建筑内部给水管网设计秒流量计算常见问题分析及改进方法

2011-02-26胥书霞

水利与建筑工程学报 2011年1期

胥书霞

(青海建筑职业技术学院,青海西宁810012)

0 引言

设计秒流量的计算是管网水力计算的基础,是确定各管段管径、计算管道水头损失,进而确定给水系统所需压力的主要依据。只有设计秒流量计算正确,才能使整个系统正常运行。该值偏大会导致管径偏大,水泵流量偏大,造成经济上的浪费,同时管网中流速偏小,易导致细菌繁殖。相反,该值偏小,会造成管径过小,水头损失高,浪费能量。因此,选择正确的设计秒流量计算方法至关重要。

本文就教学及工程设计中的确切体会,例举建筑给水工程中设计秒流量计算出现的常见问题,以引起设计人员的重视。另外,近几年,随着Excel在各个领域的应用,给排水工程设计人员也在设计中广泛应用Excel软件[1～7],刘志强等人先后在建筑给水管网、城镇给水管网、污水管道、雨水管道、自动喷淋灭火系统、住宅类给水管网计算中运用Excel,积累了丰富的经验。本文在对常见问题例证说明后,在前人工作的基础上,将Excel计算表格加以完善,形成第二类建筑的通用计算表格,以供设计人员参考。

1 设计秒流量常见问题分析

1.1 不同建筑类型的设计秒流量计算方法混淆

1.2 设计秒流量偏大

出现该问题的主要原因是忽视规范中相关条文下的加注内容而造成流量值偏大。本文就第二类建筑(集体宿舍、旅馆、宾馆、医院、疗养院、幼儿园、养老院、办公楼、商场等建筑)的流量计算举例如下。规范GB50015-2003[8]中要求计算公式采用,当遇到计算管段中有自闭延时阀大便器时,其当量以0.5计,计算得到的 qg附加1.10后为该管段的设计秒流量,本文用公式表达上述要求,式中n表示大便器的个数,N′g表示除大便器以外所有卫生器具的当量之和。另外在使用上述公式时还要注意的两个事项为:一是如果计算值小于该管段上一个最大卫生器具给水额定流量时应采用一个最大卫生器具额定流量作为设计秒流量;二是如果计算值大于该管段上按卫生器具给水额定流量累加值时,应按累加值采用。在此,设qmax项为计算管段上一个最大卫生器具给水额定流量,∑qi项为计算管段卫生器具给水额定流量累加值。

图1是某旅馆给水系统图的一部分,α取值2.5。依据上述注意事项分析如下:1-2管段:qmax=0.15 L/s,∑qi=0.15 L/s,计算,因此取0.15 L/s作为该管段的设计秒流量。

图1 计算系统

2-3管段:qmax=0.15 L/s,∑qi=0.3L/s,计算,因此取0.3 L/s作为该管段的设计秒流量。其余管段不再一一分析,计算结果见图2,可以看出,如果设计人员不考虑或者忽视规范中的相关注意事项,直接取用公式计算值,计算结果显然偏大。

图2 计算结果

针对上述计算存在的问题,如果用Excel表格自动计算,就可以避免人为重复计算,还可以避免出现错误,具有方便、省时、准确的优点。

2 Excel的计算表格设计

笔者从事给排水工程设计及教学多年,利用Excel的表格及强大计算功能,设计人员可根据需要设计出为己所用的计算表格,不但方便快捷,亦能在教学过程中加以利用,提高设计效率及教学水平。因此文章在前人的基础上,主要针对第二类建筑(规范GB50015-2003第3.6.5条)中的相关内容进行表格设计,主要体现在表格中的 I、J、K、L列。对于住宅类建筑概率算法中运用Excel的算法可参见文献[7]。

2.1 表头设计

进入Excel界面后,设计出如图3所示表格,表格中白色底格为设计人员填入数据处,灰色底格为Excel自动计算结果显示处。

2.2 设计过程简述

2.2.1 计算管段卫生器具给水当量总数

计算管段卫生器具给水当量总数依据公式Ng=∑niNi计算,其编辑方法是在Excel表格中单击H7单元处,然后在如图3所示的编辑栏内输入=IF(G7=0,SUM(＄D＄5*D7,＄E＄5*E7,＄F＄5*F7),SUM(＄D＄5*D7,＄E＄5*E7,＄F＄5*F7,＄G＄5*G7)),单击确定按钮,编辑完成。

2.2.2 设计秒流量

设计秒流量依据公式[8]计算,α是根据建筑物用途而定的系数,见表1。α值由设计人员填入Excel表格单元Y7处。

图3 Excel自动计算表格

表1 根据建筑物用途而定的系数α值[8]

表格中I7单元为qmax项(代表计算管段上一个最大卫生器具给水额定流量),鼠标单击I7单元处,在编辑栏内输入=IF(G7=0,MAX(＄D＄6:＄F＄6),＄G＄6),单击确定按钮,编辑完成。

表格J7列为∑qi项(计算管段卫生器具给水额定流量累加值),鼠标单击J7列,输入=IF(G7=0,SUM(＄D＄6*D7,＄E＄6*E7,＄F＄6*F7),SUM(＄D＄6*D7,＄E＄6*E7,＄F＄6*F7,＄G ＄6*G7)),单击确定按钮,编辑完成。

表格中K7单元为设计秒流量qg项,编辑方法是鼠标单击K7单元处,在编辑栏内输入=IF(G7=0,ROUNDUP(0.2*Y7*SQRT(H7),2),ROUNDUP(0.2*Y7*SQRT(H7)+1.1,2)),单击确定按钮,编辑完成。

2.2.3 管段的计算内径

给水管材的公称直径和计算内径是不相同的,计算流速和单位管长沿程水头损失应采用计算内径。但由于不同厂家的管道规格不一,同一公称直径的管道其计算内径不尽相同,为简化计算,本文设计的表格在计算时采用公称直径代替计算内径,事实上,计算的误差极小。

2.2.4 流速计算

管段的流速依据公式[9]v=4q/π D2计算。在Excel表格单元N7处内输入=ROUNDUP(4000*L7/(3.14*M7*M7),2),单击确定按钮,编辑完毕。如果计算出的流速偏大或偏小,可通过调整管径保证流速的正常范围,根据建筑给水排水设计规范(GB50015-2003),流速的正常控制范围如表2所示。

表2 生活给水管道的水流速度[8]

2.2.5 沿程水头损失

给水管道的沿程水头损失依据公式[9]i=105C-1.85hD-4.87jq1.85计算,式中i指管道单位长度水头损失(kPa/m);Dj指管道计算内径(m);q指给水设计流量(m3/s);Ch指海澄—威廉系数。各种塑料管、内衬塑管 Ch=140,普通钢管、铸铁管 Ch=100。由于建筑内部给水管道现多采用塑料管或钢管,因此i的编辑方法是在Excel表格中O7单元处输入=IF(OR(Z7=1,Z7=2),ROUNDUP(105*POWER(100,-1.85)*POWER(M7/1000,-4.87)*POWER(L7/1000,1.85),3),ROUNDUP(105*POWER(140,-1.85)*POWER(M7/1000,-4.87)*POWER(L7/1000,1.85),3)),计算时,首先判断管材,如 Z列内是1或2,则选用钢管或铸铁管,如Z列是3,则选用塑料管的公式进行计算。

管段沿程水头损失依据公式hy=iL计算,其公式编辑方法是用鼠标单击Q7单元处,在编辑栏内输入=ROUNDUP(O7*P7,2),单击确定按钮,编辑完毕。

管段沿程水头损失累计等于计算管段的水头损失加上以前的水头损失累计值。编辑方法是在R7单元处输入=Q7+R6,单击确定按钮,编辑完毕。

2.2.6 不同管径管段长度统计

表格可用来统计不同管径管道的长度,表中S列至X列分别用以统计公称直径为15 mm、20 mm、25 mm、32 mm、40 mm、50 mm 管径的管道长度。

在Excel表格单元S7处,编辑栏内输入=IF(M7=15,P7,0),就可以统计出管径为15 mm的管道长度。其他管径长度统计方法一样,依次在T7、U7、V7、W7、X7单元处单击,编辑栏内依次输入=IF(M7=20,P7,0)、=IF(M7=25,P7,0)、=IF(M7=32,P7,0)、=IF(M7=40,P7,0)、=IF(M7=50,P7,0),单击确定按钮,编辑完毕。

2.2.7 管材的区分

Excel表头中Z列用于区分管材,1表示钢管,2表示铸铁管,3表示塑料管,由设计人员填入。

3 计算算例

根据以上的Excel设计表格,就可以将它用于实际工程计算。计算步骤为:第1步,填入计算管段中各种卫生器具的数量,计算机根据判定条件自动计算出对应管段的当量数与管段的设计秒流量;第2步,试填入管径,计算机自动计算出对应管段的流速及单位管长的沿程水头损失,流速过大或过小时则相应调整管径。例如某办公楼工程计算管段数为10个,用鼠标单击图3表格左端的数字7,第7行立刻变灰色,并且数字7右下角有一小黑方块,用鼠标左键点住小黑方块向下拖拽到16的下端,放开左键,在计算表格单元Y7内填入 α(α=1.5)值、卫生器具数量、管段长度、并给出各管段管径,计算表就自动计算出相应结果,计算结果如图4所示。