基于试验与数学模型的多层建筑物直供水水量及压力特性研究.pdf

CHINA MUNICIPAL ENGINEERING 101 第3期（总第179期） 2015 年 6 月 No.3 (Serial No.179) Jun. 2015 基于试验与数学模型的多层建筑物直供水水量 及压力特性研究 施 萍 上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092 低层建筑相对于高层建筑不需要太高的提升压 力，有条件的地区可利用现有市政管线供水压力，或 适当增压，实施中低层建筑的市政管网直接供水 1。 但实施市政管网的直接供水后，因丧失蓄水池的调节 功能，对市政管网会带来不利影响。为此，有必要研 究市政管线供水压力增加后，中低层建筑各楼层的水 压和水量分布特性，为直供水改造的实施与推广提供 科学支撑。 借鉴在日本参与的一次直供水压力与流量特征 试验及构建的数学模型， 运用模型灵敏度分析技术 2， 对各楼层的水压与水量分布特性进行研究。 1 直供水压力与流量特征试验 1.1 概述 试验对象位于日本 M 市的 5 层市政建筑，2 层 以下通过市政管网直接供水，3 层以上则通过屋顶 水箱二次供水。由于该市二次供水的水质恶化问题 倍受关注，其中 10 m3以下小型水箱的水质恶化问 题尤为严重。该市市政管网的平均压力为 400 kPa， 从理论上分析， 有可能对 5 层建筑物实施直接供水。 为确定 5 层建筑直供水的流量和压力分配特征，利 用周末无人办公进行本次试验。 收稿日期：2015-04-22 作者简介：施萍（1961），男，工程师，工学硕士，主要 从事城市给水排水设施和碳减排规划、设计工作。 摘要：在某 5 层办公楼开展直供水试验，获得楼层的供水压力和流量数据，并构建建筑物各楼层水头损失的概化 模型。率定和验证结果表明模型方法合理，可较好地模拟建筑物各楼层的压力 - 流量。模型灵敏度分析结果表明， 350 kPa 的供水压力对第 4 层的供水能力已达到极限。试验成果和模型方法为我国建筑物直供水改造提供基础信息 和方法指导。 关键词 : 直供水；多层建筑物；水量与压力特性；灵敏度分析 中图分类号：TU821 文献标志码：A 文章编号：1004-4655（2015）03-00101-03 DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2015.03.033 该建筑分为地下 1 层，地上 4 层，共 5 层，总 建筑面积为 2 728 m2，地下室内共设有 8 个供水器 具（浴室 4 个、厕所 2 个、更衣室 2 个） ，地上各 层的供水器具设置完全相同， 均为 6 个（厕所 5 个、 开水室 1 个） 。在该建筑总引水管及各层配水总管 上布置流量计和水压计，在楼外道路的消火栓上也 布置一个水压计 （见图 1） 。另外， 在室外设置水泵， 用于调节不同的大楼供水压力。 4F 3F 2F 1F BF 引水管 消火栓位置 室外供水总管 图 1 试验所在办公楼及流量、水压测量位置 1.2 试验工况与结果 试验按 5 组工况进行。工况 1 为地下室所有供水 器具全开，其他楼层全关，供水压力 485.64 kPa ； 工 况 2 为地下室、1、2 层所有供水器具全开，其他楼 层全关，供水压力 297.40 kPa ； 工况 3 为地下室、1、 2、3 层所有供水器具全开，其他楼层全关，供水压 102 2015 年第 3 期 施萍：基于试验与数学模型的多层建筑物直供水水量及压力特性研究 力 330.80 kPa ； 工况 4 为顶层供水器具全开，其他楼 层全关，供水压力 366.90 kPa ； 工况 5 为所有楼层供 水器具全开，供水压力 638.66 kPa。 为确保数据稳定可靠，各组工况试验严格按 照图 2 所示流程进行。试验结果见表 1 和表 2。由 表 1 可见，各层实测流量之和与引水总管实测流量 之间的误差 0.1%，测量精度较高。 图 2 试验流程 (min) 表 1 实测平均流量 m3/s 工况地下室1 层2 层3 层4 层引水管 各层实 测累计 误差 /% 15.8000005.805.800.00 25.475.035.630016.1316.130.00 35.373.453.353.59015.7715.76-0.06 400003.523.523.520.00 54.143.152.992.512.1114.9014.900.00 表 2 实测平均水压 kPa 工况地下室1 层2 层3 层4 层引水管 1485.64514.74484.50449.10407.48485.64 2297.40276.57242.85222.33179.55297.40 3330.80317.81289.10252.73218.56330.80 4366.90341.23302.77270.19232.30366.90 5638.66621.59583.37549.76514.67638.66 2 模型分析 2.1 系统建模 建筑内的给水管道、供水装置的水头损失采用 曼宁公式计算。对于 n 层建筑物，从室外引水管至 各楼层供水器具出水口的水头损失见图 3。 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 400 360 320 280 240 200 流量 /m3s-1 压强 /kPa 0 1 2 3 40 1 2 3 4 层数层数 实测流量 计算压强 估算流量 实测压强 a）流量 b）水压 图 3 计算值与实测结果比较 第 k 层的水头损失计算公式见式（1） 。 （1） 式中 ： H0为室外引水管处的水头 ； ak为第 k 层供 水器具个数 ； rk，i为第 k 层第 i 个供水器具的阻力 系数 ； qk，i为第 k 层第 i 个供水器具的流量，m3/s ； rj为第 j 层主干管阻力系数 ； ql，i为第 l 层第 i 个供 水器具的出水水量，m3/s ； hf为层高。 在本试验建筑物中，由于主干管管径一致，且 地上各层的供水管网布置完全相同，故设主干管 水头损失系数为 r1，地下层内支管水头损失系数为 r21，其余各层内支管水头损失系数为 r22。式（1） 可概化为式（2） 。 （2） 式中 ： k 为所在楼层，k = 0,1,2,3,4; qi为各层所有 供水器具的总供水流量。 2.2 模型参数率定 2.2.1 单层流量压强关系 为方便率定式（2）中 r21、r222 个系数的值， 构建流量平方和矩阵 见式（3）。 （3） 并构建压强矩阵 见式（4）。 （4） 式中 ： H 为建筑物各层的进口水压（即表 2 中的实 测值） 。 Q 与 H 构成了线性方程组。采用工况 1 工 况 4 中的各层实测流量和压力数据，应用最小 二乘法，可得到地下层内支管水头损失系数 r21 为 13.09 ；地上各层内支管水头损失系数 r22为 31.95，主干管阻力系数 r1为 1.19。拟合方程的确 定性系数 R2为 0.80。 因此，试验建筑物的供水 - 压强关系式见 式（5） 。 103 2015 年第 3 期 施萍：基于试验与数学模型的多层建筑物直供水水量及压力特性研究 （5） 2.2.2 模型验证 试验工况 5 为建筑物所有楼层同时供水时的各 层流量、压力。将总引水管的压力值（638.66 kPa） 代入式（5） ，采用最速下降梯度法求解此非线性方 程组， 得到模拟流量值误差范围为 9.7% 至 -15.0%； 水压计算的误差范围为 -5.3% 至 7.8%，精度较高， 表明模型概化方法合理。 2.3 灵敏度分析 压强取 230 430 kPa， 以 40 kPa 为间隔，设 6 种 不同供水水压，代入式（5） ，得到各层供水流量与水 压，与日本水道设施设计指南规定的 5 层建筑物 供水最低压力 350 kPa 的情况比较（见图 4） 。 1.300 1.200 1.100 1.000 0.900 0.800 0.700 0.600 1.500 1.300 1.100 0.900 0.700 0.500 0.300 230 270 310 350 390 430 230 270 310 350 390 430 流量与标准 350 kPa 工况比较下比值 压强与标准 350 kPa 工况比较下比值 0 1 2 3 40 1 2 3 4 楼层楼层 a）流量 b）水压 图 4 不同供水压力下建筑物各层供水流量与水压分配特性 计算发现，在所有供水器具同时启用的极端 条件下，350 kPa 的供水压力对第 4 层的供水能 力已达到极限，其供水量只有地下室的 18.1%。 由 图 4 可 见， 以 压 力 350 kPa 供 水 压 力 为 基 准，22.9% 的供水压力变化导致底层流量变化 11.8%、压力变化 22.9%，影响相对较小 ； 而对顶层影响较大，压力减小 22.9% 后，顶层流 量减小 23.9%，压力减小幅度则高达 42.1%。考 虑到 350 kPa 供水压力下，随着楼层的增加，各 层供水流量和压力均不断减小。 因此图 4 表明，提高供水压力可使各层供水流 量和压力趋向均匀，而降低供水压力将导致顶层供 水能力迅速恶化。 3 结语 现场试验表明，通过提高供水压力实现多层建 筑物的直供水是可行的。基于试验数据，构建建筑 物各楼层水头损失的概化模型，率定和验证结果表 明，模型方法合理，可较好地模拟建筑物各楼层的 压力 - 流量。 模型灵敏度分析结果表明， 对试验建筑物而言， 在所有供水器具同时启用的极端条件下，350 kPa 的供水压力对第 4 层供水能力已达到极限 ； 提高供 水压力可使各层供水流量和压力趋向均匀，而降低 供水压力将导致顶层供水能力迅速恶化。所提出的 模型方法可应用于各类多层建筑物，用于评估楼层 供水压力和流量。 参考文献 ： 1 张东波 , 徐海燕 , 肖敏杰 . 某高校给水管网改造工程方案设计 J. 给水排水 , 2014（1） ： 94-96. 2 吴双利 , 吕谋 , 董深 . 供水管网管道摩阻的灵敏度研究 J. 青岛 理工大学学报 , 2013（1） ： 63-68. 4 结语 本文依托天津新杨北公路工程实例，从现场沉 降监测和理论分析 2 个方面研究坑塘回填路基沉降 模式。分析表明 ： 坑塘回填后沉降量的实测值 / 理 论值与坑塘的规模有关， 坑塘规模越大， 该值越小， 坑底土的超固结效应越明显 ； 采用理论计算沉降值 乘以经验系数的方法对坑塘回填的沉降量进行估 算，为坑塘回填路基路面标高控制提供理论基础， 为地基处理提供依据。 参考文献 ： 1 富海鹰 , 蒋鑫 , 邱延峻 . 旧路拓宽不均匀沉降特性分析 J. 四川 建筑科学研究 , 2007, 33（4）: 138-141. 2 陈虎 , 罗强 , 张良 , 等 . 基于离心模型试验的路堤地基差异沉降