建筑小区环状给水管网系统探究及管网平差计算实例

郝 晋

(基准方中建筑设计股份有限公司, 四川成都 610000)

0 引言

实际工程中小区环状给水管网普遍长度较长,其管径的设置对其造价的影响势必就会比较大。那么是否设置环状管网,以及环状管网的管径如何确定就显得极为重要。

1 相关政策规定

1.1 新旧规范要求对比

GB 55020-2021《建筑给水排水与节水通用规范》(以下简称《节水规范》),第3.2.3条要求室外给水管网布置成环状供水的形式,新旧规范相应要求的对比如表1所示。

表1 新旧规范相应要求对比

1.2 相关解读

1.2.1 是否只针对室外埋地敷设的管道

根据《节水规范》中3.2.3条条文解释可知,此条文的编制目的是为了“提高供水安全性,减少由于枝状布置产生的死水区,提高供水水质”。原文虽只针对室外给水管网,但管网于室外敷设与地下室敷设对于供水系统的效果其实并无实质性差别,故笔者认为对于所有直供区给水干管(包括管道在地下室敷设时)均需按此条执行采用环状管网布置,且应尽量设置两根市政引入管。特殊情况再特殊考虑,如小区为单栋建筑,可视供水点多少灵活掌握;如整个项目只有一处供水点,环状布置浪费管材,且反而易造成死水区,此时可与当地外审提前沟通后确定。

1.2.2 市政直供的环网敷设在室外埋地还是地下室

由于总平埋地施工为隐蔽工程,施工质量不易保证及验收,且总平施工单位普遍较主体施工单位专业性差,后期管道漏损也不易发现,且存在后期检修不便等问题,故大多数甲方要求将环网敷设于地下室。

此处应注意:当环网管径超过DN150时,应综合项目实际情况:①给水环网在地下室敷设时应结合地下室管综情况,是否对净高要求带来不便;②地下室人防区域情况,若给水环网在地下室敷设穿人防墙过多,人防套管及阀门太多,则经济性较差。

1.2.3 环管管径如何确定

结合GB 50015-2019《建筑给水排水设计标准》第3.13节,小区室外给水章节,其中的3.13.6条,首先应注意,此条规定主要针对室外给水管网,非所有直供区管网,故笔者认为:

(1)室外埋地敷设的环状管网;地下室敷设但不满足管网平差计算要求(详后续详细章节)的项目应不作变径。

(2)地下室敷设的环状管网,满足管网平差计算要求的项目,建议优化环网管径(后续章节详细介绍)。

2 枝状管网与环状管网的区别

枝状网与环状网的特点对比详见表2。

表2 枝状网与环状网特点对比

3 管网平差的含义

管网平差——指在环状管网水力计算中,为消除各环路水头损失的闭合差,通过调整流量分配再进行计算的过程。

3.1 相关解读

3.1.1 水头损失闭合差如何产生

在并联管路中,水流由一个节点沿两条管线流至另一个节点时的水头损失应是相等。所以在一个环内,如以顺时针水流方向的各管段水头损失为正值,以逆时针水流方向的各管段水头损失为负值,则两者的代数和应等于零。但初步流量分配不当时,往往不能使各个环路正、负水头损失之和为零,所以产生了环路水头损失闭合差。

为此要将各管段分配的流量进行调整,以使闭合差等于零或使其收敛在规定的允许范围内。

3.1.2 管网平差的计算原理

管网平差的计算原理是基于质量守恒与能量守恒(图1),通过列出连续性方程和能量方程进行求解,目的就是在已知各个节点流量的条件下,求出各管段的流量(需要确定水流方向),确定各管段管径以及全部的节点水压。

图1 管网平差计算原理关系

3.2 环状网水力计算关键点——闭合差与校正流量hij

闭合差的计算:假定各环内水流顺时针方向的水头损失为正,逆时针方向的水头损失为负,据此计算该环内各管段的水头损失代数和,即该环第一次闭合差∑hij。

需要注意:

(2)注意分式之前的“-”及分母中的系数“n”。负号表示闭合差与校正流量的方向相反。若闭合差为正,说明正向水流量分配过多,需要减小正向分配的水量(即为校正流量)。

以2007年注册给排水专业案例考试真题为例,可清楚理解其闭合差及校正流量的相互关系。

(3)某配水环状管网,经初步流量分配及采用海曾·威廉公式计算结果见图2,求一次平差计算后,管段②—⑤的流量计算值约为下列何项?[D]

图2 注册给排水专业案例考试真题

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

主要解答过程:

I环内:

△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环内:

△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,哪些项目的管网具备连续性方程原则?

3.3 给水节点秒流量计算方式

GB 50015-2019《建筑给水排水设计标准》 3.7节,设计流量和管道水力计算中有3种方式:出流概率法(住宅)、当量法(用水情况较分散的建筑)、器具使用百分数法(用水情况较集中的建筑)。从3种类型的公式可以看出,前2个公式,秒流量的计算与卫生器具数量或者用水人数不是简单的叠加关系,即节点流量1+1≠2,Q加压区≠Q超高区+Q高区+Q中区,详见表3。即,不满足连续性方程原理。

表3 常规住宅加压区流量计算

只有第3个公式中的建筑可满足连续性方程原理要求,即每个节点的分别计算流量相加=总引入管流量。

4 环状管网进行管网平差计算的意义

实际工程中有的直接采用设计秒流量来确定环管的管径(表4、表5)。有的虽然将流量进行了分配,但是没有进行环网平差(仅凭经验配置管径),而如果不进行管网平差计算,得到的结果是不准确的。

表4 常规项目引入管计算

表5 常规项目最不利用水点水头校核低区最不利用水点水头校核(最不利点(栋一层))

5 管网平差的计算思路及方法

5.1 环网怎么确定管径

5.1.1 枝状管网流量

通过末端节点流量反推各管段流量,从而确定管径(图3),管段56流量0.01074=管段67流量0.00367+节点6的流量0.00707,以此类推。

图3 枝状管网节点及管段流量关系

5.1.2 环状管网流量

5.1.2.1 环状管网流量计算步骤

(1)找到最不利点(保证最不利点水头达到需求,其余点便均能达到要求)。

(2)最不利点(或任意点)左右两端流量分配后的管损应相同,即左右两端供水无水头不足或水头富裕的情况,即正向水流量和逆向水流量闭合差为零。

(3)再通过最不利点(末端)节点流量反推各管段流量及确定管径。

5.1.2.2 延伸思考

(1)当最不利点形成时,环网达到最大秒流量时,其余节点的供水状态。

(2)当最不利点未形成,环网未达到最大秒流量时,其余节点的供水状态。

综合以上章节分析,可以知道,当最不利点形成时,即管网流量达到最大秒流量,此时最不利点节点由环网两端按管网平差分配的流量共同供水,其余节点则倒推为单向供水;反之,当管网流量未达到最大秒流量时,即此时管网不存在最不利点,管网内所有节点的供水方向不确定。

管网平差计算的目的就是在已知各个节点流量的条件下,求出各管段的流量,确定各管段管径以及全部的节点水压。但在实际工程中,由于管段、节点众多,通常只能借助计算机进行计算。

5.2 利用管网平差计算的基本思路

5.2.1 确定节点流量

根据《建水标》3.7.8公式进行计算,需要指出的是在有延时自闭阀大便器的管段计算时要满足规范上小注的规定(延时自闭阀大便器需要单列计算,当计算值小于1.2 L/s时取1.2 L/s,反之取计算值),这就导致了在选择节点的时候要特别注意如何选择才能保证连续性方程的问题。例如:2个卫生间的延时自闭阀大便器数量分别均为10个,延时自闭阀大便器的同时出流概率按5%,如果将这2个卫生间单独视为节点,则这2个节点的流量按照规范计算出来分别均是1.2 L/s,2节点者之和为2.4 L/s,但若将这2个卫生间视为一个节点后,计算流量值却是1.2 L/s,这就不符合连续性原理和能量守恒原理了。

商业(餐饮)项目流量计算中也是同样的道理。在不知道厨房具体布置时,餐饮商铺的秒流量通常按最大时流量乘以1.3～1.5的系数,当一个20 m2的商铺,最大时流量为0.11 m3/h,折算成秒流量为0.11×1.5=0.165 L/s,小于一个洗涤盆的额定流量0.2 L/s,此时若将每个餐饮商铺划分为一个节点,最小流量按0.2 L/s,相加后的流量则会远远大于引入管流量(表6)。

表6 卫生器具的给水额定流量、当量、连接管公称尺寸和工作压力

因此,在计算节点流量时,应尽量以每一个满足能量守恒的用水点(区域)为节点,保证每个节点的流量相加后尽量等于总流量,切勿出现相互抵消或者相互叠加的情况,这样的计算在工程中才足够精确。

5.2.2初步假设每个管段的管径

这个步骤比较重要,取决于设计人的工作经验,若假设的管径合理,可以大大减少后续调整管径的工作量。

5.2.3系统图标注数据

根据选择的计算节点,标注每个节点的位置标高,节点流量以及各管段的管长及假设的管径(图4)。

图4 系统图节点及管段信息补充示意

5.2.4平差软件输入数据

将系统图及各节点、管段信息输入到平差软件中,见图5。

图5 平差软件模型输入示意

5.2.5管网平差计算

输入各项信息后即可进行平差计算,平差计算的结果将会显示每一个用水节点的水压值,每段管段的水流方向,水力坡降以及分配的流量。

5.2.6调整管径

得到平差计算的结果后,我们能非常直观的得到每一个用水节点的水力学信息,水流方向,通过水流方向基本可判断最不利点,若有节点不能满足卫生洁具正常使用时的水压要求,则需要调整相关管段最开始假设的管径值,然后再次进行平差直到结果满足要求。(最不利点水压有余量时调小管径,不够时增大管径)。

6 管网平差计算工程实例—白鹭湾数字总部港建设项目(3号地块)

管网平差计算过程：

(1)将系统原理图导入模型,根据各节点管段流量初步分配管径(图6)。

图6 系统模型及管径分配

(2)根据系统原理图中节点及管段信息,在模型中录入管段及节点信息(同5.2.4节)。

(3)一次平差后节点情况。根据系统原理图及模型中的水流方向、远近程度、节点所在位置高度情况,初步判断最不利点为:节点21、22、31(图7)。

图7 系统原理图中最不利点情况示意

其中,节点31,水头17.46m(图8)。节点22,水头16.3m(图9)。

图8 节点31在模型中计算结果

图9 节点22在模型中计算结果

(4)根据(最不利点)节点水头余量,初步调小管径(图10)(按照末端水头不小于15m的原则)。

图10 初步调整后模型中计算结果

可见初步调整后,此时节点31水头不足15m,故再适当增大前段管径,结果见图11。

图11 反复调整后最不利点模型中的计算结果

(5)如此反复调整后,最终成果见图12。

图12 反复调整后模型中的最终计算结果

(6)与初步分配的管径对比见图13(灰色为经过平差后优化的管径)。

图13 平差计算前后管径对比

7 结束语

综上,管网平差在环状给水的系统中是确定管径的理论依据,在实际的设计中,未经过平差的管网设计偏于保守,在进行管网平差计算之后,管径通常能减小1到2号,在给水干管需布置成环网的给水系统中,若能将主要的环管或局部的环管管径减小1到2号,那带来的造价节约是很大的。