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(qū)環(huán)狀給水管網(wǎng)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(huán)狀管網(wǎng),以及環(huán)狀管網(wǎng)的管徑如何確定就顯得極為重要。

1 相關政策規(guī)定

1.1 新舊規(guī)范要求對比

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

表1 新舊規(guī)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(jù)《節(jié)水規(guī)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(chǎn)生的死水區(qū),提高供水水質”。原文雖只針對室外給水管網(wǎng),但管網(wǎng)于室外敷設與地下室敷設對于供水系統(tǒng)的效果其實并無實質性差別,故筆者認為對于所有直供區(qū)給水干管(包括管道在地下室敷設時)均需按此條執(zhí)行采用環(huán)狀管網(wǎng)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(qū)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(huán)狀布置浪費管材,且反而易造成死水區(qū),此時可與當?shù)赝鈱徧崆皽贤ê蟠_定。

1.2.2 市政直供的環(huán)網(wǎng)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(yè)性差,后期管道漏損也不易發(fā)現(xiàn),且存在后期檢修不便等問題,故大多數(shù)甲方要求將環(huán)網(wǎng)敷設于地下室。

此處應注意:當環(huán)網(wǎng)管徑超過DN150時,應綜合項目實際情況:①給水環(huán)網(wǎng)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(qū)域情況,若給水環(huán)網(wǎng)在地下室敷設穿人防墻過多,人防套管及閥門太多,則經(jīng)濟性較差。

1.2.3 環(huán)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(jié),小區(qū)室外給水章節(jié),其中的3.13.6條,首先應注意,此條規(guī)定主要針對室外給水管網(wǎng),非所有直供區(qū)管網(wǎng),故筆者認為:

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

(2)地下室敷設的環(huán)狀管網(wǎng),滿足管網(wǎng)平差計算要求的項目,建議優(yōu)化環(huán)網(wǎng)管徑(后續(xù)章節(jié)詳細介紹)。

2 枝狀管網(wǎng)與環(huán)狀管網(wǎng)的區(qū)別

枝狀網(wǎng)與環(huán)狀網(wǎng)的特點對比詳見表2。

表2 枝狀網(wǎng)與環(huán)狀網(wǎng)特點對比

3 管網(wǎng)平差的含義

管網(wǎng)平差——指在環(huán)狀管網(wǎng)水力計算中,為消除各環(huán)路水頭損失的閉合差,通過調(diào)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(chǎn)生

在并聯(lián)管路中,水流由一個節(jié)點沿兩條管線流至另一個節(jié)點時的水頭損失應是相等。所以在一個環(huán)內(nèi),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(shù)和應等于零。但初步流量分配不當時,往往不能使各個環(huán)路正、負水頭損失之和為零,所以產(chǎn)生了環(huán)路水頭損失閉合差。

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

3.1.2 管網(wǎng)平差的計算原理

管網(wǎng)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(xù)性方程和能量方程進行求解,目的就是在已知各個節(jié)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(jié)點水壓。

圖1 管網(wǎng)平差計算原理關系

3.2 環(huán)狀網(wǎng)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(huán)內(nèi)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(jù)此計算該環(huán)內(nèi)各管段的水頭損失代數(shù)和,即該環(huán)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(shù)“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(yè)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(huán)狀管網(wǎng),經(jīng)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(yè)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(huán)內(nèi):

△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(huán)內(nèi):

△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(wǎng)具備連續(xù)性方程原則?

3.3 給水節(jié)點秒流量計算方式

GB 50015-2019《建筑給水排水設計標準》 3.7節(jié),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(shù)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(wèi)生器具數(shù)量或者用水人數(shù)不是簡單的疊加關系,即節(jié)點流量1+1≠2,Q加壓區(qū)≠Q(mào)超高區(qū)+Q高區(qū)+Q中區(qū),詳見表3。即,不滿足連續(xù)性方程原理。

表3 常規(guī)住宅加壓區(qū)流量計算

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

4 環(huán)狀管網(wǎng)進行管網(wǎng)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(huán)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(huán)網(wǎng)平差(僅憑經(jīng)驗配置管徑),而如果不進行管網(wǎng)平差計算,得到的結果是不準確的。

表4 常規(guī)項目引入管計算

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

5 管網(wǎng)平差的計算思路及方法

5.1 環(huán)網(wǎng)怎么確定管徑

5.1.1 枝狀管網(wǎng)流量

通過末端節(jié)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(jié)點6的流量0.00707,以此類推。

圖3 枝狀管網(wǎng)節(jié)點及管段流量關系

5.1.2 環(huán)狀管網(wǎng)流量

5.1.2.1 環(huán)狀管網(wǎng)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(jié)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(huán)網(wǎng)達到最大秒流量時,其余節(jié)點的供水狀態(tài)。

(2)當最不利點未形成,環(huán)網(wǎng)未達到最大秒流量時,其余節(jié)點的供水狀態(tài)。

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

管網(wǎng)平差計算的目的就是在已知各個節(jié)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(jié)點水壓。但在實際工程中,由于管段、節(jié)點眾多,通常只能借助計算機進行計算。

5.2 利用管網(wǎng)平差計算的基本思路

5.2.1 確定節(jié)點流量

根據(jù)《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(guī)范上小注的規(guī)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(jié)點的時候要特別注意如何選擇才能保證連續(xù)性方程的問題。例如:2個衛(wèi)生間的延時自閉閥大便器數(shù)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(wèi)生間單獨視為節(jié)點,則這2個節(jié)點的流量按照規(guī)范計算出來分別均是1.2 L/s,2節(jié)點者之和為2.4 L/s,但若將這2個衛(wèi)生間視為一個節(jié)點后,計算流量值卻是1.2 L/s,這就不符合連續(xù)性原理和能量守恒原理了。

商業(yè)(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(shù),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(jié)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(wèi)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(jié)點流量時,應盡量以每一個滿足能量守恒的用水點(區(qū)域)為節(jié)點,保證每個節(jié)點的流量相加后盡量等于總流量,切勿出現(xiàn)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(jīng)驗,若假設的管徑合理,可以大大減少后續(xù)調(diào)整管徑的工作量。

5.2.3系統(tǒng)圖標注數(shù)據(jù)

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

圖4 系統(tǒng)圖節(jié)點及管段信息補充示意

5.2.4平差軟件輸入數(shù)據(jù)

將系統(tǒng)圖及各節(jié)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(wǎng)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(jié)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(diào)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(jié)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(jié)點不能滿足衛(wèi)生潔具正常使用時的水壓要求,則需要調(diào)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(diào)小管徑,不夠時增大管徑)。

6 管網(wǎng)平差計算工程實例—白鷺灣數(shù)字總部港建設項目(3號地塊)

管網(wǎng)平差計算過程：

(1)將系統(tǒng)原理圖導入模型,根據(jù)各節(jié)點管段流量初步分配管徑(圖6)。

圖6 系統(tǒng)模型及管徑分配

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

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

圖7 系統(tǒng)原理圖中最不利點情況示意

其中,節(jié)點31,水頭17.46m(圖8)。節(jié)點22,水頭16.3m(圖9)。

圖8 節(jié)點31在模型中計算結果

圖9 節(jié)點22在模型中計算結果

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

圖10 初步調(diào)整后模型中計算結果

可見初步調(diào)整后,此時節(jié)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(diào)整后最不利點模型中的計算結果

(5)如此反復調(diào)整后,最終成果見圖12。

圖12 反復調(diào)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(jīng)過平差后優(yōu)化的管徑)。

圖13 平差計算前后管徑對比

7 結束語

綜上,管網(wǎng)平差在環(huán)狀給水的系統(tǒng)中是確定管徑的理論依據(jù),在實際的設計中,未經(jīng)過平差的管網(wǎng)設計偏于保守,在進行管網(wǎng)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(huán)網(wǎng)的給水系統(tǒng)中,若能將主要的環(huán)管或局部的環(huán)管管徑減小1到2號,那帶來的造價節(jié)約是很大的。