水箱容量偏大、泵组配置过大、末端用水压力偏大等情况，不但会增大供水系统的建设成本及运营时的能源浪费，还会增加整个系统的后期维护费用。

2 建筑水系统监测体系的构建

2.1 监测指标遴选

GB/T 50314—2015《智能建筑设计标准》规定，“建筑设备监控系统监控范围宜包括冷热源、供暖通风和空气调节、给水排水、供配电、照明、电梯等，并包括以自成控制体系方式纳入管理的专项设备监控系统等；采集的信息包括温度、湿度、流量、压力、压差、液位、照度、气体浓度、电量、冷热量等建筑设备运行基础状态信息”。水系统监测体系的监控范围应包括但不局限于上述指标，供水系统的能耗及对用水舒适度及安全性有较大影响的水温和水质也应纳入其中。

2.1.1 流量监测

对建筑用水量的监测适用于包括生活给水系统、生活热水系统、中水系统、建筑生产用水、建筑景观绿化等所有用水方面及类型，是衡量公共建筑用水最核心的指标，其数据直接反映了公共建筑各功能类型的水资源消耗情况；根据时间的长短,其监测数据可分为秒用水量、时用水量、日用水量、月用水量或季度用水总量、年用水总量，对掌握建筑实时用水情况、用水定额修正、后续同类型建筑设计优化，分析不同季节用水及整体用水趋势变化情况有极为重要的作用。

2.1.2 压力监测

对建筑供水压力的监测应与用水量监测同步进行，作为供水系统舒适度的直接体现，供水压力以器具出流量的形式表现，在一定程度上反映了供水系统设计的合理性。对供水压力进行监测的意义在于通过监测典型用水点的供水压力情况，判断是否频繁出现超压出流情况，从而判断在用供水加压设备与系统运行状态的匹配度。

2.1.3 能耗监测

能耗是指供水系统将各用水点所需的水从取水端经管路系统输送至用水点所消耗的能源。对供水能耗的监测并不能直接反映公共建筑水系统用水或节水情况，但结合用水量及供水压力数据，将系统总能耗与有用功进行对比分析，可绘制出完整的公共建筑水系统状态图。

2.1.4 水温监测

在GB 50015—2019《建筑给水排水设计标准》中，对生活热水系统供水温度有明确要求，使用过程中应保证供水温度合规，且从舒适度考虑，防止配水点水温过低或过高，应对生活热水系统水温进行监测。

2.1.5 水质监测

公共建筑水系统供水水质直接关系到用户的用水安全，GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》对生活饮用水做出了多项、多类型指标规定，包括微生物指标、毒理指标、化学指标、放射性指标等，其中衡量水质的一项重要指标为余氯值，若其满足要求，则水质不达标的可能性较低，同时余氯也是少数可实现实时在线监测的水质指标之一。

对公共建筑水系统的水质进行监测，应保证其数据获取的实时性，以便在水质出现问题时及时作出反应，防止大规模群体性事件发生。

2.2 设备选用及监测位置

2.2.1 流量计

流量监测设备较常见的有超声波流量计、转子流量计、电磁流量计、压差式流量计等。由于公共建筑水系统监测体系在流量方面的监测时间间隔以秒计算，需使用的设备可在极短时间内对系统用水情况变化做出准确响应，并实时记录流量数据。不同流量计优缺点对比见表1。

表1 不同种流量计的性能对比

通过对比，监测公共建筑水系统用水量可优先选用超声波流量计或转子流量计，两种设备各有优缺点。超声波流量计主要适用于破管安装困难，或需严格控制水二次污染风险的监测位置，现有的成型产品具备完善的数据采集、短时存储、特定网络协议发送等功能，虽方便数据采集、传输系统关联互通，但对小管径位置，其测量精度低于转子流量计。虽然转子流量计技术较成熟，可最大限度地保证流量监测的准确性，且成本较低，但是需破管安装，对既有建筑或对水质安全敏感的建筑实施难度较大。由于电磁流量计体积较大，且对小管径流量监测准确度较低，需慎用于公共建筑水系统监测体系。因压差式流量计对管道流量变化的响应速度较低，导致测量精度偏低，同时受工作原理所限，设备体积很难减小，不便在空间狭小的公共建筑管道井中安装。

用水量监测点位的选取应根据所研究内容分析确定，具体选取方法如下。

（1）针对水泵运行能耗效率，应将监测点设置于水泵的出水口，对该水泵所加压的总水量进行统计。对不设高位水箱（池）的供水系统，所记录的水泵出水量即为水系统用水量。

（2）针对不同建筑功能区进行用水情况监测，应将监测点设置于不同功能区的配水支管上，以便记录研究范围内的用水变化情况，实现与其他建筑功能区分别统计。

（3）在研究用水器具出流情况时，应将监测点位设置于单个用水器具前段管路，单独记录该器具的流量，对研究超压出流具有实际意义。

2.2.2 压力传感器

压力传感器按所用材料可分为应变式压电传感器、扩散硅式压力传感器及蓝宝石压力传感器。选用压力传感器时应充分考虑系统内各监测点的压力差值，选取量程覆盖整个变化区间的产品。由于压力传感器的工作原理特性，其对电磁信号较为敏感，公共建筑人流量较大，各种无线网络布满整个空间，故要求监测系统所用的压力传感器具有较强的抗干扰能力。

压力传感器所用的压敏元件可在较小压力变化情况下产生细微的电压变化或电流，依靠识别压敏元件发出的电压和电流感知压力变化，再通过放大电路将微弱的电压和电流转化为数据采集设备可识别的电子信号。其中放大电路负责将微弱信号成倍扩大，其放大过程线性情况会直接影响后续压力读数。

选取压力监测点位应根据以下三点确定。

（1）最不利点压力。研究公共建筑水系统供水压力情况，应首先关注系统最不利点供水压力是否达到或超过设计值，保证最不利点供水压力达标是衡量供水设备选用、系统设计是否合理的基本考核项。

（2）各供水分区中水头损失最小点。相比供水系统中的最不利点，各供水分区中均存在加压设备至用水点水头损失最小的管路，此项监测可为供水分区划分及加压设备配置的合理性验证提供数据支撑。

（3）加压设备的进水口和出水口。通过监测水泵进水口和出水口的压力，可得出水泵为水提供的实际压力。

2.2.3 远传电表

供水能耗监测需选用远传电表，该水表安装于供水加压设备配电箱处，对既有建筑和不方便停电停水安装的项目可选用交感式电表。由电表实时记录加压设备能耗情况，将数据远传至数据储存模块中。

能耗监测位置为水泵配电箱，为精准监测单台水泵的运行能耗及效率，应对每台水泵单独设置能耗监测设备。

2.2.4 温度传感器

公共建筑热水系统水温监测可使用接触式或非接触式温度传感器，其中接触式温度传感器需破管安装，使温感探头直接与热水接触。与压力传感器类似，由温度敏感元件产生的细微电压、电流，经放大电路后生成数据采集模块可识别的电子信号。

单管系统及双管系统循环水量，循环水泵工作状态的调节主要依靠循环回水温度进行控制。监测公共建筑热水系统水温时，应关注用水点的出水温度以及循环系统的回水温度，并对用水舒适指标及系统运行状态同时进行监测。

2.2.5 在线水质监测仪

本检测体系中选取的水质监测指标为ORP及余氯值，针对这两种指标的监测设备已较成熟，可选用设定监测频率、数据传输间隔、异常监测值报警等功能的既有产品。

通常公共建筑水系统支管繁多，用水点分布范围广，在各用水点设置水质在线监测设备，不但无明显实际意义，且会浪费大量人力和物力。故检测公共建筑水质时，建议在市政管网连接处（叠压供水系统）、水池、水箱出水口（水箱、加压设备联合供水系统）及供水管网最远端设置水质监测装置。

2.3 系统架构

公共建筑水监测系统由数据采集层、管理层、应用层组成，其中采集层主要利用传感器自动采集水的温度、压力、流量以及每台设备的功率、电量等数据，通过有线或无线方式将采集到的数据传输给上位机，并对其进行数据解析。管理层将终端层中采集的数据进行汇总、归类、分析、处理及结构化存储；应用层主要通过管理层获取来自设备层的数据，统一管理流量计、压力传感器、电表等设备，并对数据进行具象化的展示、发布、故障诊断、能效诊断、节能管理以及其他扩展操作。监测系统架构如图1所示。

图1 水监测系统架构示意

因公共建筑水系统监测具有监测项目多、监测点位分散等特点，故数据传输方式的选择尤为重要。

有线传输稳定可靠且无需设置电源，但由于监测点位众多，每台监测设备均需单独连线，将数据传输至数据采集仪，因连接线布置数量及长度十分巨大而难以实现。

无线传输目前主流选择有LoRa、NB-LoT、Zigbee无线通讯技术，其中NB-LoT技术具有广覆盖、低功耗的性能基础，且使用国际通讯协会授权频段，能充分保证在复杂应用环境下数据信号传输的稳定性和可靠性，但因主要由运营商主导运营且该频段使用需缴纳相应费用，成本较高。LoRa传输协议使用频段非国际通讯协会授权频段，同样可实现运行低功耗、远距离信号稳定传输，但传输速率会随距离增长而降低。对于公共建筑，即使是超大型综合体，LoRa及NB-LoT技术完全能满足其负载要求，而不至于对其性能造成影响，与使用国际通讯协会授权频段相比，非授权频段可独立于运营商公网的专用网络，也可提供稳定的网络服务且不至受限于频段的限制。

Zigbee技术传输距离为10 m到百米级别，通过路由和节点间通信的接力，传输距离还可更远，是低成本、低功耗、低时延的短距离无线通信标准，但相比于LoRa及NB-LoT技术，其单网接入节点容量较低，为200~500个。由于小型公共建筑监测点位及数据量较少、传输距离较短，故更适用类似于Zigbee灵活的短距离通信技术。

3 结论

公共建筑用水监测体系构建源于对建筑用水系统精细化管理的需求，在节水、节能等方面通过监测实际项目用水变化情况，对既有建筑水系统提出针对性的节水、节能优化及改进建议，并提高用水舒适度及卫生安全保障水平。公共建筑用水点众多，用水情况变化快、复杂程度高，只有获取快速、可靠的数据才能实现对用水状态的实时掌握，因此对监测设备选用及系统的搭建提出了较高的要求。考虑到相对恶劣的安装环境及数量众多监测点位的实施成本，本文试图通过对比不同设备、方法的优劣，找出适合不同规模、不同监测环境的公共建筑监测平台的构建方法，以保证兼顾可靠性、便捷性、高效性以及对成本的可控性。