Hydraulic Calculation of Water Supply Line for Residential Building
Huang Yunfei et al
Abstract: Minute hydraulic calculation was conducted for newly constructed multi-story residential buildings. The size and headlosses of the water supplying pipeline and meters under pre-decided flowrate were obtained and then the necessary pressure of outdoor water mains could be determined. Also some related problems were discussed.
0 概述
规范GBJ15-88(简称规范)第2.6.3条规定：给水管的管径应根据设计秒流量、室外管网能保证的水压和最不利处的配水点所需的水压计算确定。本文通过设定的典型住宅生活给水管的水力计算，谋求在一定的流速范围内，可供压力与管道、水表配置的协调，达到使用要求与工程经济的最佳组合。
1 典型住宅的设定
选用常州市在住宅小区规划设计中常用的5层～7层多层住宅。为寻找规律性，计算外延至9层。
采用常州市当前新设计住宅常用的设备配置标准，如表1。
表1 住宅给水设备的配置和当量采用
| 设备名称 |
配置数量 |
规范给水当量 |
| 住宅厨房洗涤盆 |
1 |
(0.7)1.0 |
| 洗脸盆 |
1 |
(0.8)1.0 |
| 浴盆(附淋浴器) |
1 |
(0.1)1.5 |
| 大便器浮球阀式冲洗水箱 |
1 |
0.5 |
| 家用洗衣机 |
1 |
1.2 |
| 合计 |
|
(4.2)5.2 |
注：不计一户双卫。
按规范，前3项括号中的值，用于有热水供应(第3类住宅)且冷水和热水分别到达用水器具时计算冷水系统用。笔者考虑，目前南方地区有集中式热水供应的小区较罕见，但家用燃气式或电热式热水器在新的成套住宅中实际上已被越来越多地采用，住宅设计应正视这个事实。这些“准热水供应系统”较多采用单管供应热水，其给水当量值采用不带括号的数字。
这里选用目前较多使用的1梯(单元)2户，给水双立管，1总表和每户设分水表(户表)的3梯(单元)楼。室外(庭院)管布至山墙间道路(通常在该路上有城市或小区给水干管)，其长度按较典型的楼房设计取值。本算例设定的给水系统图见图1。
图1 住宅给水系统图
以目前仍广泛采用的镀锌钢管为水力计算依据，并以UPVC管作对比说明。
2 设计公式与参数
按规范，住宅设计秒流量q=α. 0.2 +K . Ng。这里α和K值的采用，如按第2类型住宅(无热水供应)，则α=1.02，K=0.004 5；如按第3类型住宅(有热水供应)，则α=1.10,K=0.005。考虑到α、K值均与用水规律有关，上述的准热水供应系统和社会集中热水供应系统在档次上还有区别，故仍采用第2类住宅标准，即α=1.02,K=0.004 5。
住宅需要水压H1=控制点与室外给水管道的几何水头H2+供水至控制点的水头损失H3+控制点所需的自由水头H4。
(1)控制点及其安装高度的确定。按规范，家庭用水器具以淋浴器的控制阀(图1中A)需要的自由水头最大，为2.5m～4.0m，高于其它用水器具的1.5m～2.0m，理应作为控制点。按标准图905342，与浴盆配套使用的软管式淋浴器的A点安装高度为地板以上0.510m～0.565m，本算例采用0.55m。
(2)H3为图A系统总水头损失，含BC、CD、DE、EF、FG、GH等6个管段的水头损失。各管段按常规配置了弯头、三通等配件，考虑到水力计算的简化及阻力较大的管衬还时有使用等因素，假设各管段均设有1只大小头。
(3)H4在这里指淋浴器需要的自由水头，可用两种方法具体确定。一是参照规范，范围为2.5m～4.0m，考虑到顶层(最不利层)不宜使用大阻力淋浴器，可采用H4=3.0m；二是按屋顶水箱安装高度反算，按江苏通用图集苏G9206，住宅水箱安装高度为水箱内底高于屋面0.72m，换算至淋浴器控制阀处的净水头为2.9+0.72-0.55=3.07m。两种方法基本一致，故本算例采用H4=3.0m。
按上述设定条件和系统图，本水力计算范围，起点为住宅楼给水支管(即庭院管)的起点H，终点为末单元顶层住户的淋浴器控制阀A，其需要自由水头3.0m。当控制点A转换成安装高度为1m的户表后侧B点时，需要的自由水头H4=3+0.55-1=2.55m(这里不计室内管道的水头损失)。当住宅室内外地坪高差0.45m(3个踏步级)，不计室外管道埋深，住宅层高为2.9m，则5、6、7、8、9层的H2分别为13.05m、15.95m、18.85m、21.75m和24.65m。
3 水力计算
3.1 管道设计流速V的采用
按规范，生活给水管V 2m/s，并规定当有防噪声要求且管径DN≥25，可采用0.8m/s～1.0m/s。《给水排水设计手册》(2)还规定，生活给水管道流速一般采用支管0.8m/s～1.2m/s，干管1.2m/s～2.0m/s。本算例水力计算按3个流速系列(方案)分别计算，设定的流速系列见表2。
表2 流速方案设定
| 流速方案 |
DN≥25 |
DN≥32 |
| 1 |
1.20 |
1.40 |
| 2 |
1.40 |
1.65 |
| 3 |
1.65 |
1.90 |
3.2 管道水头损失
沿程损失查《给水排水设计手册》(1)的钢管和铸铁管水力计算表。局部损失采用局阻系数ξ法计算。表3为9层住宅楼的水力计算，其BC段含5～8层相应段的计算。表4为5～8层的CH段水力计算。
表3 九层住宅楼水力计算
| 管段编号 |
当量 |
q/L/s |
方案 |
DN/mm |
V/m/s |
1 000i |
l/m |
沿程压损/m |
ξ值 |
局部压损/m |
备 注 |
B-C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 1 |
5.2 |
0.49 |
1～2 |
25 |
0.94 |
113 |
2.9 |
0.33 |
1.84 |
0.08 |
闸门0.5，弯头1.0，大小头0.24，三通0.10。 |
| 3 |
20 |
1.55 |
411 |
1.19 |
0.23 |
| 2 |
10.4 |
0.70 |
1 |
32 |
0.74 |
49.5 |
2.9 |
0.14 |
0.34 |
0.009 |
大小头0.24
三通0.10 |
| 2～3 |
25 |
1.32 |
214 |
0.62 |
0.03 |
| 3 |
15.6 |
0.88 |
1～3 |
32 |
0.92 |
75 |
2.9 |
0.22 |
0.34 |
0.015 |
同2 |
| 4 |
20.8 |
1.02 |
1～3 |
32 |
1.10 |
100 |
2.9 |
0.29 |
0.34 |
0.02 |
同2 |
| 5 |
26.0 |
1.16 |
1～3 |
32 |
1.22 |
126 |
2.9 |
0.36 |
0.34 |
0.03 |
同2 |
| 6 |
31.2 |
1.28 |
1～3 |
32 |
1.35 |
142 |
2.9 |
0.41 |
0.34 |
0.03 |
同2 |
| 7 |
36.4 |
1.39 |
1 |
40 |
1.11 |
88.4 |
2.9 |
0.26 |
0.34 |
0.02 |
同2 |
| 2～3 |
32 |
1.48 |
184 |
0.53 |
0.04 |
| 8 |
41.6 |
1.51 |
1 |
40 |
1.19 |
101 |
2.9 |
0.29 |
0.34 |
0.02 |
同2 |
| 2～3 |
32 |
1.58 |
211 |
0.61 |
0.04 |
| C-D |
46.8 |
1.61 |
1～2 |
40 |
1.27 |
114 |
4.0 |
0.46 |
2.74 |
0.23 |
闸门0.50，弯头1.0，大小头0.24，分流式三通1.0 |
| 3 |
32 |
1.69 |
240 |
0.96 |
0.40 |
| D-E |
93.6 |
2.39 |
1～3 |
50 |
1.13 |
64.5 |
4.0 |
0.26 |
3.50 |
0.23 |
闸门0.5，弯头(3只)3.0 |
| E-F |
93.6 |
2.39 |
1～3 |
50 |
1.13 |
64.5 |
16.0 |
1.04 |
0.34 |
0.02 |
同2 |
| F-G |
187.2 |
3.63 |
1～2 |
70 |
1.03 |
39 |
16.0 |
0.62 |
0.34 |
0.02 |
同2 |
| 3 |
50 |
1.71 |
148 |
2.37 |
0.05 |
| G-H |
280.8 |
4.68 |
1～3 |
70 |
1.33 |
64 |
16.0 |
1.02 |
2.90 |
0.26 |
闸门0.4，弯头(2只)2.0三通0.5 |
表4 5～8层住宅楼CH段水力计算
| 管段编号 |
当量 |
q/L/s |
方案 |
DN/mm |
V/m/s |
1000i |
l/m |
沿程压损/m |
ξ值 |
局部压损/m |
| C-D段 |
5层 |
26 |
1.16 |
1～3 |
32 |
1.22 |
126 |
4.0 |
0.50 |
2.74 |
0.21 |
| 6层 |
31.2 |
1.28 |
13 |
32 |
1.37 |
159 |
0.64 |
0.23 |
| 7层 |
36.4 |
1.39 |
1/2～3 |
40/32 |
1.10/1.47 |
87/182 |
0.35/0.73 |
0.17/0.32 |
| 8层 |
41.6 |
1.51 |
1/2～3 |
40/32 |
1.19/1.58 |
101/211 |
0.40/0.84 |
0.20/0.35 |
| D-E段 |
5层 |
52 |
1.70 |
1～2/3 |
40/32 |
1.32/1.79 |
129/271 |
4.0 |
0.52/1.08 |
3.5 |
0.31/0.57 |
| 6层 |
62.4 |
1.89 |
1/2～3 |
50/40 |
0.98/1.51 |
41.8/161 |
0.18/0.64 |
0.17/0.64 |
| 7层 |
72.8 |
2.07 |
1/2～3 |
50/40 |
0.98/1.64 |
50/186 |
0.20/0.74 |
0.17/0.48 |
| 8层 |
83.2 |
2.23 |
1～2/3 |
50/40 |
1.06/1.80 |
56/234 |
0.22/0.94 |
0.20/0.58 |
| E-F段 |
5层 |
52 |
1.70 |
1～2/3 |
40/32 |
1.35/1.79 |
129/271 |
16.0 |
2.06/4.33 |
0.34 |
0.03/0.06 |
| 6层 |
62.4 |
1.89 |
1/2～3 |
50/40 |
0.98/1.51 |
41.8/161 |
0.67/2.58 |
0.017/0.04 |
| 7层 |
72.8 |
2.07 |
1/2～3 |
50/40 |
0.98/1.64 |
50/186 |
0.80/2.98 |
0.02/0.05 |
| 8层 |
83.2 |
2.23 |
1～2/3 |
50/40 |
1.06/1.80 |
56/234 |
0.90/3.74 |
0.02/0.06 |
| F-G段 |
5层 |
104 |
2.55 |
1～3 |
50 |
1.20 |
73 |
16.0 |
1.17 |
0/34 |
0.02 |
| 6层 |
124.8 |
2.84 |
1～3 |
50 |
1.35 |
90 |
1.44 |
0.03 |
| 7层 |
145.6 |
3.12 |
1/2～3 |
70/50 |
0.88/1.46 |
29.1/107 |
0.46/1.71 |
0.01/0.04 |
| 8层 |
166.4 |
3.38 |
1/2～3 |
70/50 |
0.96/1.60 |
34.5/128 |
0.55/2.05 |
0.02/0.04 |
| G-H段 |
5层 |
156 |
3.25 |
1/2～3 |
70/50 |
0.82/1.53 |
32/118 |
16.0 |
0.51/1.89 |
2.90 |
0.10/0.35 |
| 6层 |
187.2 |
3.63 |
1～2/3 |
70/50 |
1.02/1.69 |
38.4/144 |
0.61/2.30 |
0.15/0.42 |
| 7层 |
218.4 |
3.99 |
1～2/3 |
70/50 |
1.13/1.88 |
46.8/177 |
0.75/2.83 |
0.19/0.52 |
| 8层 |
249.6 |
4.34 |
1～3 |
70 |
1.23 |
54 |
0.86 |
0.41 |
3.3 水表水头损失
水头损失 ，Q为以m3/h计的设计流量，K为水表的特性系数，口径为DN15mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm、80mm的LXS旋翼式水表的K值的计算结果分别为0.9、2.5、4.9、10、40、90、490。按规范，LXS型水表的最大水头损失不得超过2.45m。水表水力计算见表5。
表5 水表水力计算
住宅
层数 |
所在
管段 |
q
/L/s |
Q
/m3/h |
Q2 |
表径
/mm |
K值 |
V
/m/s |
水表压损
/m |
户表
|
BC段
之① |
0.49
|
1.76
|
3.11
|
(25
20 |
4.9
2.5 |
0.94
1.55 |
0.63)
1.24 |
| 5
|
D-E
|
1.70
|
6.12
|
37.45
|
(50
40
(32 |
90
40
10 |
0.80
1.32
1.79 |
0.42)
0.94
3.75) |
6
|
D-E
|
1.89
|
6.80
|
46.29
|
40
(32 |
40
10 |
1.51
1.87 |
1.16
4.63) |
7
|
D-E
|
2.07
|
7.45
|
55.50
|
(50
40 |
90
40 |
0.98
1.64 |
0.62)
1.39 |
8
|
D-E
|
2.23
|
8.00
|
64.00
|
(50
40 |
90
40 |
1.06
1.80 |
0.71)
1.60 |
9
|
D-E
|
2.39
|
8.60
|
73.96
|
50
(40 |
90
40 |
1.13
1.91 |
0.82
1.85) |
确定水表口径时综合考虑下列因素：一是户表一般安装在室内，必须考虑其噪声问题；二是表径的大小直接关系到向供水部门缴纳增容费的多少；三是水表的更换比较容易。为此本算例按适度从紧、稍留余地的原则，具体采用：户表流速1.6m/s，压损1.5m；总表流速1.8m/s，压损1.7m。表5中不带括号者为本算例所采用，不再作方案比选。
汇总以上计算结果，住宅给水管道水头损失及对供水压力需求值见表6。
表6 水头损失及压力需求汇总
| 住宅层数 |
流速方案 |
几何
水头
H2 |
水头损失H3 |
控制点
自由水
头H4 |
住宅需
要水头
H1 |
| 管道 |
水表
(户表+
总表) |
合计 |
| 沿程 |
局部 |
| 5 |
1 |
13.05 |
5.74 |
0.794 |
2.18 |
8.714 |
2.55 |
24.314 |
| 2 |
7.10 |
1.065 |
10.345 |
25.945 |
| 3 |
11.29 |
1.505 |
14.975 |
30.575 |
| 6 |
1 |
15.95 |
4.88 |
0.751 |
2.40 |
8.031 |
2.55 |
26.531 |
| 2 |
7.73 |
1.265 |
10.895 |
29.395 |
| 3 |
10.28 |
1.685 |
14.365 |
32.865 |
| 7 |
1 |
18.85 |
4.31 |
0.744 |
2.63 |
7.684 |
2.55 |
29.084 |
| 2 |
9.14 |
1.285 |
13.055 |
34.455 |
| 3 |
12.08 |
1.765 |
16.475 |
37.875 |
| 8 |
1 |
21.75 |
4.94 |
1.054 |
2.84 |
8.834 |
2.55 |
33.134 |
| 2 |
7.63 |
1.265 |
11.735 |
36.035 |
| 3 |
12.05 |
1.835 |
16.725 |
41.025 |
| 9 |
1 |
24.65 |
5.70 |
0.984 |
2.06 |
8.744 |
2.55 |
35.944 |
| 2 |
6.77 |
1.045 |
9.875 |
37.075 |
| 3 |
9.88 |
1.395 |
13.335 |
40.535 |
4 讨论
(1)对于生活给水系统，规范中有“当有防噪声要求，且管径≤25时，可采用0.8m/s～1.0m/s”的规定。笔者理解，因受管道公称直径级别的限制，该流速规定并非一定要在该范围内取值(这实际上往往是不可能的)，而是能取该值更好。本算例确定的流速方案，以不大于某值来划分。以本算例9层住宅楼为例，3个方案的实际采用流速的平均值为：DN≤25时，分别为0.94m/s、1.13m/s和1.44m/s；DN≥32时分别为1.08m/s、1.26m/s和1.41m/s。
(2)在设定的流速条件下，住宅楼(含通常情况下的庭院管道)的层数与需求水压的关系见表6。受管径公称级别的限制有个别的突起突降现象，但总的反映较为规律。与手册二提出的按层数估算需求水压值比较，后者相当于本算例流速方案1与方案2之间。而估算法没有明确室外需求水压出现在哪一部位，需求水压值内是否包含了庭院管道及几只水表的压损，所以只能用于粗略的大概估算。
由本算例可知9层住宅楼的底层用户(即C点)水压，即使第3方案也没有超过35m，无需减压。
关于3个流速方案的具体采用，笔者以为在一般情况下宜采用需求水压较低的方案1，这也为用水设备进一步改善留有余地。当设计的住宅位于水压有确切保障的区域(小区)，也可采用方案2，方案3则一般不宜采用。
(3)当外界可供水压在采用方案1时仍显有所不足，则应在方案1的基础上放大部分管段特别是优先放大管径较小的上部管段，不仅效果显著(在同样流速下，DN20较DN50的阻力比约为4∶1)，且可减小噪音。
(4)关于管道的局阻，本例有意按配置的管件逐段计算。统计结果显示局损与沿损的平均比值为：当不计表损时，5层住宅为14%，9层住宅为15%；当计及表损时，5层住宅为27%，9层住宅为38%。后者的两个比值比较接近于规范值(生活给水系统为25%～30%)。但规范未说明是否含水表，含几个水表，是否含户内管道，故也是个很粗的估算。
(5)本算例设定的准热水系统，其流量如何计算(Ng、α、K的取值)规范未提及，但实际上使用很普遍，很多是由用户在装修阶段自己搞的，故应予考虑。算例是对流量计算处理的一种探索。
(6)关于方案间的造价比较问题，以8层住宅楼为例，方案1跟方案2和方案3比，分别增大管径3段和6段，增加造价(以管道重量计)23%和27%。这对于建筑造价的影响几乎可以忽略，但取得的减压效果(分别为2.9m和7.9m)有时是举足轻重的。
(7)本算例采用钢管，但也对采用塑料管进行粗略验算。因管道阻力减小(局部阻力和水表阻力不变)，同样的需求水压，50%～60%的管段可相应缩径一号。或者说在流量0.5L/s～5.0L/s和管径20mm～70mm范围内，流量管径均相同时，塑料管的水力坡降(或沿损失)约为钢管的1/4。
作者通讯处：213003 常州市安罗巷10号
常州市规划设计院
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