對建筑給水系統引入管補水能力的探討

馬 寧

(中電系統建設工程有限公司, 北京 100040)

建筑給水排水工程設計中關于建筑引入管的供水能力,相關規范和設計手冊里尚沒有給出具體的計算方法。 設計人員在此部分設計中往往較隨意且無據可循。 由此引發的引入管實際流量過大,與其附近市政供水管網發生“搶水”,造成市政給水管網高頻率的管道壓力波動現象[1]。 而在市政管網壓力低時,引入管的補水能力又明顯不足,出現系列問題[2]。 本文針對該問題進行了理論計算和驗證,以期為相關設計提供理論依據。

1 關于引入管設計中的普遍問題

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

在現有工程設計中,關于建筑引入管的設計,一般是在根據室內用水情況計算出引入管的設計秒流量后,假定一個經濟流速(一般為1 ～2 m/s)之間的某個流速,再對應找出相應管徑作為引入管設計管徑。 另一種方法是設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,根據城市供水管網的水壓與其構成壓差去推算管徑。

以上算法都忽略水壓和流量的實際關系與作用,也不符合水力學的基本原理。 對前一種算法,當城市供水管網的壓力較高時,引入管的實際流速往往會遠超過預期,其補水能力強。 相反,當城市供水管網的壓力較低,或者引入管上的阻力由于種種原因過大時,引入管的實際流速就會低于預期,補水能力差。 所以,在城市供水管網壓力較高的地段,如果不適當收縮引入管的口徑,用水高峰時就會跟壓力偏低的地段發生“爭水”現象;在城市供水管網壓力較低,或者不穩定的地段,管徑偏小時,也會出現“缺水”現象。

2 幾種情況下的引入管補水能力探討

當引入管管徑、路徑、管件、出水口構造、出流形式等因素確定后,引入管補水能力只與供水壓力,即與其水流進口及出口處剩余的動水壓力有關。 若市政接口給水壓力恒定,進入建筑內的引入管流速由通過的實際流量確定。

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、穩定,建筑高度不高的情況。 在市政壓力直接與室內給水管網相連的情況下,每一個用水點的出水量與用水點器具出水口的水壓以及出流管嘴的流量系數(也即管道出口橫截面面積)有關。 在這種情況下,引入管的流量是實時變化的,流量變化范圍在0和設計秒流量之間。 同時,由于系統內的流量直接影響著系統內消耗的阻力,各用水點的壓力值時時發生變化。 通過引入管的實際流量為與之連接的給水系統內在某時刻所有同時開啟的用水點用水流量之和,計算公式見式(1)。

式中,Q為引入管通過的流量,m3/s;q1、q2、q3…qn分別為系統內某用水點用水時的出流量,m3/s。

2.2 利用水箱進行二次供水

根據中國產業發展研究網發布的《中國全自動無負壓變頻恒壓供水設備市場現狀分析及前景預測報告》,2018—2022 年我國二次供水設備總供給中,水泵+水箱的供水系統總量占比約60%,無負壓供水系統總量占比約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、消防系統中很常見,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,水箱的補水流量是一個定值,可以通過計算確定。

2.2.1 水箱(池)進水管補水能力《建筑給水排水工程技術與設計手冊》[4]2.8章節有關于水箱(池)進水管補水能力的相關描述,同時給出了日本《給水排水衛生設備設計》中的相關計算公式(2)以及日本和英國關于引入管補水量與壓力關系的對比表(表1)。

表1 日本和英國的調節構筑物進水管最大補給流量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為管口動壓力,MPa。

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

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取水口至水池進水口,管段管徑為DN100,長度200 m,材質為襯塑鋼管,市政取水口位于建筑西側紅線外,埋深2 m,供水壓力為0.2 MPa。 從市政取水口至水池進水口的閥門及配件主要包含:水表1 個(ε=1),90°彎頭5 個(含室外管道轉彎部分)(ε=0.75),閘閥6 個(含室外閥門井)(按閘閥全開計,ε=0.17),遙控浮球閥1 個(ε=4.5),管道過濾器1 個(ε=2),管道出口(ε=1)。 室外引入管布置示意圖1,水箱進水管示意圖見圖2。

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

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

根據圖2,以水箱進水管出口中心水平面為基準面,列出1-1 過水斷面與排出口2-2 過水斷面的總流柏努利方程,帶入各參數,管道無變徑(V1=V2),則伯努利方程可轉化為式(2)。 經計算,在引入管上所有閥門開啟度100%的情況下,此時引入管的補水能力為85 m3/h,水箱進水口流速為3.01 m/s。

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

經分析,系統補水時引入管內真實的流速不可能是假定的經濟流速。 實際工況必須遵循水力學基本原理,市政管網的供水壓力全部轉化為引入管的水頭損失以及水池進水管出口的流速水頭。

2.2.3 引入管多路供水案例

建筑引入管同時給建筑物低區用水點供水和加壓供水區的水箱補水是較為常見的工程做法,尤其是高層建筑的給水系統中,建筑引入管進入室內后一路供給低區各用水點,一路接至加壓區的生活水箱進水管。 這種情況下,引入管中同時負擔了兩部分的流量,一部分是低區用水點的時時用水量,一部分是中高區水箱的補水流量。 在低區供水達到較大流量時,勢必對生活水箱進水管的補水能力造成影響。

某建筑生活供水分為低區、中區、高區三個壓力供水區,低區為利用市政壓力直供,中區和高區由各自的變頻定壓設備供水。 變頻定壓設備從地下水箱間設置的生活水箱吸水為各自的供水區供水。 供水示意圖見圖3。

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

按照圖3 的供水模式,以水箱進水管出口中心水平面為基準面,列出1-1 過水斷面與排出口2-2過水斷面的總流柏努利方程,本建筑低區最大時流量計算值為45 m3/h,經計算,B 點水池進水口管內流速為1.88 m/s,低區供水達到最大流量時的生活水池最大補水流量為53 m3/h。 可見在低區生活用水達到最大時流量時,水箱進水管的補水能力相對于引入管單獨為水箱補水的情況下降約40%。

各壓力供水區設計流量經用水定額計算見表2。 在低區用水達到最大時流量時,水箱進水管的補水能力不僅遠小于中區和高區的“最大時用水量”之和,而且也已經小于中區和高區的“平均時用水量”之和。 這種情況下,生活水池補水能力始終小于中高區供水設備的出水量,水池存在被“吸干”的風險,且由于水箱的補水會增大系統壓力損失,也會引起低區供水點的壓力下降[2]。 根據《建筑給水排水設計標準》,設計補水量不宜大于建筑物最高日最大時用水量,且不得小于建筑物最高日平均時用水量。 需考慮優化引入管及水箱進水管的設計,如再增加一路水池的進水管,或采取再放大引入管和水箱進水管的管徑等措施。

表2 某醫療建筑生活用水量統計Tab.2 Statistics of domestic water consumption in a medical building

3 結語

引入管的補水能力是建筑物供水可靠以及合理用水的關鍵。 在工程設計中,應結合具體情況對引入管的補水能力進行核算。 在市政壓力較低時,應復核水箱補水管的補水能力是否滿足加壓供水區的平均時流量,同時復核生活水箱補水時對低區管網直接供水部分用水點壓力衰減的影響程度并采取必要的技術措施;在市政壓力較充足時,應復核并控制水箱補水管的出口流速不易過大,削弱引入管瞬時通過較大補水流量對市政管網的影響。