建筑小區環狀給水管網系統探究及管網平差計算實例

郝 晉

(基準方中建筑設計股份有限公司, 四川成都 610000)

0 引言

實際工程中小區環狀給水管網普遍長度較長,其管徑的設置對其造價的影響勢必就會比較大。那么是否設置環狀管網,以及環狀管網的管徑如何確定就顯得極為重要。

1 相關政策規定

1.1 新舊規范要求對比

GB 55020-2021《建筑給水排水與節水通用規范》(以下簡稱《節水規范》),第3.2.3條要求室外給水管網布置成環狀供水的形式,新舊規范相應要求的對比如表1所示。

表1 新舊規范相應要求對比

1.2 相關解讀

1.2.1 是否只針對室外埋地敷設的管道

根據《節水規范》中3.2.3條條文解釋可知,此條文的編制目的是為了“提高供水安全性,減少由于枝狀布置產生的死水區,提高供水水質”。原文雖只針對室外給水管網,但管網于室外敷設與地下室敷設對于供水系統的效果其實并無實質性差別,故筆者認為對于所有直供區給水干管(包括管道在地下室敷設時)均需按此條執行采用環狀管網布置,且應盡量設置兩根市政引入管。特殊情況再特殊考慮,如小區為單棟建筑,可視供水點多少靈活掌握;如整個項目只有一處供水點,環狀布置浪費管材,且反而易造成死水區,此時可與當地外審提前溝通后確定。

1.2.2 市政直供的環網敷設在室外埋地還是地下室

由于總平埋地施工為隱蔽工程,施工質量不易保證及驗收,且總平施工單位普遍較主體施工單位專業性差,后期管道漏損也不易發現,且存在后期檢修不便等問題,故大多數甲方要求將環網敷設于地下室。

此處應注意:當環網管徑超過DN150時,應綜合項目實際情況:①給水環網在地下室敷設時應結合地下室管綜情況,是否對凈高要求帶來不便;②地下室人防區域情況,若給水環網在地下室敷設穿人防墻過多,人防套管及閥門太多,則經濟性較差。

1.2.3 環管管徑如何確定

結合GB 50015-2019《建筑給水排水設計標準》第3.13節,小區室外給水章節,其中的3.13.6條,首先應注意,此條規定主要針對室外給水管網,非所有直供區管網,故筆者認為:

(1)室外埋地敷設的環狀管網;地下室敷設但不滿足管網平差計算要求(詳后續詳細章節)的項目應不作變徑。

(2)地下室敷設的環狀管網,滿足管網平差計算要求的項目,建議優化環網管徑(后續章節詳細介紹)。

2 枝狀管網與環狀管網的區別

枝狀網與環狀網的特點對比詳見表2。

表2 枝狀網與環狀網特點對比

3 管網平差的含義

管網平差——指在環狀管網水力計算中,為消除各環路水頭損失的閉合差,通過調整流量分配再進行計算的過程。

3.1 相關解讀

3.1.1 水頭損失閉合差如何產生

在并聯管路中,水流由一個節點沿兩條管線流至另一個節點時的水頭損失應是相等。所以在一個環內,如以順時針水流方向的各管段水頭損失為正值,以逆時針水流方向的各管段水頭損失為負值,則兩者的代數和應等于零。但初步流量分配不當時,往往不能使各個環路正、負水頭損失之和為零,所以產生了環路水頭損失閉合差。

為此要將各管段分配的流量進行調整,以使閉合差等于零或使其收斂在規定的允許范圍內。

3.1.2 管網平差的計算原理

管網平差的計算原理是基于質量守恒與能量守恒(圖1),通過列出連續性方程和能量方程進行求解,目的就是在已知各個節點流量的條件下,求出各管段的流量(需要確定水流方向),確定各管段管徑以及全部的節點水壓。

圖1 管網平差計算原理關系

3.2 環狀網水力計算關鍵點——閉合差與校正流量hij

閉合差的計算:假定各環內水流順時針方向的水頭損失為正,逆時針方向的水頭損失為負,據此計算該環內各管段的水頭損失代數和,即該環第一次閉合差∑hij。

需要注意:

(2)注意分式之前的“-”及分母中的系數“n”。負號表示閉合差與校正流量的方向相反。若閉合差為正,說明正向水流量分配過多,需要減小正向分配的水量(即為校正流量)。

以2007年注冊給排水專業案例考試真題為例,可清楚理解其閉合差及校正流量的相互關系。

(3)某配水環狀管網,經初步流量分配及采用海曾·威廉公式計算結果見圖2,求一次平差計算后,管段②—⑤的流量計算值約為下列何項?[D]

圖2 注冊給排水專業案例考試真題

A.30.78L/s B.21.20L/s C.19.64L/s D.19.15L/s

主要解答過程:

I環內:

△hI=8.15+6.73-5.12-5.43=4.33

而|SQ0.852|=8.15/0.1422+6.73/0.0258+5.12/0.1106+5.43/0.1422=402.645

所以:

△QI= -4.33×1000/(1.852×402.645) = -5.81L/s

Ⅱ環內:

△hⅡ=7.94+3.83-6.3-6.73= -1.26

而:|SQ0.852|=7.94/0.06584+3.83/0.03424+6.3/0.02+6.73/0.0258=808.31

所以:△QⅡ=1.26×1000/(1.852×808.31)=0.84L/sQ25=25.8-5.81-0.84=19.15L/s

那么,哪些項目的管網具備連續性方程原則?

3.3 給水節點秒流量計算方式

GB 50015-2019《建筑給水排水設計標準》 3.7節,設計流量和管道水力計算中有3種方式:出流概率法(住宅)、當量法(用水情況較分散的建筑)、器具使用百分數法(用水情況較集中的建筑)。從3種類型的公式可以看出,前2個公式,秒流量的計算與衛生器具數量或者用水人數不是簡單的疊加關系,即節點流量1+1≠2,Q加壓區≠Q超高區+Q高區+Q中區,詳見表3。即,不滿足連續性方程原理。

表3 常規住宅加壓區流量計算

只有第3個公式中的建筑可滿足連續性方程原理要求,即每個節點的分別計算流量相加=總引入管流量。

4 環狀管網進行管網平差計算的意義

實際工程中有的直接采用設計秒流量來確定環管的管徑(表4、表5)。有的雖然將流量進行了分配,但是沒有進行環網平差(僅憑經驗配置管徑),而如果不進行管網平差計算,得到的結果是不準確的。

表4 常規項目引入管計算

表5 常規項目最不利用水點水頭校核低區最不利用水點水頭校核(最不利點(棟一層))

5 管網平差的計算思路及方法

5.1 環網怎么確定管徑

5.1.1 枝狀管網流量

通過末端節點流量反推各管段流量,從而確定管徑(圖3),管段56流量0.01074=管段67流量0.00367+節點6的流量0.00707,以此類推。

圖3 枝狀管網節點及管段流量關系

5.1.2 環狀管網流量

5.1.2.1 環狀管網流量計算步驟

(1)找到最不利點(保證最不利點水頭達到需求,其余點便均能達到要求)。

(2)最不利點(或任意點)左右兩端流量分配后的管損應相同,即左右兩端供水無水頭不足或水頭富裕的情況,即正向水流量和逆向水流量閉合差為零。

(3)再通過最不利點(末端)節點流量反推各管段流量及確定管徑。

5.1.2.2 延伸思考

(1)當最不利點形成時,環網達到最大秒流量時,其余節點的供水狀態。

(2)當最不利點未形成,環網未達到最大秒流量時,其余節點的供水狀態。

綜合以上章節分析,可以知道,當最不利點形成時,即管網流量達到最大秒流量,此時最不利點節點由環網兩端按管網平差分配的流量共同供水,其余節點則倒推為單向供水;反之,當管網流量未達到最大秒流量時,即此時管網不存在最不利點,管網內所有節點的供水方向不確定。

管網平差計算的目的就是在已知各個節點流量的條件下,求出各管段的流量,確定各管段管徑以及全部的節點水壓。但在實際工程中,由于管段、節點眾多,通常只能借助計算機進行計算。

5.2 利用管網平差計算的基本思路

5.2.1 確定節點流量

根據《建水標》3.7.8公式進行計算,需要指出的是在有延時自閉閥大便器的管段計算時要滿足規范上小注的規定(延時自閉閥大便器需要單列計算,當計算值小于1.2 L/s時取1.2 L/s,反之取計算值),這就導致了在選擇節點的時候要特別注意如何選擇才能保證連續性方程的問題。例如:2個衛生間的延時自閉閥大便器數量分別均為10個,延時自閉閥大便器的同時出流概率按5%,如果將這2個衛生間單獨視為節點,則這2個節點的流量按照規范計算出來分別均是1.2 L/s,2節點者之和為2.4 L/s,但若將這2個衛生間視為一個節點后,計算流量值卻是1.2 L/s,這就不符合連續性原理和能量守恒原理了。

商業(餐飲)項目流量計算中也是同樣的道理。在不知道廚房具體布置時,餐飲商鋪的秒流量通常按最大時流量乘以1.3～1.5的系數,當一個20 m2的商鋪,最大時流量為0.11 m3/h,折算成秒流量為0.11×1.5=0.165 L/s,小于一個洗滌盆的額定流量0.2 L/s,此時若將每個餐飲商鋪劃分為一個節點,最小流量按0.2 L/s,相加后的流量則會遠遠大于引入管流量(表6)。

表6 衛生器具的給水額定流量、當量、連接管公稱尺寸和工作壓力

因此,在計算節點流量時,應盡量以每一個滿足能量守恒的用水點(區域)為節點,保證每個節點的流量相加后盡量等于總流量,切勿出現相互抵消或者相互疊加的情況,這樣的計算在工程中才足夠精確。

5.2.2初步假設每個管段的管徑

這個步驟比較重要,取決于設計人的工作經驗,若假設的管徑合理,可以大大減少后續調整管徑的工作量。

5.2.3系統圖標注數據

根據選擇的計算節點,標注每個節點的位置標高,節點流量以及各管段的管長及假設的管徑(圖4)。

圖4 系統圖節點及管段信息補充示意

5.2.4平差軟件輸入數據

將系統圖及各節點、管段信息輸入到平差軟件中,見圖5。

圖5 平差軟件模型輸入示意

5.2.5管網平差計算

輸入各項信息后即可進行平差計算,平差計算的結果將會顯示每一個用水節點的水壓值,每段管段的水流方向,水力坡降以及分配的流量。

5.2.6調整管徑

得到平差計算的結果后,我們能非常直觀的得到每一個用水節點的水力學信息,水流方向,通過水流方向基本可判斷最不利點,若有節點不能滿足衛生潔具正常使用時的水壓要求,則需要調整相關管段最開始假設的管徑值,然后再次進行平差直到結果滿足要求。(最不利點水壓有余量時調小管徑,不夠時增大管徑)。

6 管網平差計算工程實例—白鷺灣數字總部港建設項目(3號地塊)

管網平差計算過程：

(1)將系統原理圖導入模型,根據各節點管段流量初步分配管徑(圖6)。

圖6 系統模型及管徑分配

(2)根據系統原理圖中節點及管段信息,在模型中錄入管段及節點信息(同5.2.4節)。

(3)一次平差后節點情況。根據系統原理圖及模型中的水流方向、遠近程度、節點所在位置高度情況,初步判斷最不利點為:節點21、22、31(圖7)。

圖7 系統原理圖中最不利點情況示意

其中,節點31,水頭17.46m(圖8)。節點22,水頭16.3m(圖9)。

圖8 節點31在模型中計算結果

圖9 節點22在模型中計算結果

(4)根據(最不利點)節點水頭余量,初步調小管徑(圖10)(按照末端水頭不小于15m的原則)。

圖10 初步調整后模型中計算結果

可見初步調整后,此時節點31水頭不足15m,故再適當增大前段管徑,結果見圖11。

圖11 反復調整后最不利點模型中的計算結果

(5)如此反復調整后,最終成果見圖12。

圖12 反復調整后模型中的最終計算結果

(6)與初步分配的管徑對比見圖13(灰色為經過平差后優化的管徑)。

圖13 平差計算前后管徑對比

7 結束語

綜上,管網平差在環狀給水的系統中是確定管徑的理論依據,在實際的設計中,未經過平差的管網設計偏于保守,在進行管網平差計算之后,管徑通常能減小1到2號,在給水干管需布置成環網的給水系統中,若能將主要的環管或局部的環管管徑減小1到2號,那帶來的造價節約是很大的。