对建筑给水系统引入管补水能力的探讨

马 宁

(中电系统建设工程有限公司, 北京 100040)

建筑给水排水工程设计中关于建筑引入管的供水能力,相关规范和设计手册里尚没有给出具体的计算方法。 设计人员在此部分设计中往往较随意且无据可循。 由此引发的引入管实际流量过大,与其附近市政供水管网发生“抢水”,造成市政给水管网高频率的管道压力波动现象[1]。 而在市政管网压力低时,引入管的补水能力又明显不足,出现系列问题[2]。 本文针对该问题进行了理论计算和验证,以期为相关设计提供理论依据。

1 关于引入管设计中的普遍问题

引入管是由市政管道引入小区给水管网的管段,或由小区给水接户管引入建筑物的管段[3],是市政给水系统与建筑给水系统的连接部分。 引入管的补水能力是建筑物供水可靠以及合理用水的关键。

在现有工程设计中,关于建筑引入管的设计,一般是在根据室内用水情况计算出引入管的设计秒流量后,假定一个经济流速(一般为1 ～2 m/s)之间的某个流速,再对应找出相应管径作为引入管设计管径。 另一种方法是设定最不利出水口的最低工作压力(一般取0.05 ～0.1 MPa)后,按照所得的压力坡降,根据城市供水管网的水压与其构成压差去推算管径。

以上算法都忽略水压和流量的实际关系与作用,也不符合水力学的基本原理。 对前一种算法,当城市供水管网的压力较高时,引入管的实际流速往往会远超过预期,其补水能力强。 相反,当城市供水管网的压力较低,或者引入管上的阻力由于种种原因过大时,引入管的实际流速就会低于预期,补水能力差。 所以,在城市供水管网压力较高的地段,如果不适当收缩引入管的口径,用水高峰时就会跟压力偏低的地段发生“争水”现象;在城市供水管网压力较低,或者不稳定的地段,管径偏小时,也会出现“缺水”现象。

2 几种情况下的引入管补水能力探讨

当引入管管径、路径、管件、出水口构造、出流形式等因素确定后,引入管补水能力只与供水压力,即与其水流进口及出口处剩余的动水压力有关。 若市政接口给水压力恒定,进入建筑内的引入管流速由通过的实际流量确定。

2.1 利用市政压力直接供水

利用市政压力直接供水常见于市政水压充足、稳定,建筑高度不高的情况。 在市政压力直接与室内给水管网相连的情况下,每一个用水点的出水量与用水点器具出水口的水压以及出流管嘴的流量系数(也即管道出口横截面面积)有关。 在这种情况下,引入管的流量是实时变化的,流量变化范围在0和设计秒流量之间。 同时,由于系统内的流量直接影响着系统内消耗的阻力,各用水点的压力值时时发生变化。 通过引入管的实际流量为与之连接的给水系统内在某时刻所有同时开启的用水点用水流量之和,计算公式见式(1)。

式中,Q为引入管通过的流量,m3/s;q1、q2、q3…qn分别为系统内某用水点用水时的出流量,m3/s。

2.2 利用水箱进行二次供水

根据中国产业发展研究网发布的《中国全自动无负压变频恒压供水设备市场现状分析及前景预测报告》,2018—2022 年我国二次供水设备总供给中,水泵+水箱的供水系统总量占比约60%,无负压供水系统总量占比约40%,可见“水箱+水泵”是目前最普遍的供水方式。 “水箱+水泵”的供水模式在给水系统、消防系统中很常见,这种情况下,引入管全部流量都泄流至水箱。 在市政接口压力确定,引入管上各阀门开启度确定的情况下,水箱的补水流量是一个定值,可以通过计算确定。

2.2.1 水箱(池)进水管补水能力《建筑给水排水工程技术与设计手册》[4]2.8章节有关于水箱(池)进水管补水能力的相关描述,同时给出了日本《给水排水卫生设备设计》中的相关计算公式(2)以及日本和英国关于引入管补水量与压力关系的对比表(表1)。

表1 日本和英国的调节构筑物进水管最大补给流量Tab.1 Maximum makeup flow of inlet pipes for regulating structures in Japan and the UK

式中,qd为给水管口的最大出流量,L/s;d0为给水管出口通径,mm;Pm为管口动压力,MPa。

表1 列出的分别是日本及英国引入管在不同压力、不同管径下的补水能力值,所示的补水能力值都普遍较大。 以英国为例,在出口压力为0.5 MPa 压力下,DN32 进水管补水能力最大为19 L/s,即68.4 m3/h,对应的管道出口流速高达20 m/s,接近一般的消火栓φ19 水枪喷嘴处的出水水流速度。 经分析,式(2)的计算压力Pm 是指水池进水口的压力,该压力在向水池补水时,全部转化为速度水头和一部分出水口管口的局部阻力损失,所以得出数值相对较大。 本文描述的压力P 是指市政接入口的压力,结合工程实际,将引入管与水箱(池)进水管两部分一并列入考虑范畴,所以得出的系统补水能力相对日本与英国的计算结果较小,也更贴近实际。

2.2.2 引入管单一供水案例

以某具体工程为例,某建筑引入管从市政管网取水口至水池进水口,管段管径为DN100,长度200 m,材质为衬塑钢管,市政取水口位于建筑西侧红线外,埋深2 m,供水压力为0.2 MPa。 从市政取水口至水池进水口的阀门及配件主要包含:水表1 个(ε=1),90°弯头5 个(含室外管道转弯部分)(ε=0.75),闸阀6 个(含室外阀门井)(按闸阀全开计,ε=0.17),遥控浮球阀1 个(ε=4.5),管道过滤器1 个(ε=2),管道出口(ε=1)。 室外引入管布置示意图1,水箱进水管示意图见图2。

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

图2 水箱进水管示意Fig.2 Schematic diagram of water tank inlet pipe

根据图2,以水箱进水管出口中心水平面为基准面,列出1-1 过水断面与排出口2-2 过水断面的总流柏努利方程,带入各参数,管道无变径(V1=V2),则伯努利方程可转化为式(2)。 经计算,在引入管上所有阀门开启度100%的情况下,此时引入管的补水能力为85 m3/h,水箱进水口流速为3.01 m/s。

式中,Z1为系统从市政接入口至基准面的几何高差,m;P1为市政口供水压力,m;△H沿为市政接入口至进水管出口的沿程阻力,m;△H局为市政接入口至进水管出口的局部阻力,m。

经分析,系统补水时引入管内真实的流速不可能是假定的经济流速。 实际工况必须遵循水力学基本原理,市政管网的供水压力全部转化为引入管的水头损失以及水池进水管出口的流速水头。

2.2.3 引入管多路供水案例

建筑引入管同时给建筑物低区用水点供水和加压供水区的水箱补水是较为常见的工程做法,尤其是高层建筑的给水系统中,建筑引入管进入室内后一路供给低区各用水点,一路接至加压区的生活水箱进水管。 这种情况下,引入管中同时负担了两部分的流量,一部分是低区用水点的时时用水量,一部分是中高区水箱的补水流量。 在低区供水达到较大流量时,势必对生活水箱进水管的补水能力造成影响。

某建筑生活供水分为低区、中区、高区三个压力供水区,低区为利用市政压力直供,中区和高区由各自的变频定压设备供水。 变频定压设备从地下水箱间设置的生活水箱吸水为各自的供水区供水。 供水示意图见图3。

图3 有流量分出的水箱进水管示意Fig.3 Schematic diagram of water tank inlet pipe with flow separation

按照图3 的供水模式,以水箱进水管出口中心水平面为基准面,列出1-1 过水断面与排出口2-2过水断面的总流柏努利方程,本建筑低区最大时流量计算值为45 m3/h,经计算,B 点水池进水口管内流速为1.88 m/s,低区供水达到最大流量时的生活水池最大补水流量为53 m3/h。 可见在低区生活用水达到最大时流量时,水箱进水管的补水能力相对于引入管单独为水箱补水的情况下降约40%。

各压力供水区设计流量经用水定额计算见表2。 在低区用水达到最大时流量时,水箱进水管的补水能力不仅远小于中区和高区的“最大时用水量”之和,而且也已经小于中区和高区的“平均时用水量”之和。 这种情况下,生活水池补水能力始终小于中高区供水设备的出水量,水池存在被“吸干”的风险,且由于水箱的补水会增大系统压力损失,也会引起低区供水点的压力下降[2]。 根据《建筑给水排水设计标准》,设计补水量不宜大于建筑物最高日最大时用水量,且不得小于建筑物最高日平均时用水量。 需考虑优化引入管及水箱进水管的设计,如再增加一路水池的进水管,或采取再放大引入管和水箱进水管的管径等措施。

表2 某医疗建筑生活用水量统计Tab.2 Statistics of domestic water consumption in a medical building

3 结语

引入管的补水能力是建筑物供水可靠以及合理用水的关键。 在工程设计中,应结合具体情况对引入管的补水能力进行核算。 在市政压力较低时,应复核水箱补水管的补水能力是否满足加压供水区的平均时流量,同时复核生活水箱补水时对低区管网直接供水部分用水点压力衰减的影响程度并采取必要的技术措施;在市政压力较充足时,应复核并控制水箱补水管的出口流速不易过大,削弱引入管瞬时通过较大补水流量对市政管网的影响。