户内配水管环状供水方式及水力计算对比分析

建筑户内配水管网是指水由城市供水管网进入建筑物或构筑物内，继续输送所使用的供水管路总称。其具有与用户接触紧密、水质监测较少、安装方式多样等特点，是供水管网入户的“最后一公里”。因此，保障配水管网中水质健康就尤为重要。

对于户内配水管网水质的影响因素，主要有以下几点：

1. 水体温度；

2. 水体交换频率；

3. 水流量。

图1 饮用水质量三要素^[1]

如图1所示，为了保障水质，管网内冷水温度应小于25℃且热水温度应大于55℃；管内水体交换频率推荐3天/次且最长不超过7天/次；采用高流速和小管径以加强管内水体流动性。

除了以上三种因素以外，管道材质以及管道的布置方式也是不容忽视的两个重要因素。

建筑户内配水管的敷设方式主要有三种类型，包括传统连接、串联连接和环状连接，其他的连接方式多是在此基础上演化而来。三种连接方式各有其优缺点，并无绝对的好坏之分，应根据工程现场的实际情况和客户需求进行选择。

我国建筑户内配水管的敷设方式现阶段多采用传统式（支状）敷设方式。

如图2所示。

图2 户内配水管传统敷设方式-示例

该敷设方式具有安装方便、耗材少等特点。之所以又称为三通式，是因其每路支管都由一个三通阀件将水从主管分流到支管中。如图3所示，当任一用水点的洁具被使用时，便会带动其所属支管中的水体流动。但其他相邻洁具所属支管中不会发生水体流动。如果该支管洁具长时间不使用，导致水龄增加，从而增加整个配水管路水质污染的风险。

图3 户内配水管传统敷设方式-水体流动示例

为了改善传统式连接中的滞水现象，户内配水管还可以采用串联的敷设方式。该方式因其具有较好的连带水体流动性，越来越受到设计师们的关注，在实际工程案例中的应用也不断增加。但是工程施工相对复杂、耗材也多于传统式连接，同时，还会使用到“双承弯”等特殊管件。

图4 户内配水管串联敷设方式-示例

如图4所示，当四处用水点中任何一处被使用时，不仅该用水点支管中的水体会流动，而且位于其前方（沿水流入方向）主管和支管中的水体也会随之流动。

图5 户内配水管串联敷设方式-水体流动示例

基于串联连接的这种特性，如图5所示，末端用水点常常与使用频率最高的洁具相连接，如：卫生间中的马桶，厨房中的盥洗池等。当冲洗马桶时，整条串联配水管中的水体就会连带流动、更新置换。但是工程现场实际情况复杂，管路敷设时马桶可能无法按照理想的串联连接方式置于管路的末端。此时，设计师可根据实际情况采用环状连接方式。

为了消除常用洁具须置于管路末端的限制，可采用环状连接敷设方式，进一步对户内配水管进行改进，更大限度地提升管中水体的连带流动性。如图6所示。

图6 户内配水管环状敷设方式-示例

如图7所示，将串联的末端用水点与配水管始端用水管相连接，就形成了全新的环状连接方式，它在串联连接的基础上对水体连带流动性进行了再提升。由于水从左、右两个方向沿两条支路同时流入，所以无论在哪个用水点使用洁具，整个环路中的水体都会随之流动更新。

图7 户内配水管环状敷设方式-水体流动示例

与传统和串联连接方式相比，配水管环状连接敷设方式虽然增加了管材和管件的使用数量和施工难度，但其优越的连带水体流动性以及灵活的洁具用水点安装位置，有效的保证了水体交换频率。同时，由于在配水管路始端产生了分流，原始水流量也被一分为二。水流量的下降直接导致了同管径管路中流速的降低，见式（1）：

（1）水流速度的下降又使沿程阻力损失和局部阻力损失降低，从而使得整个管路的阻力损失下降。从节能的角度出发，环状连接方式是值得推荐的。

无论是连庄连接还是环状连接方式，都需要使用双承弯管件。这种管件是从德国Viega公司首创并引进中国。它的外型类似立体三通，两侧采用双落设计，管件两侧可同时通水，促进管道末端水体流动的一种管件。^[2]

图8 双承弯管件实物图

根据实际施工情况，如图9所示，可以将双承弯管件和其他管件进行有机结合，连接成串联或环状供水管路。让水在管道内流动起来，有效避免或减少停滞所造成的水质污染风险。

图9 应用双承弯管件组成环状供水管路连接实物图

由于管路环状连接方式的分流特性，使其整体管路的水力损失呈现较小的趋势。与传统连接方式和复合管环状连接方式相比，由不锈钢管道系统组成的环状连接管路，具有管件局部阻力系数低、管路水力损失小的特性。

哈迪克劳斯法是以Hardy Cross教授首创并命名的一种迭代方法，如图10所示，用于确定已知输入（Qin）和输出（Qout）但管内流量未知的管网系统水力平差运算。该方法于1936年11月由哈迪克罗斯（Hardy Cross）首次发表，他是伊利诺伊大学香槟分校的结构工程教授。

图10 管网水流示意图

哈迪劳斯方法引入到管网分析中彻底改变了市政供水设计的难题。随后，又从市政供水设计逐渐引入到建筑内供水设计之中。在引入该方法之前，由于水头损失与流量之间存在非线性关系，因此很难解决复杂的管道系统分配问题。随着计算机技术的不断发展和在各个领域的使用，该方法后来逐渐被采用牛顿-拉夫森法（Newton-Raphson）的计算机求解算法和其他不需要手动求解非线性方程组的方法所淘汰。尽管如此，在解决简单管网流阻计算的问题时，哈迪克劳斯法依旧不失为一种简单、实用的数学方法。

Hardy Cross法的计算步骤如下：^[3]

1. 根据环状管路中用水点流量，计算环路总流量。（应参考实际产品数据）

2. 根据环路总流量平分每条管路的流量，确保每个接头处的总流入量等于总流出量。

3. 对于每条回路，确定顺时针方向的水头损失和逆时针方向的水头损失。

使用计算每条回路的水头损失。

1. 确定回路中的总水头损失。

2. 无需考虑方向，计算回路中的值。

3. 流量的变化等于-。

4. 如果流量变化为正，则沿逆时针方向将其应用于回路；如果流量变化为负，则沿顺时针方向将其应用于回路。

5. 如果不等于零。则从步骤3开始，重新进行下一次迭代，直到水头达到平衡为止，即：

本文分别选取了三种不同的配水管连接方式：1. 传统连接方式-不锈钢管道系统；2.环状连接方式-不锈钢管道系统；3.环状连接方式-复合管管道系统。对其分别进行水力计算，并对计算结果进行分析。1和2选取同材质、异连接方式，对比不同连接方式下的水力损失；2和3选取同连接方式、异材质，对比不同材质下的水力损失。

为了更好地进行理论计算，首先搭建三种实验用管路模型，模拟实际户内配水管管路。如图11、图12和图13所示。

图11 传统连接方式-不锈钢管道系统

图12 环状连接方式-不锈钢管道系统

图13 环状连接方式-复合管管道系统

其次，对三种管路进行实际测量并获取理论计算所需数据。

图14 不锈钢传统连接方式实测数据和图例

图15 不锈钢环状连接方式实测数据和图例

图16 复合管环状连接方式实测数据和图例

管路水力计算主要包括：沿程水头损失和局部水头损失两个部分。沿程水头损失计算需要导入实测管道长度，应用公式（2）进行计算：

（2）

公式（2）中：

∆p_R - 沿程水头损失，hPa；

R   - 管道单位长度水头损失（压降），hPa/m；

l - 管段长度，m；

局部水头损失计算，则需要导入相应管件的局部阻力系数，应用公式（3）进行计算：

（3）

公式（3）中：

- 管段内局部阻力损失之和；

ρ - 管段内流体的密度；

v - 管段内流体的速度。

三个模型对应的管段长度和局部阻力系数之和，如下表所示：

表1 不锈钢传统连接方式-管段长度和局部阻力系数

表2 不锈钢环状连接方式-管段长度和局部阻力系数

表3 复合管环状连接方式-管段长度和局部阻力系数

三个模型对应的水力计算结果，如下表所示：

表4 水力损失计算结果汇总

图17 三种模型水力计算结果柱状图

本文介绍了户内配水管三种不同的连接方式，并简述了环状敷设方式的源头和理论计算依据。并针对户内环状敷设方式从水力损失角度，有针对性的进行了计算对比分析。通过对三种模型的对比，初步得出以下结论：

1. 主管段长度大致相同时，环状连接的水力损失较传统连接方式更小；

2.管段长度大致相同时，由不锈钢管组成的环状连接较由复合管组成的环状连接方式水力损失更小。

对“环状连接敷设方式”的研究才刚刚开始，如同户型内其与传统连接和串联连接方式的水力损失对比、管内水体置换对比等，还有待各位专家、同行多多探讨研究。

由于撰文的资料、时间和精力有限，出现不严谨和纰漏之处，敬请观者批评、指正。

参考文献

[1] Kistemann, Schulte, Rudat, Hentschel, Häüßermann. Gebäudetechnik für Trinkwasserp[M]. Deutschland: Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2017.

[2] CJ/T 520-2017, 齿环卡压式薄壁不锈钢管件：3.2

[3] Hardy Cross. Analysis of flow in networks of conduits or conductors[D]. URBANA: University of Illinois Engineering Experiment Station, 1936.