馬 寧

(中電系統(tǒng)建設(shè)工程有限公司, 北京 100040)

建筑給水排水工程設(shè)計(jì)中關(guān)于建筑引入管的供水能力,相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊(cè)里尚沒有給出具體的計(jì)算方法。 設(shè)計(jì)人員在此部分設(shè)計(jì)中往往較隨意且無(wú)據(jù)可循。 由此引發(fā)的引入管實(shí)際流量過(guò)大,與其附近市政供水管網(wǎng)發(fā)生“搶水”,造成市政給水管網(wǎng)高頻率的管道壓力波動(dòng)現(xiàn)象[1]。 而在市政管網(wǎng)壓力低時(shí),引入管的補(bǔ)水能力又明顯不足,出現(xiàn)系列問(wèn)題[2]。 本文針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了理論計(jì)算和驗(yàn)證,以期為相關(guān)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 關(guān)于引入管設(shè)計(jì)中的普遍問(wèn)題

引入管是由市政管道引入小區(qū)給水管網(wǎng)的管段,或由小區(qū)給水接戶管引入建筑物的管段[3],是市政給水系統(tǒng)與建筑給水系統(tǒng)的連接部分。 引入管的補(bǔ)水能力是建筑物供水可靠以及合理用水的關(guān)鍵。

在現(xiàn)有工程設(shè)計(jì)中,關(guān)于建筑引入管的設(shè)計(jì),一般是在根據(jù)室內(nèi)用水情況計(jì)算出引入管的設(shè)計(jì)秒流量后,假定一個(gè)經(jīng)濟(jì)流速(一般為1 ～2 m/s)之間的某個(gè)流速,再對(duì)應(yīng)找出相應(yīng)管徑作為引入管設(shè)計(jì)管徑。 另一種方法是設(shè)定最不利出水口的最低工作壓力(一般取0.05 ～0.1 MPa)后,按照所得的壓力坡降,根據(jù)城市供水管網(wǎng)的水壓與其構(gòu)成壓差去推算管徑。

以上算法都忽略水壓和流量的實(shí)際關(guān)系與作用,也不符合水力學(xué)的基本原理。 對(duì)前一種算法,當(dāng)城市供水管網(wǎng)的壓力較高時(shí),引入管的實(shí)際流速往往會(huì)遠(yuǎn)超過(guò)預(yù)期,其補(bǔ)水能力強(qiáng)。 相反,當(dāng)城市供水管網(wǎng)的壓力較低,或者引入管上的阻力由于種種原因過(guò)大時(shí),引入管的實(shí)際流速就會(huì)低于預(yù)期,補(bǔ)水能力差。 所以,在城市供水管網(wǎng)壓力較高的地段,如果不適當(dāng)收縮引入管的口徑,用水高峰時(shí)就會(huì)跟壓力偏低的地段發(fā)生“爭(zhēng)水”現(xiàn)象;在城市供水管網(wǎng)壓力較低,或者不穩(wěn)定的地段,管徑偏小時(shí),也會(huì)出現(xiàn)“缺水”現(xiàn)象。

2 幾種情況下的引入管補(bǔ)水能力探討

當(dāng)引入管管徑、路徑、管件、出水口構(gòu)造、出流形式等因素確定后,引入管補(bǔ)水能力只與供水壓力,即與其水流進(jìn)口及出口處剩余的動(dòng)水壓力有關(guān)。 若市政接口給水壓力恒定,進(jìn)入建筑內(nèi)的引入管流速由通過(guò)的實(shí)際流量確定。

2.1 利用市政壓力直接供水

利用市政壓力直接供水常見于市政水壓充足、穩(wěn)定,建筑高度不高的情況。 在市政壓力直接與室內(nèi)給水管網(wǎng)相連的情況下,每一個(gè)用水點(diǎn)的出水量與用水點(diǎn)器具出水口的水壓以及出流管嘴的流量系數(shù)(也即管道出口橫截面面積)有關(guān)。 在這種情況下,引入管的流量是實(shí)時(shí)變化的,流量變化范圍在0和設(shè)計(jì)秒流量之間。 同時(shí),由于系統(tǒng)內(nèi)的流量直接影響著系統(tǒng)內(nèi)消耗的阻力,各用水點(diǎn)的壓力值時(shí)時(shí)發(fā)生變化。 通過(guò)引入管的實(shí)際流量為與之連接的給水系統(tǒng)內(nèi)在某時(shí)刻所有同時(shí)開啟的用水點(diǎn)用水流量之和,計(jì)算公式見式(1)。

式中,Q為引入管通過(guò)的流量,m3/s;q1、q2、q3…qn分別為系統(tǒng)內(nèi)某用水點(diǎn)用水時(shí)的出流量,m3/s。

2.2 利用水箱進(jìn)行二次供水

根據(jù)中國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)全自動(dòng)無(wú)負(fù)壓變頻恒壓供水設(shè)備市場(chǎng)現(xiàn)狀分析及前景預(yù)測(cè)報(bào)告》,2018—2022 年我國(guó)二次供水設(shè)備總供給中,水泵+水箱的供水系統(tǒng)總量占比約60%,無(wú)負(fù)壓供水系統(tǒng)總量占比約40%,可見“水箱+水泵”是目前最普遍的供水方式。 “水箱+水泵”的供水模式在給水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)中很常見,這種情況下,引入管全部流量都泄流至水箱。 在市政接口壓力確定,引入管上各閥門開啟度確定的情況下,水箱的補(bǔ)水流量是一個(gè)定值,可以通過(guò)計(jì)算確定。

2.2.1 水箱(池)進(jìn)水管補(bǔ)水能力《建筑給水排水工程技術(shù)與設(shè)計(jì)手冊(cè)》[4]2.8章節(jié)有關(guān)于水箱(池)進(jìn)水管補(bǔ)水能力的相關(guān)描述,同時(shí)給出了日本《給水排水衛(wèi)生設(shè)備設(shè)計(jì)》中的相關(guān)計(jì)算公式(2)以及日本和英國(guó)關(guān)于引入管補(bǔ)水量與壓力關(guān)系的對(duì)比表(表1)。

表1 日本和英國(guó)的調(diào)節(jié)構(gòu)筑物進(jìn)水管最大補(bǔ)給流量Tab.1 Maximum makeup flow of inlet pipes for regulating structures in Japan and the UK

式中,qd為給水管口的最大出流量,L/s;d0為給水管出口通徑,mm;Pm為管口動(dòng)壓力,MPa。

表1 列出的分別是日本及英國(guó)引入管在不同壓力、不同管徑下的補(bǔ)水能力值,所示的補(bǔ)水能力值都普遍較大。 以英國(guó)為例,在出口壓力為0.5 MPa 壓力下,DN32 進(jìn)水管補(bǔ)水能力最大為19 L/s,即68.4 m3/h,對(duì)應(yīng)的管道出口流速高達(dá)20 m/s,接近一般的消火栓φ19 水槍噴嘴處的出水水流速度。 經(jīng)分析,式(2)的計(jì)算壓力Pm 是指水池進(jìn)水口的壓力,該壓力在向水池補(bǔ)水時(shí),全部轉(zhuǎn)化為速度水頭和一部分出水口管口的局部阻力損失,所以得出數(shù)值相對(duì)較大。 本文描述的壓力P 是指市政接入口的壓力,結(jié)合工程實(shí)際,將引入管與水箱(池)進(jìn)水管兩部分一并列入考慮范疇,所以得出的系統(tǒng)補(bǔ)水能力相對(duì)日本與英國(guó)的計(jì)算結(jié)果較小,也更貼近實(shí)際。

2.2.2 引入管單一供水案例

以某具體工程為例,某建筑引入管從市政管網(wǎng)取水口至水池進(jìn)水口,管段管徑為DN100,長(zhǎng)度200 m,材質(zhì)為襯塑鋼管,市政取水口位于建筑西側(cè)紅線外,埋深2 m,供水壓力為0.2 MPa。 從市政取水口至水池進(jìn)水口的閥門及配件主要包含:水表1 個(gè)(ε=1),90°彎頭5 個(gè)(含室外管道轉(zhuǎn)彎部分)(ε=0.75),閘閥6 個(gè)(含室外閥門井)(按閘閥全開計(jì),ε=0.17),遙控浮球閥1 個(gè)(ε=4.5),管道過(guò)濾器1 個(gè)(ε=2),管道出口(ε=1)。 室外引入管布置示意圖1,水箱進(jìn)水管示意圖見圖2。

圖1 室外引入管布置示意Fig.1 Schematic diagram of outdoor inlet pipe layout

圖2 水箱進(jìn)水管示意Fig.2 Schematic diagram of water tank inlet pipe

根據(jù)圖2,以水箱進(jìn)水管出口中心水平面為基準(zhǔn)面,列出1-1 過(guò)水?dāng)嗝媾c排出口2-2 過(guò)水?dāng)嗝娴目偭靼嘏匠?帶入各參數(shù),管道無(wú)變徑(V1=V2),則伯努利方程可轉(zhuǎn)化為式(2)。 經(jīng)計(jì)算,在引入管上所有閥門開啟度100%的情況下,此時(shí)引入管的補(bǔ)水能力為85 m3/h,水箱進(jìn)水口流速為3.01 m/s。

式中,Z1為系統(tǒng)從市政接入口至基準(zhǔn)面的幾何高差,m;P1為市政口供水壓力,m;△H沿為市政接入口至進(jìn)水管出口的沿程阻力,m;△H局為市政接入口至進(jìn)水管出口的局部阻力,m。

經(jīng)分析,系統(tǒng)補(bǔ)水時(shí)引入管內(nèi)真實(shí)的流速不可能是假定的經(jīng)濟(jì)流速。 實(shí)際工況必須遵循水力學(xué)基本原理,市政管網(wǎng)的供水壓力全部轉(zhuǎn)化為引入管的水頭損失以及水池進(jìn)水管出口的流速水頭。

2.2.3 引入管多路供水案例

建筑引入管同時(shí)給建筑物低區(qū)用水點(diǎn)供水和加壓供水區(qū)的水箱補(bǔ)水是較為常見的工程做法,尤其是高層建筑的給水系統(tǒng)中,建筑引入管進(jìn)入室內(nèi)后一路供給低區(qū)各用水點(diǎn),一路接至加壓區(qū)的生活水箱進(jìn)水管。 這種情況下,引入管中同時(shí)負(fù)擔(dān)了兩部分的流量,一部分是低區(qū)用水點(diǎn)的時(shí)時(shí)用水量,一部分是中高區(qū)水箱的補(bǔ)水流量。 在低區(qū)供水達(dá)到較大流量時(shí),勢(shì)必對(duì)生活水箱進(jìn)水管的補(bǔ)水能力造成影響。

某建筑生活供水分為低區(qū)、中區(qū)、高區(qū)三個(gè)壓力供水區(qū),低區(qū)為利用市政壓力直供,中區(qū)和高區(qū)由各自的變頻定壓設(shè)備供水。 變頻定壓設(shè)備從地下水箱間設(shè)置的生活水箱吸水為各自的供水區(qū)供水。 供水示意圖見圖3。

圖3 有流量分出的水箱進(jìn)水管示意Fig.3 Schematic diagram of water tank inlet pipe with flow separation

按照?qǐng)D3 的供水模式,以水箱進(jìn)水管出口中心水平面為基準(zhǔn)面,列出1-1 過(guò)水?dāng)嗝媾c排出口2-2過(guò)水?dāng)嗝娴目偭靼嘏匠?本建筑低區(qū)最大時(shí)流量計(jì)算值為45 m3/h,經(jīng)計(jì)算,B 點(diǎn)水池進(jìn)水口管內(nèi)流速為1.88 m/s,低區(qū)供水達(dá)到最大流量時(shí)的生活水池最大補(bǔ)水流量為53 m3/h。 可見在低區(qū)生活用水達(dá)到最大時(shí)流量時(shí),水箱進(jìn)水管的補(bǔ)水能力相對(duì)于引入管單獨(dú)為水箱補(bǔ)水的情況下降約40%。

各壓力供水區(qū)設(shè)計(jì)流量經(jīng)用水定額計(jì)算見表2。 在低區(qū)用水達(dá)到最大時(shí)流量時(shí),水箱進(jìn)水管的補(bǔ)水能力不僅遠(yuǎn)小于中區(qū)和高區(qū)的“最大時(shí)用水量”之和,而且也已經(jīng)小于中區(qū)和高區(qū)的“平均時(shí)用水量”之和。 這種情況下,生活水池補(bǔ)水能力始終小于中高區(qū)供水設(shè)備的出水量,水池存在被“吸干”的風(fēng)險(xiǎn),且由于水箱的補(bǔ)水會(huì)增大系統(tǒng)壓力損失,也會(huì)引起低區(qū)供水點(diǎn)的壓力下降[2]。 根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,設(shè)計(jì)補(bǔ)水量不宜大于建筑物最高日最大時(shí)用水量,且不得小于建筑物最高日平均時(shí)用水量。 需考慮優(yōu)化引入管及水箱進(jìn)水管的設(shè)計(jì),如再增加一路水池的進(jìn)水管,或采取再放大引入管和水箱進(jìn)水管的管徑等措施。

表2 某醫(yī)療建筑生活用水量統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of domestic water consumption in a medical building

3 結(jié)語(yǔ)

引入管的補(bǔ)水能力是建筑物供水可靠以及合理用水的關(guān)鍵。 在工程設(shè)計(jì)中,應(yīng)結(jié)合具體情況對(duì)引入管的補(bǔ)水能力進(jìn)行核算。 在市政壓力較低時(shí),應(yīng)復(fù)核水箱補(bǔ)水管的補(bǔ)水能力是否滿足加壓供水區(qū)的平均時(shí)流量,同時(shí)復(fù)核生活水箱補(bǔ)水時(shí)對(duì)低區(qū)管網(wǎng)直接供水部分用水點(diǎn)壓力衰減的影響程度并采取必要的技術(shù)措施;在市政壓力較充足時(shí),應(yīng)復(fù)核并控制水箱補(bǔ)水管的出口流速不易過(guò)大,削弱引入管瞬時(shí)通過(guò)較大補(bǔ)水流量對(duì)市政管網(wǎng)的影響。