集中热水供应设计秒流量计算方法分析

集中热水供应设计秒流量计算方法分析

集中热水供应设计秒流量计算方法分析

摘要 本文就建筑中热水供应采取分区组合体型式系统下设计秒流量

的计算方法。分别介绍了我国传统式现行计算设计秒流量计算方法和其局限性，全新的计算方法——概率法计算设计秒流量的特点和其优越性。

关键词 集中热水供应 设计秒流量 概率 流量计算

1.前言

热水供应系统主要满足居民在卫生（洗漱、沐浴）等方面对于75℃以下热水的需要。应目前节能，环保的要求，集中热水供应系统形式在现代建筑中优先采用。

随着人民日益增长的生活水平的提高，居民在卫生方面对于热水的需要日益提高。集中热水供应系统在越来越多的建筑里成为工程设计的必不可少的部分。在集中热水供应系统的设计中，系统型式的正确选择十分重要，它关系到系统的功能、运行稳定性以及一次造价等。本文优先采用分区组合体系统形式进行分析计算。设计秒流量反映了管道的这一负荷特性，设计秒流量是确定运行年限在20~50年的给水系统的重要技术参数之一。设计秒流量的计算应该能够客观、全面的反映受多种因素影响的复杂的实际过程。在系统配水的量确定下以后，即热水供应系统入口处流量恒定的条件下，才能对生活给水供应系统的水力工况进行计算分析，计算最远配水点的压力损失，选用必需的升压泵，为了保证配水点的压力，确定各种配水水平下的循环流量。

本文的工作是选定了热水供应分区组合体的系统型式下，针对建筑给水设计秒流量的计算方法的分析和研究，主要进行分析比较了我国住宅、旅馆传统设计秒流量计算方法与概率法性相比存在的盲目性，以及概率法的优越的科学性合理性。

2.设计秒流量的计算方法

设计秒流量不仅是确定各管段管径的主要依据，也是计算管道水头

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损失，进而确定给水系统所需压力的主要依据，为了保证用水，给水管道的设计流量应为建筑内部卫生器具按配水最不利情况下组合出流时最大瞬时流量，又称设计秒流量。

设计秒流量要在对用水工况实测的基础上进行科学的加工，从而得到经济实用的设计秒流量的计算方法。目前设计秒流量的计算方法有三种：经验法、平方根法和概率法。根据我国建筑给水排水设计规范GB50015-2003，住宅建筑用水时间长、用水设备使用不集中的特点，对其设计秒流量的计算方法在以往平方根法[**]的基础上进行了修改，采用了以概率理论为基础的计算方法，但是与国外比较成熟的概率法之间还存在着较大的差距；对于公建部分，仍采用平方根法。对于我国来说，概率法是一种全新的计算思想和方法，在美、日、俄等国得到普遍应用，上述国家在概率法的基础上，结合实际运行数据，制成图表以便工程设计使用。

2.1我国现行给水管网设计秒流量计算方法[7]

我国给水配水设计秒流量的计算按建筑类型分别有下列公式来计算： 2.1.1住宅建筑的生活给水管道的设计秒流量

应按下列步骤和方法计算:

(1)根据住宅配置的卫生器具给水当量、使用人数、用水定额、使用时数及小时变化系数,按（1）式计算出最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率:

UO =ｑOmKk/ 0.2*Ng*T （1） UO——生活给水管的最大用水时卫生器具给水当量平均出流

概率（%）；

ｑO——最高用水日的用水定额，按规范表取用； m ——每户用水人数； Kk——小时变化系数，

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Ng——每户设置的卫生器具给水当量数； T——用水时数(h)

0.2——一个卫生器具给水当量的额定流量(L/s)。

（2）根据计算管段上的卫生器具给水当量总数，按（2）式计算得出该管段的卫生器具给水当量的同时出流概率：

U=[（1+αc(Ng-1)0.49）/ Ng1/2]% （2） U——计算管段的卫生器具给水当量同时出流概率（%）； αc——对应于不同Uo系数，根据经验数据表查得； Ng——计算管段的卫生器具给水当量总数。

（3） 根据计算管段上的卫生器具给水当量同时出流概率，按式（3）

计算得计算管段的设计秒流量：

qg=0.2*U Ng （3）

qg——计算管段的设计秒流量(L/s)。

注:1 为了计算快速、方便，在计算出 Uo后，即可根据计算管段的

Ng值从附录计算表中直接查得给水设计秒流量。 该表可用该内插法。

2 当计算管段的卫生器具给水当量总数超过附录表中的最大值时,其流量应取最大用水时平均秒流量,即qg=0.2*U Ng。

（4）有两条或两条以上具有不同最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率的给水支管的给水干管,该管段的最大时卫生器具给水当量 平均出流概率（4）式计算:

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式中

=∑

/∑ （4）

——给水干管的卫生器具给水当量平均出流概率；

——支管的最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率； ——相应支管的卫生器具给水当量总数。

2.1.2集体宿舍、旅馆、宾馆、医院、疗养院、幼儿园、养老院、办公楼、商场、客运站、会展中心、中小学教学楼、公共厕所等建筑的设计秒流量

按下式计算给水设计秒流量，即按（5）计算：

=0.2(

式中

) （5）

——计算管段的给水设计秒流量（L/s）； ——计算管段的卫生器具给水当量总数；

——根据建筑用途而定的系数，按照规范查取。

注：1 如计算值小于该管段上一个最大卫生器具给水额定流量时，应采用一个最大的卫生器具给水额定流量作为设计秒流量。

2 如计算值大于该管段上按卫生器具给水额定流量累加所得流量值时，应按卫生器具给水额定流量累加所得流量值采用。

3 大便器延时自闭冲洗阀的给水管段，大便器延时自闭冲洗阀的给水当量均以0.5计，计算得到的 给水设计秒流量。

4 综合楼建筑的 值应按加权平均法计算。

从公式（1）看出，我国住宅建筑计算设计秒流量方法在理论和实际应用中存在以下几个问题：（1）未能体现单位器具符合人数的影响因

附加1.10L/s的流量后，为该管段的

素；（2）未能体现不同卫生器具组合的影响因素；（3）我国现行住宅建筑计算设计秒流量方法没能体现给水保证率。但在进行计算时已经考虑

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到了用水随机的影响因素，而且还考虑了用水人数、用水定额、用水时间的组合影响因素，可以说已经非常成功地采用了概率思想。

从（2）看出对于集体宿舍、旅馆、商场等建筑类型，设计秒流量的计算在实际应用中存在以下问题：（1）仅仅考虑到了用水的不均匀性，但未体现用水的随机性；（2）计算公式只考虑到了卫生器具的种类不同，未能反映影响用水量的实际因素，如单位器具负荷人数、各种卫生器具的组合型式、供水制度等等；（3）未能体现设计秒流量和用水定额之间的关系，虽然考虑到了建筑用途的不同，增加了系数，但是建筑用途的划分过于粗糙，而且α的值还需要测验分析。所以我国采用平方根法计算设计秒流量存在很大的不准确性和盲目性。就像计算住宅建筑一样，计算其它类型建筑设计秒流量的新方法仍要从概率思想着手。

2.2概率法

概率法中比较有代表性的计算设计秒流量的方法有亨特概率法和俄罗斯概率法，而其中俄罗斯概率法自成一家，比较成熟，而且因为我国的平方根法计算秒流量公式来源于俄罗斯，本文重点对俄罗斯概率法进行研究分析。早期的俄罗斯概率法的理论基础是用户的用水情况按泊松分布来描述，数学表达式如下：

P(x=i)=(Np)i/i!*e-Np （6） 式中P(x=i)——i个卫生器具同时用水的概率； N——管段上连接的卫生器具总数； P——单个卫生器具使用的概率； i——管段上卫生器具同时使用的个数。

在计算管段上有不多于m个卫生器具同时使用的概率为Pm，则 Pm= e-Np Np∑(Np)(i-1)/i! （7） Pm即给水保证率，在给定的Pm之下，连接有N个卫生器具的管段设计秒流量为：

qg=m*qo （8） 这样计算设计秒流量的任务就转化为确定给水保证率的值。体现了设计

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秒流量和给水保证率之间的关系，但是与平方根法比较，该公式不适用于卫生器具较少而用水概率较大的建筑。以绍宾斯基方法为基础建立起来的俄罗斯现行概率法，是在对单个卫生器具、单幢建筑以及小区给水系统的工况进行深入研究分析，并对大量日用水量积分曲线进行分析研究，得到了能够描述各种形式日用水量积分曲线的的通用公式，考虑到了多种类型建筑、多种卫生器具的多种组合因素，考虑了多种用水因素的影响，在绍宾斯基方法简化模型的基础的基础上，给水保证率取Pm=0.997，得到了设计秒流量的简便计算式。该方法的理论要点如下：

（1） 确定用水单位类型和用书单位数量U；

（2） 确定卫生器具的总数N和计算管段上的卫生器具数量Ni； （3） 确定卫生器具配水龙头的额定秒流量qo； （4） 确定用水高峰期卫生器具使用概率p；

1：当U/N不变化时，建筑中所有用水单位为同一类型时，其使用概率

p=qh,u*U/3600/qo/N （9）

qh,u——一个用水单位最大小时用水定额，L/s；

2：当建筑物中有各种不同类型的用水单位时，其使用概率

P∑i=∑Npi/∑Ni （10） （5） 确定计算管段上的设计秒流量

qg=5*qo*α （11）

qo——单个卫生器具的秒流量，L/s；

α——由计算管段上所连接的卫生器具数N和卫生器具使

用概率p有关的系数，表《俄罗斯规范》附录4。

可以看出，俄罗斯现行概率法选用了较高的用水保证率0.997，运用了概率思想，而在工程上又并非完全按二项分布或泊松分布计算结果进行查表，而是根据实践应用方便进行了处理。当卫生器具数较少，而使用概率较大时（N≤200，p>0.1），用水情况采用二项分布描述；而当卫生器具数较多，使用概率较大时（N≥200，p>0.1）或卫生器具为任意值，卫生器具使用较小（p<0.1）时，用水情况按柏松分布描述。由于α的值是小数而不是整数，可见俄罗斯概率法并不是完全按照纯二项分布和

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纯泊松分布进行计算，而是考虑了其它多种实际因素的影响。公式是俄罗斯近些年来通过给水系统的大量试验和理论研究归纳出来的，不仅考虑到了用水设备的数量和技术特性，而且考虑到了用水设备的运行条件、用水工况和用户数目。由于设计秒流量的值是在系统给水保证率取0.997的情况下计算得到的，能够保证不需要的额外计算，用较少的时间就确定了耗水量的值。

2.3两种方法计算设计秒流量的比较分析

本次设计对象属于公共建筑，本文为了说明我国住宅建筑计算设计秒流量和俄罗斯概率法计算设计秒流量的区别，本节假定设计对象为旅馆建筑和住宅建筑分别进行了研究计算。因此，首先依据我国现行规范，采用平方根法进行计算旅馆建筑的设计秒流量；其次，本文还在俄罗斯计算设计秒流量概率方法的研究分析基础上进行设计计算。并对两种方法计算旅馆建筑设计秒流量的结果进行了比较分析。然后，采用我国现行概率思想方法计算住宅建筑设计秒流量，并与俄罗斯概率法计算住宅设计秒流量计算结果进行了比较，分析了两者之间的异同点。 2.3.1旅馆建筑两种计算方法的比较

例：建筑构采用上文所述的条件，系统型式采用我国传统型式。由于建筑类型假定为旅馆，用水单位为人，卫生器具为浴盆和洗脸盆，针对配水最不利的一根立管，分别采用我国现行旅馆建筑平方根计算方法（2003）和俄罗斯概率法计算设计秒流量，并进行比较分析，旅馆建筑α=2.5；洗脸盆热水当量为1.0，浴盆为1.5；按照给水排水规范2003[7] 旅馆设计秒流量计算如下

qg=0.2

果见表1。

根据俄罗斯给水规范，按照俄罗斯概率法，对于上述建筑类型，每个用水单位即每人的用水定额为qhuh=10L/h*人, 用水单位数量U为228人，两种卫生器具单个流量均为q0=0.2L/s，卫生器具数N为192。

系统卫生器具总的概率

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(

)1/2 （12） ——各计算管段上的当量数。计算结

——根据建筑用途取2.5，

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p=qh,u*U/3600/qo/N =10.0*228/3600/0.2/192 =0.0165, qg=5*qo*α

α根据表《俄罗斯规范》附录4查取。计算结果如表2。

表1 表2

管段编号 1--2 2--3 3--4 4--5 5--6 6--7 7--8 Ng 当量 1.5 2.5 5 7.5 10 12.5 15 Qg (l/s) 0.612 0.791 1.118 1.369 1.581

由图5可见，当管段上卫生起居数量即管段编号 1--2 2--3 3--4 4--5 5--6 6--7 7--8 N器具数量 1 2 4 6 8 10 12 qg (l/s） 0.206 0.243 0.299 0.342 0.38 0.415 0.447 1.768 用水当量数比较少时，两种计算方法的结果1.936 差距不大，随着起居数量的增多，平方根法

的计算值远大于概率法，由于概率法有很高的给水保证率，以足够满足用水量的需求；还看到两种方法的结果曲线并不相像，说明两种方法考虑的影响设计秒流量的因素并不相同。这样平方根法的计算就引起水资源的大量浪费、系统不稳定、管材消耗过大，而且与实际用水情况存在很难符合。因此设计秒流量的计算采用概率法更合理可靠。

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3.50中国平方根法3.00俄罗斯概率法设计秒流量（L/s)2.502.001.501.000.500.000510152025303540卫生器具数（个）图5 两种方法计算旅馆建筑设计秒流量的结果分析

2.3.2住宅建筑两种计算方法的比较

建筑结构采用上文所述的条件，系统型式采用我国传统型式。为了进一步研究概率法，假定建筑类型假定为住宅，用水单位为人，卫生器具为浴盆和洗脸盆，供水时间是T=24小时。针对配水最不利的一根立管，分别采用我国现行住宅建筑概率思想计算方法（2003）和俄罗斯概率法计算设计秒流量，并进行比较分析，住宅建筑共有用水单位，即人数M=228人，户数n=96户，这样平均每户用水人数m=2.735人，小时变化系数Kh=2.5；洗脸盆热水当量为Ng1=1.0，浴盆为Ng2=1.5,则每个卫生间的用水当量Ng=2.5；对于该建筑类型，每个用水单位即每人的用热水定额取为qhuh=10L/h*人,两种卫生器具单个额定流量均为q0=0.2L/s。采用俄罗斯概率法计算旅馆建筑的计算结果，如表3。我国现行概率思想计算方法按规范进行如下：

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(1) 根据住宅配置的卫生器具给水当量、使用人数、用水定额、使用时数及小时变化系数,按（1）式计算最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率: UO=qoTmKh/(0.2NgT3600) =(10*24*2.735*2.5)/(0.2*2.5*24*3600) =0.0330

(2)根据计算管段上的卫生器具给水当量总数，按（2）式计算出计算管段上的卫生器具给水当量的同时出流概率,根据计算所得UO查表ac=0.022；则： U=(1+ac(Ng-1)0.49)/ (Ng)1/2

=(1+0.022(Ng-1)0.49)/ (Ng)1/2

根据计算管段上的卫生器具给水当量同时出流概率，按（3）式计算得计算管段的设计秒流量： qg=0.2U Ng 计算结果见下表4

表3 表4

管段 编号 1--2 2--3 3--4 4--5 5--6 6--7 7--8 8--9 9--10 10--11 11--12 器具数N 1 2 4 6 8 10 12 24 36 72 192 俄罗斯方法 qg（l /s） 0.206 0.243 0.299 0.342 0.38 0.415 0.447 0.604 0.738 1.066 1.905 管段 编号 1--2 2--3 3--4 4--5 5--6 6--7 7--8 8--9 9--10 10--11 11--12 器具数N 1 2 4 6 8 10 12 24 36 72 192 中国现行方法qg（l /s） 0.249 0.325 0.467 0.578 0.673 0.759 0.837 1.221 1.530 2.274 4.096

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4.504.003.503.002.502.001.501.000.500.00020设计秒流量（L/s）中国现行方法俄罗斯概率法406080100120140160180200卫生器具数（个）图6 两种方法计算住宅建筑设计秒流量的分析图

比较俄罗斯概率法和我国现行概率思想法计算住宅建筑设计秒流量结果可以看出：在卫生器具数量小的情况下，两种方法计算的结果数值大小很接近，随着卫生器具数量的增加，计算结果数值逐渐加大，我国现行概率思想法计算结果明显大于俄罗斯概率法。

图7 系统示意图

2.4 分区组合体的流量计算

采用本次给定的建筑条件和图7所示的系统型式。分区组合体型式

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与传统型式在配水立管设计秒流量的计算上有根本的不同，根据概率理论，配水高峰期间分区组合体内所有配水立管同时出现设计秒流量的概率应该为零，又由于分区组合体内几根配水立管通过结环连通管互相并联，当某根配水立管达到设计秒流量，而其余配水立管负荷较小时，最大负荷配水立管中的供水将来自两个方向——下端由供水干管进入，上端通过结环连通管由小负荷的配水立管流来（对于下行上给式系统），这说明分取组合体配水立管的设计秒流量应小于传统形式下配水立管设计秒流量的计算。通过结环连通管的流量取决于组合体构造、结环立管数目等固定因素和每个时刻用水点的分布位置、组合体流量水平等随机因素的影响。

首先为定量说明组合体立管设计流量与传统型式立管设计流量的区别，给出了某根配水立管达到设计流量的条件下，分区组合体内单根立管流量水平的数学期望值变化曲线。

从立管计算流量下立管自下供水值与组合体配水水平关系曲线[8] 可以看出当进入分区组合体的流量qih与配水立管流量qsth相等时，组合体流量水平数学期望值为0.5,即水是从供水干管和结环连通管等份额的进入配水立管的。当组合体达到设计流量值，即qih/quzh=1时，其流量水平数学期望值为0.7,即水从供水干管70%的份额进入配水立管的，也就说分区组合体配水立管的设计流量按下式计算：

qst=0.7qg （13） qg ——传统型式时概率法计算配水立管的设计秒流量（l/s）而组合体设计流量值是保证率为0.997下得到的，足够保证了建筑最大用水量。对于单根立管分别在传统型式和分区组合体型式下采用概率法计算设计秒流流量，并进行比较分析。

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0.8设计秒流量（L/s）0.70.60.50.40.30.20.100510152025303540传统形式概率法设计秒流量分区组合体形式概率法设计秒流量卫生器具数（个）图8 概率法计算两种系统型式设计秒流量的比较曲线图 分区组合体除了在系统设计时节省了循环立管管材，减少了各种附属设备数量，而且根据计算结果和曲线图8可以看到分区组合体单根配水立管秒流量比传统型式减少30%，从而根据设计秒流量所选的立管管径尺寸也要变小，进一步节省了管材耗用，增加了立管阻力，有利于系统稳定。

概率法计算水头损失偏大于传统方法，这是因为概率法立管设计秒流量采用等比例均分干管流量值，其设计秒流量值比传统方法偏大，致使水头损失偏大。但是随着卫生器具的增多，概率法计算水头损失明显减小，这是因为随着卫生器具的增多，概率法水力计算的设计秒流量更符合真实工况，其值明显小于传统水利计算方法值，在该设计秒流量值下，水头损失明显降低。而且立管总的水头损失概率法值明显小于我国传统水力计算方法。

根据上述分析有如下结论：概率法进行水利计算考虑到了用水的实际情况，综合影响水头损失的流量水平、配水点位置、系统结构形式等各种因素，使得计算水头损失更接近系统运行的真实值，避免设备选择过大或者偏离实际运行工况，减少了资源浪费，增加了系统稳定性。

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3.结 论

集中热水系统随着生活给水供应质量的要求、生态环境的要求、能源的要求其系统型式越来越重要，在上述一系列的要求之下，设计秒流量的计算就显得更有意义，而以概率思想为基础的计算方法考虑到热水利用的各种随机性因素，通过实际工程的计算机模拟和计算结果的分析，证明了概率法计算设计秒流量的科学性和合理性。该方法在发达国家已经广泛应用，在我国也逐渐被利用到工程设计。

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参考资料

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