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建筑物超压出流理论数据水力分析调查孙晨皓

发表时间：2020/11/4 来源：《建筑模拟》2020年第11期作者：孙晨皓

[导读] 所谓超压出流，即当供水分区各配水点用水器具水压超过一定值限（静压强水头超出其额定流出水头，或其供水压力超过一定数值），导致用水器具出流量大于其额定流量的现象。若不采取减压限流措施，用水器具实际出流量会达到其额定流量的2～5倍，由于该超出的水量通常不易为用水者注意，且并未产生实际使用效益，因而造成了水资源隐形浪费。

        潍坊市市政公用事业服务中心
        一、前言
        所谓超压出流，即当供水分区各配水点用水器具水压超过一定值限（静压强水头超出其额定流出水头，或其供水压力超过一定数值），导致用水器具出流量大于其额定流量的现象。若不采取减压限流措施，用水器具实际出流量会达到其额定流量的2～5倍，由于该超出的水量通常不易为用水者注意，且并未产生实际使用效益，因而造成了水资源隐形浪费。
        二、超压出流研究现状
        目前国内对涉及超压出流的基础数据统计和研究稍显薄弱，针对超压出流现象大多“知其然，不知其所以然”，只能给出笼统的解决方法，缺乏系统基础理论研究。对此，笔者尝试从明确超压及节水出流概念角度上，通过水力计算的方式，力图从理论层面上对建筑物用水器具超压出流现象作出解释。
        三、水压跟流量的关系
        （一）静水压跟流量关系

        如图，假设水泵扬程为H，水泵到入户管处层高为Z，水头损失为   分别为入户管处及水嘴处流速，2—2断面处静水压为P2，则：
                   ①
        当该供水分区最不利点水龙头开启，水流动，则2—2断面处动水圧为，列1—1、2—2断面伯努利方程：

        由①、②可得：

        列2—2、3—3断面伯努利方程： ④其中为入户管至水嘴处水头损失，P3为水嘴出压强，即大气压强，为恒数，由③、④可得：

        由公示⑤可知，水嘴处流速跟入户管处静压强P2成正比。
        又水嘴出流量，其中S为水嘴截面积，可得水嘴出流量Q跟入户管处静压强P2亦成正比关系：


        综上所述，用水器具水嘴出流量与入户管处静压强为幂数为的增函数关系，即入户管处静压强越大，用水器具流出水量越多。
        （二）动水压跟流量关系
        根据《民用建筑节水设计标准》（GB 50555-2010）条文说明4.1.3所载北京建筑工程学院关于动水压（）与流量数据曲线分析可得，水嘴出流量跟入户管处动水压强亦成正比关系。
        （三）给水系统作用水头
        对于建筑给水系统而言，系统水头损失以沿程损失为主，局部损失和流速水头的总和同沿程损失相比很小，可以忽略不计，故高层建筑给水系统可以近似为简单管道长管出流，而根据长管出流基本公式：，其中H、a、l、q分别为为作用水头（水泵扬程或屋顶水箱高差）、比阻、管长、流量，则：

        由公示⑥可知，阀芯开启时，水嘴出流量实际与给水系统作用水头（H）亦成正比关系。
        （四）作用水头、静水压、动水圧
        实际上，给水系统作用水头（H）才是用水器具水嘴出流量大小变化的最根本原因，而与入户管处管段过流断面水压（静水压P2和动水压）无关，管段过流断面水压实际上是给水系统作用水头在此处产生的圧能（压强水头）而已。但在工程实践中，给水系统作用水头（H）在建筑给排水设计阶段即已确定，后期不可更改；而入户管处动水压力值受高层建筑物瞬时用水量、水泵扬程、管道空气动力条件等影响易于变动，其数值是动态变化的，而高层建筑给水系统在水泵稳压装置或屋顶生活水箱稳压状态下，由于管道流速为零，静水压力数值稳定且易为测得。故笔者认为，在规划设计施工中，宜将静水压力值，作为测定和研究管道水压与超压出流关系、设计高层给排水分区、设置减压限流装置的依据。
        四、对策研究
        （一）建立给水系统流量和压强数学经验公式
        在流体力学中不存在关于压强和流量的数学公式，诸如建筑物瞬时秒流量对水泵扬程的影响、生活水箱水位的升降以及给水系统管路压力条件的变化等因素均会引起入户管水压值的不确定性，但通过综合系统各种因素，推算建立流量和压强的数学经验公式，却是行得通的。笔者建议有条件的地区或者严重缺水城市，应该组织相应的专业技术力量，通过长期而细致的测量和统计，建立符合本地区供水节水实际的关于流量和压强的数学经验公式。
        （二）制定绿色建筑节水值限
        相关供水节水管理部门应该根据我国水情，或当地供水实际，建立建筑物用水器具节水值限的概念，即在有条件的地区或者严重缺水城市，通过理论和实测等方式，根据建筑物使用性质及给水系统供水方式等特点，确定不同功能建筑物用水器具的节水流量值限（流量数值上限）和维持节水流量值限所需压强值限（压强数值上限，笔者建议以确定静水压力值限为准），并写入建筑给排水设计规范条目，以强制已建、新建和改建建筑给水系统通过必要的减压限流措施，确保用水器具依节水值限标准出流，从而杜绝水嘴超压出流现象的发生。
        （三）减压限流
        根据前文所述，给水系统入户管处水压过高是导致建筑物用水器具超压出流的主要原因。对于新建建筑给水系统，应合理做好给水分区，精确选定供水设施，并严格按照现行规范《民用建筑节水设计标准》（GB 50555-2010）4.1.3条规定，选定合适的减压阀、减压孔板等减压限流设备，确保各配水点处供水压力不大于0.2MPa。对于老旧小区或已建建筑，严禁使用铸铁螺旋升降式龙头，提倡使用节水型龙头，如陶瓷片密封水嘴，可在水压0.1MPa和管径15mm的情况下，基本实现限流节水。
        五、结语
        以北京建筑工程学院关于普通水嘴和节水型水嘴实测数据为例，一个普通家用节水型水嘴（陶瓷阀芯），当实测动压值为0.17MPa和0.22MPa，静压值为0.3MPa时，半开和全开时最大流量为0.29L／s和0.46L／s，按照水嘴的额定流量q=0.15L／s为标准比较，水嘴在半开、全开时其流量分别为额定流量2倍、3倍，这就是超压出流危害的最直观体现，超压出流造成的水资源隐性浪费已不容忽视，只要加快建筑物用水器具水压、水量基础数据研究和整理，找到符合本地供水节水实际的用水器具水压和水量节水限定值，并强制推广实行，才是解决超压出流的根本途径。
        参考文献：
        1、GB 50555-2010.民用建筑节水设计标准〔S〕
        2、GB 50015-2003.建筑给排水设计规范〔S〕
        3、GB25501-2010.水嘴用水效率限定值及用水效率等级〔S〕
        4、GJ 164-2002.节水型生活用水器具〔S〕