1、建筑户内配水管布置方式对比测试与研究 赵锂 王睿 王耀堂 李星 乔沐阳 中国建筑设计院有限公司 北京工业大学建筑工程学院 摘 要： 减小建筑户内配水管道内水的停留时间, 是降低或消除建筑户内配水管段对供水水质影响至关重要的措施之一。针对串连、链状、环状户内配管方式, 通过模拟系统实测、分析, 提出了环状配管阻力损失的理论计算方法;实测了相同工况下 3 种配管方式的阻力损失值;对比了 3 种配管方式洁具出流水中余氯、溶解氧的变化规律及配管内水流更新一次的时间。测试结果表明环状配管阻力损失最小, 串连次之, 链状阻力损失最大;环状、链状配管洁具出流余氯和溶解氧均比串连高;配管内水质全部更新一次所需
2、时间环状最短, 链状最长。从节能、节水、保障水质的角度考虑, 户内环状配管为最优, 链状配管适用于洁具少且布置紧凑的卫生间。关键词： 户内配管; 串连; 链状; 环状; 阻力损失; 余氯; 溶解氧; 更新时间; 作者简介：赵锂 通讯处:100044 北京市西城区车公庄大街 19 号 E-mail:zhao_L收稿日期：2017-08-01基金：国家水体污染控制与治理科技重大专项 (2014ZX07406002) Comparative tests and study on layouts of indoor water distribution pipeZhao Li Wang Rui Wan
3、g Yaotang Li Xing Qiao Muyang China Architecture Design Group; College of Civil Engineering, Beijing University of Technology; Abstract： Reducing the water retention time of indoor distribution pipelines is one of the most important measures to reduce or eliminate the impact of indoor distribution p
4、ipe sections on water quality.In this paper, a theoretical method for calculating head loss in ring piping system was proposed through measuring and analysing serial, chain and ring indoor piping systems in a simulation platform.Head loss of three kinds of piping system under the same conditions was
5、 measured.Residual chlorine in the outlet, dissolved oxygen changes and interval of water replenishment in the pipes of the three kinds of piping system were compared.The results showed that the head loss of the ring system was the smallest, followed by the serial system;while the head loss of chain
6、 system was the largest.Both the ring and chain systems had higher residual chlorine and dissolved oxygen in the outlet than the serial system.The interval of fresh water replenishment was shortest in the ring system, while it was longest in the chain system.In general, the indoor ring water distrib
7、ution system is the best option in terms of energy saving, water conservation and water quality protection.Chain pipe is only suitable for compact bathrooms with few sanitary wares.Keyword： Indoor piping; Serial; Chain; Ring; Head loss; Residual chlorine; Dissolved oxygen; Replenishment interval; Re
8、ceived： 2017-08-01目前, 停留时间对供水管网水质的影响已得到了深入研究, 水质保障措施在大的配水管网也较为完善, 但是针对最末端的户内水龙头出水水质的监测极少。若将建筑物内的配水管网比作人体血管系统, 则建筑户内配水管就好比毛细血管, 它是二次供水到达用水点的最后一道屏障, 也是保障最后一公里供水水质的关键点, 因此建筑户内配水管对水质造成的影响不容忽视。研究表明户内末端配管水质的影响因素包括室内温度、管道布置方式、停留时间、管材材质和管径等4。Karin Lautenschlager 等4分别对瑞士 10 户不同区域的家用水龙头停留 12h 后的出水水质进行检测, 分析认为
9、, 被检测的 10户水龙头出水中细菌总数均比各自配水干管中增高一个数量级, 12h 内建筑户内配水管中细菌总数平均每小时的增长速率达 22%;另外, 在建筑户内配水支管中微生物迅速滋长是普遍现象, 当微生物数量增长到一定规模后管壁将形成生物膜, 很难去除, 导致建筑户内配水管网的生物隐患增加。由此可见, 建筑户内配水管引起的水质污染, 将会使水厂处理工艺、二次供水消毒设施等一系列保障饮用水水质的措施功亏一篑。为了降低或避免建筑户内配水管道的水质污染, 应采取相应的措施加以防范, 如减小停留时间、选择优质的给水管材、合理的管道布置方式等。本文重点从建筑户内配水管的布置方式展开研究, 提出了环状配
10、管阻力损失理论计算方法, 实测了串连、链状、环状 3 种不同布置方式配管的阻力损失, 比较了出水余氯和溶解氧的变化趋势、水质更新时间, 并根据测试结果分析了 3 种布置方式的优缺点, 此试验结果将为降低或消除建筑户内配水管段对供水水质影响提供技术支持。1 串连、链状、环状布置方式现阶段, 我国户内给水管的布置方式大部分采用三通串连的敷设形式 (如图 1a) , 该形式节省管材、管件, 施工安装方便, 但使洁具单支管存在滞水现象, 尤其是给水支管在吊顶内敷设时, 洁具的配水支管长达 23m (如图 1b) , 增加了因滞水而引起的水质污染的风险。让配水支管的水流动起来, 降低单支管滞水时间, 形
11、成链状连接如图 1c, 该方式最大的优点是当配水管末端的洁具出流时, 整个配水管中的水更新一次, 缺点是施工较复杂, 增加了管材、管件等。环状连接如图 1d, 任一洁具出流, 配水管内双向供水, 整个配水管中的水更新一次, 该布置方式在任一洁具使用时都能保障整个配水管的水质更新, 也就是减小了配水管内的水质停留时间。3 种配管方式各有利弊, 环状和链状配管均不同程度减小了配管内的滞水区, 但是各自的阻力损失值尚不明确, 环状布置时阻力损失理论计算也无据可寻, 这两种连接方式与串连相比对出水水质的影响尚未明确。图 1 户内配管连接方式 下载原图2 阻力损失理论计算2.1 环状布置阻力损失理论计算
12、方法城市环状供水管网计算最常使用的一种方法是哈代-克罗斯法, 引用此原理4, 以图 1d 布管方式为例, 环状配管阻力损失值理论计算步骤如下:(1) 初步分配环管各管段流量。首先选取环管中额定流量最大的 2 个洁具同时使用时的额定流量叠加值作为环管计算的初始流量, 淋浴器和洗手盆的计算额定流量分别是 0.1L/s 和 0.15L/s, 环管的总流量以 0.25L/s 计, 从管路 L1、L2分别进入的流量各占一半, 定义 L2 路为逆时针方向, 以负数计。预选择 DN25的薄壁不锈钢管, 即:q 1=0.125L/s, q2=-0.125L/s。(2) 管道沿程阻力损失计算, 海澄-威廉系数
13、Ch取 130;管道长度实测值:L1=5.71m, L2=5.58m;分别计算 L1、L 2的沿程阻力损失 h l=Li。(3) 局部阻力损失计算, 局部阻力系数统计详细见表 1;计算各管段局部阻力损失值 h E。(4) 计算管段的摩阻系数 S。由于在大型输配水环管平差计算中沿程阻力损失比局部阻力损失大得多, 摩阻系数计算公式仅与沿程阻力有关, 建筑户内配水管管道系统较小, 其摩阻系数应与沿程和局部阻力损失同时有关, 通过查阅相关资料4确定户内环状配水管摩阻系数计算采用式 (1) :表 1 局部阻力系数统计 下载原表 (5) 根据迭代公式计算环校正流量4, 见式 (2) :式中 q i校正流量
14、, L/s;h i闭合差, m;Si各管段摩阻系数;qi管段流量, L/s。采用式 (2) 进行迭代计算, 直至 q=0 停止迭代, 计算过程详见表 2, 经过 7次迭代后 q=0 时 h=0.044m。2.2 双承弯理论计算双承弯 (如图 2) 是可以实现建筑户内配水管道链状、环状连接的重要阀件, 1接口与用水点洁具连接, 2、3 接口分别与给水管连接, 此阀件会增加管道系统的局部阻力损失。局部阻力系数 取 1.2 (管件企业数据) , 管道流速以0.8L/s 计, 计算得出单个双承弯局部阻力损失理论计算值为 0.039m。图 2 双承弯管件实物 下载原图3 串连、链状、环状建筑户内配水管阻
15、力损失测试在北京某公司的卫生间及淋浴间内搭建了测试系统, 局部安装如图 3 所示。完成链状、环状管道布置的双承弯管件由管件企业提供。该系统通过阀门控制可依次转换为串连、链状、环状布置, 并设置 5 个压力探测点, 连接至控制柜, 传输压力信号。表 2 环状配水管迭代计算结果汇总 下载原表 图 3 局部安装照片 下载原图3.1 3 种布管方式下的阻力损失测试管道入口压力分别调至 0.15 MPa、0.2 MPa、0.3 MPa, 进行如下工况测试: (1) 串连工况:蹲便器放水, 待压力稳定后, 测量蹲便器出流流量并读取压力探点 1和 5 的压力值; (2) 链状、环状工况:测试过程同 (1)
16、。3.2 双承弯阻力损失测试将系统调至如图 4 所示, 蹲便器放水并测出流流量, 待压力稳定后读取压力探点 3 和 4 的数值。图 4 双承弯测试系统 下载原图3.3 串连、链状、环状配管水质测试新建测试系统以地下水源直接供水, 在水质测试过程中比较了 3 种连接方式在不同停留时间后的余氯、耗氧量变化趋势, 同时做了极限显色试验, 目的是定量分析串连、链状、环状出水水质与干管水质的相关性。朱官平等2,3研究数据定量分析显示, 二次供水管网中余氯、耗氧量均随水质停留时间的延长有不同程度的下降, 这两种指标的变化形式可反映出水质变化情况。建筑户内配水支管属于二次供水管网的末端, 因此本研究以余氯和
17、耗氧量作为追踪水质指标。余氯和耗氧量检测分别采用 Q-CL501 便携式余氯-二氧化氯五参数快速测定仪和酸性高锰酸钾滴定法。4 试验结果与分析4.1 串连、链状、环状户内配管阻力损失实测表 3 给出了系统依次在串连 (图 1a) 、链状 (图 1c) 、环状 (图 1d) 工况下, 入口压力在 0.10.3MPa 时的压力探点 P1、P 5测试值及阻力损失 h 计算值, h 按下式计算, 见式 (3) :式中 h阻力损失值, m;P1压力探点 1 处压力值, kPa;P5压力探点 5 处压力值, kPa;水的密度, kg/m;Z1压力探点 1 的安装高度, m;Z5压力探点 5 的安装高度,
18、m。从测试结果可以看出, 环状布置的阻力损失最小, 其次是串连, 链状布置时阻力损失最大, 是因为链状较串连连接共增加了 8 个弯头、2 个双承弯头, 管道长度增长了 2.59m, 局部和沿程阻力损失均增大;环状连接时同一压力源两路供水, 并根据阻力大小自动进行流量分配, 使得阻力较大一侧供水管道的流量减小, 因而降低了整个系统的阻力损失。4.2 双承弯阻力损失实测洗手盆处的双承弯阻力损失实测值如表 4 所示, 入口压力在 0.10.3 MPa, 双承弯阻力损失值均约为 0.005m, 比流速为 0.8m/s 时的理论计算值 0.039m 小一个数量级, 这是因为管件企业提供的局部阻力系数 =
19、1.2 是在管道流速 2m/s的工况下测定的。可见该阀件对整个系统产生的局部阻力损失影响很小, 通过此阀件实现管道链状、环状布置从能耗损失的角度来说是可行的。4.3 串连、链状、环状户内配管对出水余氯的影响试验目的是模拟用水洁具的使用频率 (蹲便器、洗手盆、淋浴器分别以每4h、6h、12h 使用一次的频率) , 测试配水管道分别在串连、链状、环状连接时的出水余氯变化情况。首先初步测试确定了每个洁具取样后的出流时间 (见表 5) , 并在测试过程中严格遵循。串连、链状、环状 3 个工况轮流测试 3 个周期, 测试结果平均值如图 5 所示。表 3 串连、链状、环状配管阻力损失实测 下载原表 表 4
20、 双承弯阻力损失测试 下载原表 表 5 单工况余氯测试 下载原表 图 5 串连、链状、环状不同停留时间各洁具出水余氯测试平均值 下载原图从总体余氯变化情况来看, 随停留时间延长, 串连、链状、环状余氯变化情况分别是衰减、衰减升高的趋势, 其中在停留 4h 后 3 种配管的蹲便器出水余氯均迅速降低, 停留 12h 后淋浴器出水余氯值链状和环状均有升高趋势, 而串连仍在衰减至更低, 分析原因, 链状和环状配管蹲便器和洗手盆出水带动淋浴器接口处的水流动, 更新了管道内的水质, 配水管内的余氯升高, 使之维持在一定范围内, 降低了因余氯衰减导致微生物增长而引起水质恶化的风险。6h 后链状余氯较环状增高
21、, 其原因很可能是蹲便器更靠近右侧干管, 在限定出流时间内链状连接单向水流使得管道内水质更新更彻底, 该现象也验证了环状连接时使用频率高的洁具应布置在管道的中间位置, 链状则布置在末端。4.4 串连、链状、环状户内配管对出水耗氧量的影响3 种管道系统分别停留 24h 后, 先取洗手盆的初始出水, 再将洗手盆放水 1min后取淋浴器出水, 不同配管方式的洗手盆和淋浴器的耗氧量情况如图 6 所示。停留 24h 后链状、环状配水管的淋浴器出水耗氧量均比洗手盆高, 串连时则淋浴器出水耗氧量低于洗手盆, 是因为洗手盆出流时串连配管淋浴器连接处的支管水停滞, 链状、环状配管会带动淋浴器接口处的水流动, 使
22、得洁具出流水质与供水干管保持一致, 减小了配水管内的停留时间, 降低了因配水管滞水而引起的水质恶化风险, 此试验再次证明链状和环状布置对水质更新具有绝对的优势。图 6 串连、链状、环状配管停留 24h 后洗手盆和淋浴器出水溶解氧值测试 下载原图4.5 串连、链状、环状配管显色试验目的是测试比较串连、链状、环状 3 种连接方式各洁具点处水质更新时间的相关性以及判断每一种连接方式水质全部更新的出流流量。测试方法:串连、链状连接先测试了蹲便器出水显色时间, 紧接着测试淋浴器和洗手盆各自的出水显色时间;环状连接先测试了洗手盆出水显色时间紧接着测试淋浴器和蹲便器的显色时间。测试步骤: (1) 彻底冲洗管
23、道, 使各个洁具出水与余氯测试药剂均不发生显色反应, 出水颜色如图 7 a; (2) 供水干管内充满高浓度余氯水; (3) 按各配管的洁具出流顺序测试显色时间, 出水颜色如图 7b。测试结果见表 6。比较链状和串连, 蹲便器出水显色后淋浴器和洗手盆出水显色时间分别为 13s、8s 和 60s、52s;环状连接在洗手盆出水显色后淋浴器和蹲便器显色时间各自为 13s 和 10s。直观地说明链状末端洁具、环状任意洁具出流均可以带动整个配管的水质更新;串连、链状、环状配管全部更新的时间分别为 412s、441s、355s, 可见测试配管全部更新一次环状出流量最小, 串连次之, 链状最多。从水质更新和节
24、水的角度考虑环状最优。5 小结图 7 不同浓度余氯出水显色照片 下载原图表 6 显色测试 下载原表 (1) 环状配管阻力损失理论计算采用哈代-克罗斯法管网平差原理, 计算步骤: (1) 确定管道的初始流量; (2) 计算沿程和局部阻力损失; (3) 确定环校正流量; (4) 通过多次迭代计算直至环校正流量为零时得到的阻力损失即为环状配管的阻力损失计算值。(2) 理论计算并实测了双承弯管件的局部阻力损失值, 相对于管道的沿程阻力损失较小, 得出通过双承弯实现管道链状、环状布置可行。(3) 通过比较 3 种配管方式阻力损失实测值、洁具出水余氯和溶解氧变化趋势以及整个系统水质更新时间得出环状配管在节
25、水节能的同时更能保障配水管内的水质与给水干管相一致, 因此, 从节水节能角度考虑, 环状连接最优, 链状连接阻力损失较大, 适用于节水器具数量少且布置比较紧凑的卫生间。本试验得出了环状配管在减小户内配管滞水方面有明显的优势, 但要综合确定在实际工程中应用是否可行, 还需开展环状、链状配管管道内微生物生长、生物膜形成规律与出水水质相关性、经济技术比较分析等系列研究。参考文献1周玲玲.给水管网中生物膜及硝化作用研究:学位论文.哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2010 2朱官平.停留时间对不同原水二次供水污染物产生的影响及其防治措施研究.广州:华南理工大学, 2012 3 Karin L, Boon N,
26、 Wang Y Y, et al.Overnight stagnation of drinking water in household taps induces microbial growth and changes in community composition.Water Res, 2010, 44:48684877 4 Kistemann, Schulte, Rudat, et al.Hauermann gebaudetechnik fr trinkwasser fachgerecht planen-rechtssicher ausschreibennachhaltig sanieren.2012 5 Boe-Hansen R, Albrechtsen H J, Arvin E, et al.Bulk water phase and biofilm growth in drinking water at low nutrient conditions.Water Res, 2002, 36 (16) :44774486 6王海峰, 徐冉, 李风亭.饮用水系统生物膜形成和控制研究.给水排水, 2010, 36 (4) :1719
