Статья Влияние различных показателей эффективности использования воды кранами и смесителями на потребление энергии и воды в зданиях
advertisement
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тольяттинский государственный университет» Институт машиностроения Кафедра «Нанотехнологии, материаловедение и механика» Направление подготовки магистра 22.04.01 «Материаловедение и технологии материалов» Магистерская программа «Гибридные и комбинированные технологии обработки и модификации перспективных материалов» ПЕРЕВОД С ИНОСТРАННОГО ЯЗЫКА (английский язык) Студент: инициалы, фамилия Преподаватель: личная подпись М.А. Четаева ученая степень, звание, инициалы, фамилия Отметка: ____________________ «_____»_____________________ 2022 г. Тольятти 2022 личная подпись Содержание 1. Оригинал и перевод научной статьи А 3 2. Оригинал и перевод научной статьи В 9 3. Оригинал и перевод научной статьи C 14 4. Библиографический список 19 2 Оригинал и перевод научной статьи А Влияние различных показателей эффективности использования воды кранами и смесителями на потребление энергии и воды в зданиях Аннотация В данной статье анализируются две различные модели (методы), используемые для определения потребления воды в жилых зданиях. С этой целью некоторые базовые санитарные средства были реализованы в моделях в качестве типичного бытового оборудования. Поскольку существует большое разнообразие санитарных решений, для достижения значительного сокращения потребления воды предлагается новая классификация смесителей (краны и смесители). Эта классификация также позволяет оценивать показатели энергоэффективности сантехнических приборов. На основе этой классификации была определена экономия воды в результате использования кранов с различными коэффициентами эффективности использования воды. В зависимости от типа крана можно добиться экономии воды более чем на 50%, а также значительного снижения энергопотребления для нагрева и перекачки воды потребителям. В статье также обсуждаются уравнения, используемые для определения потребности в энергии для приготовления горячей воды для бытовых нужд и ее подачи потребителям. The influence of different water efficiency ratings of taps and mixers on energy and water consumption in buildings Abstract This paper analyses two different models (methods) used for determination of water consumption in residential buildings. For this purpose, some basic sanitation facilities were implemented in the models as typical household equipment. As there is a big variety of sanitary solutions available, in order to achieve a significant reduction in water consumption, a novel classification of faucets (taps and mixers) is proposed. This classification also allows for the assessment of energy efficiency ratings of sanitary appliances. On the basis of this classification, water savings resulting from the use of faucets with different water efficiency ratios were determined. Depending on the type of faucet, it is possible to achieve more than 50% water savings, as well as a significant reduction in energy demand for heating and pumping water to customers. The paper also discusses the equations used to determine the energy demand for domestic hot-water preparation and its pumping to consumers. Введение Introduction Растущий экономический рост, развитие промышленно развитых стран и внедрение современных технологий способствовали тому, что все больше внимания уделялось эффективному управлению возобновляемыми природными ресурсами. Одним из примеров таких ресурсов является вода, которая циркулирует и постоянно обновляется в так называемом гидрологическом цикле. Однако следует Increasing economic growth, the development of industrialized countries and introduction of modern technologies have contributed to more and more attention paid to the efficient management of renewable natural resources. One example of such resources is water, which circulates and is constantly renewed in the socalled hydrological cycle. It should be noted, however, that despite the hydrological cycle, fresh drinking water resources may not be 3 sufficient in the near future. Increasing demand for water caused, for example, by population growth and industrial development, results in changes in the world water balance. In addition, climate changes can reduce freshwater resources. These processes increase, inter alia, the costs of obtaining freshwater and the problem of drinking water shortage. Water is also an indispensable medium in buildings. However, before water reaches specific customers, it is necessary to: determine the water demand in the building, design the necessary number of sanitary facilities, assume the appropriate number of faucets and taps, plan the proper distribution of pipes, select the proper pipe size, determine the pressure drops in the water supply system, select the appropriate control-testing unit, shut-off valves, pressure boosters and devices to prevent uncontrolled pressure increase. отметить, что, несмотря на гидрологический цикл, ресурсов пресной питьевой воды в ближайшем будущем может оказаться недостаточно. Растущий спрос на воду, вызванный, например, ростом населения и промышленным развитием, приводит к изменениям в мировом водном балансе. Кроме того, изменения климата могут привести к сокращению ресурсов пресной воды. Эти процессы увеличивают, в частности, затраты на получение пресной воды и проблему нехватки питьевой воды. Вода также является незаменимой средой в зданиях. Однако, прежде чем вода попадет к конкретным потребителям, необходимо: определить потребность в воде в здании, спроектировать необходимое количество санитарных сооружений, предусмотреть соответствующее количество кранов и отводящих устройств, спланировать правильное распределение труб, выбрать подходящий размер трубы, определить перепады давления в системе водоснабжения, выберите соответствующий контрольноиспытательный блок, запорные клапаны, усилители давления и устройства для предотвращения неконтролируемого повышения давления. Successful handling of these tasks is based on the standards and guidelines for designing water supply systems in buildings. Unfortunately, such documents contain data and equations that clearly differ from the current state of the art. As a result, it often happens that designed sanitary installations can be considerably oversized. Успешное решение этих задач основано на стандартах и руководствах по проектированию систем водоснабжения в зданиях. К сожалению, такие документы содержат данные и уравнения, которые явно отличаются от текущего уровня техники. В результате часто случается так, что спроектированные санитарные установки могут значительно превышать требуемые размеры. Proper management of water demand is increasingly perceived by governments, agencies and public utility companies not only as a potential means of supporting the security of the future water supplies, but also as an important tool to limit the resulting environmental consequences. Reduced water consumption saves energy directly in the household or outside the household, at water abstraction, treatment and distribution points. Надлежащее управление спросом на воду все чаще воспринимается правительствами, агентствами и коммунальными компаниями не только как потенциальное средство поддержания безопасности будущих поставок воды, но и как важный инструмент для ограничения возникающих экологических последствий. Снижение потребления 4 воды позволяет экономить энергию непосредственно в домашнем хозяйстве или за его пределами, в пунктах забора, очистки и распределения воды. Например, более низкое потребление воды в домашнем хозяйстве связано с сокращением энергии, необходимой для забора воды, обработки на станции очистки сточных вод, перекачки и отопления в доме. Кроме того, это также значительно снижает затраты на очистку сточных вод на очистных сооружениях. Уиллис и другие подчеркнули необходимость обеспечения устойчивого городского водопотребления. Авторы утверждают, что домохозяйства обладают большим потенциалом для экономии воды, особенно в случае дискреционных конечных целей, таких как принятие душа. Более того, авторы утверждают, что оснащение ванных комнат интеллектуальными счетчиками высокого разрешения и регистраторами данных, а также оснащение душевых кабин мониторами визуального отображения сигнализации, заблокированными на 40 л, привело к значительной экономии потребления воды. Бил и другие продемонстрировали, что прогнозирование домовладельцами своего водопотребления неверно согласуется с их фактическим потреблением воды. Авторы представили результаты измерений с учетом группы факторов, которые оказывают существенное влияние на величину потребления воды, включая возраст, доход, процентное соотношение водосберегающих запасов (например, смесителей с низким расходом), размер семьи, а также намерения и отношение конечного потребителя.- пользователи относительно их поведения во время гигиенических мероприятий. Уиллис и другие сосредоточились на взаимосвязи между рядом социальнодемографических переменных, переменными эффективности запасов домашних хозяйств и уровнями конечного потребления воды. Аналогичные вопросы были проанализированы Макки и другими, которые представили For example, lower water consumption in a household is associated with a reduction in the energy required for water abstraction, processing in a wastewater treatment plant, pumping and heating in the home. In addition, it also significantly reduces the cost of wastewater treatment at the treatment plant. Willis et al. stressed the need to ensure the sustainable urban water consumption. The authors claim that households have great potential for water saving, especially in case of discretionary end-uses such as showering. Moreover, the authors express the claim that equipping bathrooms with high-resolution smart meters and data recorders and equipping showers with alarm visual display monitors locked at 40 l resulted in significant savings in water consumption. Beal et al. demonstrated that that householders’ prediction of their water use is not correctly aligned with their actual water use. The authors presented the results of the measurements taking into account a group of factors which have a significant impact on the value of water consumption, including the age, income, percentage of water-efficient stock (e.g. lowflow faucets), family size, as well as the intentions and attitudes of the end-users regarding their behaviour during hygienic activities. Willis et al. focused on the relationship between a range of sociodemographic variables, household stock efficiency variables and water end-use consumption levels. Similar issues were analysed by Makki et al., who presented the determinants of shower water end-use consumption. They used an eight-way independent factorial ANOVA extended into a three-tier hierarchical linear multiple regression model to create a novel model for forecasting the end-use of the shower. Jack et al. presented an overview of the water supply and drainage systems for buildings. For this purpose, the authors analysed the results of numerical simulations conducted with the use of different prediction models. The authors presented three different examples of the design where the main emphasis is on providing sustainability. 5 детерминанты конечного потребления воды для душа. Они использовали восьмиступенчатый независимый факторный ANOVA, расширенный в трехуровневую иерархическую линейную модель множественной регрессии, чтобы создать новую модель для прогнозирования конечного использования душа. Джек и другие представили обзор систем водоснабжения и водоотведения зданий. С этой целью авторы проанализировали результаты численного моделирования, проведенного с использованием различных моделей прогнозирования. Авторы представили три различных примера дизайна, в которых основной акцент делается на обеспечении устойчивости. Стоит рассмотреть несколько важных вопросов. Какое влияние окажут современные смесительные клапаны на общее потребление воды? Существует ли классификация смесительных клапанов, основанная на различных уровнях потребления воды? Насколько можно сократить потребление воды таким образом? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо провести детальный анализ решений, доступных на рынке сантехники. Several important issues are worth considering. What impact will modern mixing valves have on total water consumption? Is there a classification of mixing valves based on different water consumption levels? How much can water consumption be reduced in this way? In order to answer these questions, it is necessary to conduct a detailed analysis of the solutions available on the sanitary-ware market. Методология Строительные нормы (BRs), применимые в Англии и Уэльсе, требуют, чтобы ежедневное потребление питьевой воды The building regulations (BRs) applicable in на человека в новом жилище не England and Wales, require that the daily превышало 125 литров. Это условие potable water consumption per person in a приводит к рекомендациям, new dwelling does not exceed 125 l. This представленным в Кодексе устойчивых condition results in the guidelines presented in the Code for Sustainable Homes (CSH), in домов (CSH), в которых были указаны различные уровни эффективности which different levels of water efficiency have been specified. They form the part of the использования воды. Они составляют часть критериев экологической environmental performance criteria that are эффективности, которые принимаются во taken into account in sustainable design. при устойчивом Based on the guidelines, the required levels of внимание проектировании. Основываясь на daily water consumption per person can be руководящих принципах, можно determined. определить требуемые уровни Methodology 6 ежедневного человека. потребления воды на Снижение давления воды может быть одним из методов ограничения расхода воды. В многоэтажном здании давление воды непосредственно перед носиком может значительно отличаться. Причиной этого является необходимость обеспечения соответствующих условий давления в самых отдаленных точках забора воды. В многоэтажных зданиях в некоторых точках установки холодного и горячего водоснабжения могут наблюдаться значения давления в диапазоне 0,3-0,4 МПа и даже выше. Следовательно, это может привести к увеличению расхода воды в других точках отбора. Согласно Кольбушу и Гизи, замена обычных кранов на водосберегающие с целью снижения потребления воды является обычной практикой в существующих зданиях. Замена обычных смесителей на водосберегающие решения может снизить потребление воды на 26,2% и потребление энергии на 13,6%. Reducing water pressure can be one of the methods of limiting the water flow rate. In a multi-storey building, the water pressure directly before the spout can differ considerably. The reason for this is the need to ensure appropriate pressure conditions at the furthest water draw-off points. In multistorey buildings, pressure values in the range of 0.3–0.4 MPa and even higher can be observed at some points in the cold- and hotwater installation. It may, therefore, result in an increased water flow rate in other draw-off points. According to Kalbusch and Ghisi, replacing ordinary taps with water-saving ones in order to reduce water consumption is a regular practice in existing buildings. Replacing conventional faucets with watersaving solutions can reduce water consumption by 26.2% and energy consumption by 13.6%. Результаты и обсуждение Results and discussion В расчетах использовались следующие основные санитарные приборы, предназначенные для типичного домашнего хозяйства: смеситель для умывальника (кран) для основных санитарных мероприятий, душ для купания и смеситель для раковины (кран для раковины), используемый при приготовлении пищи. Анализ был сосредоточен на вышеупомянутых группах сантехнических приборов, поскольку они характеризуются значительными различиями в уровне потребления воды. В других бытовых сантехнических приборах, таких как унитазы, стиральные и посудомоечные машины, расход воды зависит главным образом от их вместимости и технических и экономических решений. In the calculations, the following basic sanitary appliances designed for a typical household were used: a washbasin mixer (tap) for basic sanitary activities, a shower for bathing and a sink mixer (sink tap) used in the preparation of meals. The analyses focused on the above-mentioned groups of sanitary appliances because they are characterized by significant differences in the level of water consumption. In other household sanitary appliances such as toilet bowls, washing machines and dishwashers, the water flow rate depends mainly on their water capacity and technical and economic solutions. 7 Как видно, в зависимости от предполагаемого уровня оценки эффективности использования воды наблюдались соответственно более низкие значения расхода воды. Проанализированные модели характеризуются одинаковыми расходами водопроводной воды при различных коэффициентах использования в день. Использование этих моделей может быть полезно на стадии проектирования новых зданий. Оценка потребления воды на этапе предварительного проектирования позволяет применять соответствующие водосберегающие решения (например, выбор смесителей с высоким показателем эффективности использования воды). Следует подчеркнуть, что при применении обеих моделей особое внимание следует уделять не только результатам расчетов, но и общему потреблению воды в домашнем хозяйстве. As can be seen, depending on the assumed level of water efficiency rating, correspondingly lower values of water flow rate were observed. The analysed models are characterized by the identical tap water flow rates for different use factors per day. The use of these models can be helpful in the design stage of new buildings. Estimation of water consumption at the preliminary design phase allows to apply the appropriate watersaving solutions (e.g. selection of faucets with high water efficiency rating). It should be emphasized that during the application of both models special attention should be given not only to the results of the calculations but also to the total water consumption in the household. В зависимости от выбора модели были достигнуты различные проценты экономии воды. Различия находятся в пределах 5-8%. Это было вызвано различными результатами, полученными из моделей общего потребления воды. В заключение следует отметить, что эти две модели характеризуются четко видимым снижением расхода воды по отношению к уровню 0. Таким образом, в зависимости от используемых смесителей и отводов можно добиться экономии воды более чем на 50%. Depending on selection of the model, different percentages of water savings have been achieved. The differences are in the range of 5–8%. This was caused by different results obtained from the models of the total water consumption. In conclusion, it should be noted that these two models are characterized by a clearly visible reduction in water flow rate in relation to level 0. Depending on the faucets and taps used, it is therefore possible to achieve water savings of more than 50%. Правильно подобранная насосная система должна работать в диапазоне высокой эффективности. Насосы в многоквартирных зданиях работают с различной производительностью, зависящей главным образом от давления и требуемого расхода воды. По этой причине для расчета потребности в энергии использовалась средняя эффективность насосной системы, доступная в литературе (np=0,8) (p=0,8). Properly selected pumping system should operate within the range of high efficiency. Pumps in multi-family buildings operate at different performances depending mainly on the pressure and required water flow rate. For this reason, the average efficiency of the pumping system available in the literature (ηp=0.8)(p=0.8) has been used to calculate the energy demand. Использование кранов и смесителей высокого уровня приводит к значительной 8 экономии энергии как для приготовления горячей воды в быту, так и для перекачки воды потребителям. Особое внимание следует также обратить на тот факт, что энергопотребление обеих моделей практически одинаково в случае 3-го уровня рейтинга эффективности использования воды. В основном это связано с тем, что в данном случае эти две модели имеют схожие данные о потреблении воды. The use of high-level taps and faucets results in significant energy savings both for domestic hot-water preparation and pumping water to consumers. Particular attention should also be paid to the fact that the energy consumption of both models is almost the same in the case of level 3 of water efficiency rating. This is mainly due to the fact that in this case, these two models have similar water demand data. Подводя итог, стоит отметить, что вопрос экономии воды в домашних хозяйствах облегчает внедрение современных технологий, внедряемых производителями сантехнических приборов и смесителей. Проблема заключается в том, что в настоящее время отсутствует унификация технологий, снижающих потребление воды, и присвоение им точных показателей или классов оценки эффективности. Технические решения, упомянутые в этой статье, в основном основаны на снижении расхода воды непосредственно перед точкой отбора. In summary, it is worth noting that the issue of saving water in households facilitates the implementation of modern technologies introduced by manufacturers of sanitary appliances and faucets. The problem is that there is currently no unification of technologies reducing water consumption and assigning to them precise indicators or efficiency rating classes. The technical solutions mentioned in this paper are mainly based on the reduction in the water flow rate directly before the draw-off point. Стоит отметить, что временные, бесконтактные (электронные) и термостатические системы могут использоваться во всех типах смесителей. Все вышеупомянутые решения могут быть реализованы без ограничений во вновь проектируемых зданиях или при модернизации существующих зданий. Кроме того, следует рассмотреть возможность использования устройств обнаружения утечек, которые имеют функцию отключения воды, а также уведомляют пользователя о любой утечке. Это очень важно, поскольку такие сбои, помимо нанесения ущерба, также приводят к безвозвратной потере значительного количества воды. Кроме того, устройства контроля расхода воды должны быть оснащены датчиками движения, которые во взаимодействии с электромагнитными клапанами контролируют расход воды, устраняя утечки. Попытки внедрения таких решений в идеале должны It is worth noting that time, non-contact (electronic) and thermostatic systems can be used in all types of faucets. All the abovementioned solutions can be implemented without restrictions in newly designed buildings or during the modernization of existing buildings. In addition, consideration should be given to using leak detection devices which have a water shut-off function and also notify the user of any leakage. It is very important because such failures, in addition to generating damage, also cause the irretrievable loss of significant amounts of water. Moreover, water consumption monitoring devices should be equipped with motion sensors, which in cooperation with electromagnetic valves control the flow rate of water, eliminating leaks and leakages. Attempts to implement such solutions should ideally be made at the design or early construction stage. This will allow for the 9 proper installation of monitoring equipment in the piping system. The above proposals for the study of water use are important in view of the constantly diminishing water resources and for this reason should be in focus of further research. Conclusions Currently, there are many solutions available to significantly reduce the demand for water and energy in residential buildings, which is not always reflected in the applicable regulations and design requirements. As a result, considerably lower total water consumption has contributed to the introduction of new classifications for the assessment of the energy efficiency of the equipment used. It is worth noting that currently there is no harmonized classification of levels of water efficiency rating for taps and faucets used in sanitary installations. Moreover, the application of normative water flow rate designing sanitary systems in buildings will result in the selection of sanitary appliances with significantly higher performance and electricity demand. The use of modern technologies to reduce the water consumption household must take into account the different number of efficiency levels reported by the manufacturers and the corresponding reduced water flow rates. Regardless of the model of water efficiency rating used to calculate the total water consumption, a significant reduction in the energy demand is possible. предприниматься на стадии проектирования или раннего строительства. Это позволит правильно установить контрольное оборудование в трубопроводной системе. Приведенные выше предложения по изучению водопользования важны ввиду постоянно сокращающихся водных ресурсов и по этой причине должны находиться в центре внимания дальнейших исследований. Выводы В настоящее время существует множество решений, позволяющих значительно снизить потребность в воде и энергии в жилых зданиях, что не всегда отражено в применимых нормативных актах и требованиях к дизайну. В результате значительно меньшее общее потребление воды способствовало введению новых классификаций для оценки энергоэффективности используемого оборудования. Стоит отметить, что в настоящее время не существует согласованной классификации уровней эффективности использования воды для кранов и смесителей, используемых в санитарных установках. Более того, применение нормативного расхода воды при проектировании санитарных систем в зданиях приведет к выбору сантехнических приборов со значительно более высокой производительностью и потреблением электроэнергии. Использование современных технологий для снижения потребления воды в домашних хозяйствах должно учитывать различное количество уровней эффективности, заявленных производителями, и соответствующие сниженные расходы воды. Независимо от модели оценки эффективности использования воды, используемой для расчета общего потребления воды, возможно значительное снижение энергопотребления. 10 Список используемой литературы 1. Vilarinho, C., Davim, J. P., Soares, D., Castro, F., Barbosa, J., 2005, Influence of the chemical composition on the machinability of brasses, Journal of Materials Processing Technology, 170/1:441–447 [Электронный ресурс]URL:https://repositorium.sdum.uminho.pt/bitstream/1822/14390/1/I nfluence%20of%20the%20chemical%20composition%20on%20the%20mac hinability%20of%20brasses.pdf / (дата обращения 20.11.2022). 2. Jenek, M., Schlafka, P. An influence of slag refining on the structure and mechanical properties of the brass CuZn39Pb2. Int J Adv Manuf Technol 117, 2519–2525 (2021). [Электронный ресурс] URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s00170-021-07321-x/ (дата обращения 25.11.2022). 3. Lazarova,R; Marinov,M. (2022). DEPENDENCE OF MECHANICAL PROPERTIES ON MICROSTRUCTURAL CHARACTERISTICS OF CuZn40Pb2 (CW617N) BRASSES. 57. 645-652. [Электронный ресурс] URL: https://www.researchgate.net/publication/359732601 / (дата обращения 30.11.2022). 11
