节流孔板对既有民用建筑节水的意义
摘 要： 本文从供水安全和节水节能的角度出发，通过设计的实验装置，研究了典型给水装置流量和工作压力的关系以及不同孔径节流孔板应用于既有建筑节水改造的节流效果，从而为给水系统供水压力和最佳节流孔板孔径的选择提供依据，对今后的建筑给水设计以及节流孔板在建筑生活给水中的应用具有一定的指导意义。
关键词：节流孔板、民用建筑、最低工作压力、节流效果
1 概述
防止超压出流是建筑节水的有效措施之一。据北京建筑工程学院“建筑节水课题组”在11栋不同类项建筑的67个配水点所作的超压出流实测分析结果统计，有55％的普通水龙头和61％的陶瓷阀芯水龙头的流量大于各自的额定流量，处于超压出流状态，且这两种水龙头的最大出流量约为额定流量的3倍。由此可见，在我国既有建筑中，给水系统的超压出流现象是普遍存在而且是比较严重的[1]。
在给水系统竖向合理分区的基础上，设置减压装置是防止超压出流最有效的方法之一。减压阀、节流孔板以及节流塞是三种主要的减压装置。从新建建筑应用状况来看，减压阀已经广泛应用于给水系统，在消防给水系统中节流孔板的应用也已经标准化。但节流孔板在建筑生活给水中的应用没有得到广泛推广，并且消防给水中采用减压装置限制工作压力也不是从节能节水的角度出发，而是基于保护设备和人身安全。从既有建筑节水节能改造方面来看，增加减压阀的用户很少，而更换节水器具的用户相对要多一些，但也只占整个用户的少部分，更换淋浴龙头的就更少[2]。
节流孔板材质可选用环保、符合标准的硬质塑料，制作简单、成本低、安装使用方便。普通水龙头前安装节流孔板的方法很简单，就是在水龙头和管箍之间用2个胶垫夹住孔板，将水龙头拧紧即可。在淋浴龙头前的安装方法是将节流孔板安装在淋浴龙头出口与花洒软管之间，就如同换胶垫一样简单。节流孔板的应用对既有建筑的节水具有很大的意义，如能得到广泛应用，可以节省大量的水源，社会效益是很大的。
我国现行的《建筑给水排水设计规范》第3.3.5条规定：静水压大于0.35Mpa 的入户管（或配水横管），宜设减压或调压设施。但这主要是从防止给水配件承压过高损坏的角度考虑的。若从节水角度考虑，压力要求过于宽松，对限制超压出流作用有限。北京建筑工程学院“建筑节水课题组”对北京11栋建筑，67个配水点的螺旋升降式水龙头和陶瓷阀芯龙头半开时的水压和水量进行了研究，得出配水点处静压大于0.15MPa 时，水龙头流出水量开始迅速上升。所以应根据建筑给水系统超压出流的实际情况，对给水系统的压力做出合理限定[3]。
本文通过实验的方法研究了节流孔板应用于既有建筑的节流效果，给出用水器具前装设节流孔板的参考压力，旨在为既有建筑的节水节能改造提供参考。
2 节流孔板原理
水是具有粘滞性的，水流通过孔板时的流线分布如图所示，圆形管道中间为一孔板：
图2-1 节流减压孔板原理图
设段面A-A 处，流体未受到孔板的影响，流束与管道中心线平行。过此断面后流束开始收缩。直至收缩到最小断面B-B 处为止，由于受边界条件的制约。流线收缩，边缘的流体向管中孔口处加速，致使流束断面逐渐碱小，流速随之增加。压强则相应降低至段面B-B 处流速最大，压强最低，过此段面后流束断面又逐渐扩展，并在孔板前后形成漩涡由于水流的牯滞作用，漩涡经过一段距离后便会逐渐消失。在段面C-C 以后，流束扩大至整个断面，与管道中心线平行。压强逐渐升到最大值。综上所述，水流通过孔板时流速重新分布，在孔板前后形成漩涡，这些虢涡的形成、运动和分裂，摩擦力做功。从而产生较大的能量损失，流量随之降低，这便是节流孔板的工作原理[4]。
3 最低工作压力校核实验
要满足建筑内给水系统各配水点单位时间内使用时所需的水量，水压应保证最不利配水点具有足够的流出水头，即最低工作压力。经过查阅其他文献可以发现，目前发表的论文很多是研究静压与流量的关系，也有一部分研究动压与流量关系，但是在相同静压条件下不同管段，用水点不同开启度以及不同的管段特性对应的流量都不相同，所以动压与流量的关系更有研究价值。
通过测量不同压力值对应的流量，总结出工作压力与流量的关系。对比静压与流量，工作压力与流量的关系，做出回归曲线用以计算在不同压力条件下相同检测状况下的流量值，并估算出合理的用水点额定压力范围。
本实验设计了一套拟测定民用住宅用水的流量与工作压力的装置，如图3-1，
实验选用天津市压力表厂远传压力表，测量范围为0-0.600MPa ，最小刻度为0.010MPa ，水龙头为普通陶瓷芯水龙头。以高层住宅混合水龙头有淋浴器转换开关处外接水龙头作为水源，测量全开状态下对应的流量与工作压力数值。测试时控制实验装置的水龙头出口与浴盆下方出口齐平。
图3-1 最低工作压力校核实验装置图
本实验测试时间为上午9：00－11:00以及夜里20：00-22：00，属于一般用水情况。实验通过调节出水点开启程度从而调节工作压力，模拟高层建筑的供水系统运行情况，主要考察流量与工作压力的关系。根据规范可知，对于混合水龙头有淋浴器转换开关时，额定流量为0.20L/s，公称管径为15mm 对应的最低工作压力应在区间0.050-0.100MPa 之间。同时实验在连接压力表的部位采用管径为50mm 的管件，主要是考虑到正常公称管径为15mm 时，流速过大，动压过大，不能反映出真实的压力，根据公式计算可知，管段管径为50mm 时比管径为15mm 的流速小了接近10倍，这样我们在50mm 管段处就忽略动压，压力表显示读数可以作为管段的工作压力值。
实验结论如下：
1）通过实验所测数据，描点得出流量与压力的散点图，对流量压力进行回归分析，做出回归曲线，如图2-2。当支管管径为15mm 时，对于规范中规定的民用建筑在0.20L/s的额定流量下对应的流出水头，即最低工作压力数值。回归曲线方程为：
Q 0. 6368H 0. 4085
2）从回归曲线可知，工作压力与用水点出流量是正相关的。
3）规范只规定了普通水龙头的最低工作压力不小于0.050MPa ，对应的额定流量为0.15~0.20 L/s。对照图3-2（普通水龙头流量与工作压力关系）可以验证试验结果与规范的对应值是一致的。从图3-2中可以看出工作压力达到0.100MPa
时对应的流量将近0.25 L/s，已经是超压出流了。工作压力与流量是正相关的。虽然规范没有明确最高工作压力，但通过实验数据分析可以明确看到，工作压力不应超过0.100MPa ，工作压力控制在0.050 MPa ~0.080 MPa之间为宜。这一点对于今后的建筑给水设计具有一定的指导意义。工作压力控制在适宜的范围之内不但使用舒适而且可以节水。
4 节流孔板节流效果实验
如果只考虑供水安全，那么超过最低工作压力都可以保证安全供水，在考虑供水安全的前提下，应同时综合考虑节水，所以应谨慎选择适合的供水压力，从而实现保证供水安全的前提下达到节约能源的目的。以下的实验就是通过实验来研究证明减压节流方式实现节水节能的效果。
实验通过在管段间加入自制不同孔径节流孔板，测量减压节流的板前和板后压力，计算不同节流孔板的节水效果，旨在选择给定管段在一定流量范围内对应的孔径大小，实验装置如图3.1所示。选用天津市压力表厂远传压力表，测量范围为0-0.600MPa ，最小刻度为0.010MPa ，以及上海伊川仪表厂压力表，测量范围同样是0-0.600MPa ，最小刻度为0.020MPa 。管段直径为15mm 。选用节流板孔径分别为3.0mm ，3.5mm ，4.0mm ，4.3mm ，4.8mm ，5.0mm ，5.3mm ，5.5mm 及6.0mm 。
图4-1 实验装置
实验测量在不同压力条件下减压节流孔板前后的压力值，共测量82组数据，并根据前期由此实验装置得出的同样管道条件下的工作压力与流量回归曲线Q 0. 6368H 0. 4085，计算出安装了不同孔径节流孔板对应的前后流量，并求出相应的节水效率。从中筛选适合安装孔板的用水点数据，条件如下：
（1） 即孔板前压力对应的流量超过0.240L/s就视为超压出流；
（2） 孔板后压力对应的流量不低于0.182L/s；
（3） 孔板后工作压力也应当高于0.0587MPa 。
不符合上述条件的数据，不能保证供水安全，所以不能采用该孔径的减压孔板。筛选符合实验要求的数据，共有28组实验数据符合要求，安装减压节流孔板后仍然能够保证供水压力与流量，实验数据见表1，表2。
表1 节流孔板孔径与压力流量的关系 孔径
mm
板前压
力
MPa
板后压
力
MPa
ΔP
MPa
对应流
量a
L/s
对应流
量b
L/s
ΔQ
L/s 3.5 4.3 4.8 5 0.245 0.26 0.275 0.305 0.315 0.33 0.283 0.337 0.204 0.224 0.193 0.235 0.253 0.283 0.061 0.063 0.068 0.07 0.075 0.083 0.06 0.07 0.063 0.07 0.065 0.08 0.085 0.095 0.184 0.197 0.207 0.235 0.24 0.247 0.223 0.267 0.141 0.154 0.128 0.155 0.168 0.188 0.358 0.367 0.376 0.392 0.397 0.405 0.38 0.408 0.333 0.346 0.325 0.352 0.363 0.38 0.203 0.206 0.212 0.215 0.221 0.23 0.202 0.215 0.206 0.215 0.208 0.227 0.233 0.243 0.155 0.161 0.163 0.177 0.176 0.174 0.178 0.193 0.127 0.131 0.117 0.125 0.131 0.137 节水率 43% 44% 43% 45% 44% 43% 47% 47% 38% 38% 36% 36% 36% 36%
表2 节流孔板孔径与压力流量的关系
孔径
mm 5.3 5.5 6.0
板前压力 0.166 0.184 0.214 0.144 0.154 0.164 0.174 0.191 0.133 0.153 0.173 0.203 0.223 0.233 MPa
板后压力 0.060 0.069 0.075 0.063 0.067 0.070 0.078 0.085 0.075 0.085 0.095 0.105 0.115 0.125 MPa
ΔP 0.106 0.115 0.139 0.081 0.087 0.094 0.096 0.106 0.058 0.068 0.078 0.098 0.108 0.108 MPa
对应流量a 0.325 0.319 0.339 0.289 0.297 0.304 0.312 0.324 0.279 0.296 0.311 0.332 0.345 0.351 L/s
对应流量b 0.208 0.214 0.221 0.206 0.211 0.215 0.225 0.233 0.221 0.233 0.243 0.254 0.263 0.272 L/s
ΔQ 0.117 0.105 0.118 0.083 0.085 0.089 0.087 0.091 0.058 0.063 0.068 0.078 0.082 0.079 L/s
节水率 36% 33% 35% 29% 29% 29% 28% 28% 21% 21% 22% 24% 24% 22%
实验结论如下：
（1）安装了节流孔板之后，在保证安全供水的前提下，管段的节水率可达47%，最低为21%；
（2）不同孔径节流孔板的平均节水率如表3，可知，对于给定管段，存在最佳孔板孔径，使管段在其流量范围内均保证较高的节水率。在本实验中，对给定的15mm 支管来说，最佳孔板孔径为4.3mm 。
5 结语
节流孔板在天津大学新园村二期高层试验过，现在还一直使用，节流效果非常好，流量减少了将近50%。
本文在研究中由于条件的限制还有许多不足之处：
（1）由于条件的限制，关于超压出流的试验只做了一个普通水龙头项目的测试。
（2）节流孔板试验只选用了用户端点的DN15管径进行的测试，其他管径的
没有测试。
（3）关于孔径的确定，不是连续的，也没有科学依据，是根据市场上现有的钻头的尺寸决定的。但测试数据反映的节流、降压的效果趋势基本是一致的。
参考文献
[1] 王增长. 建筑给水排水工程[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2] 朱蔚泓. 恒压变频调速给水方式在民用建筑的问题[J].工业安全与环保，2004，30(8)：26-27.
[3] 李玉华，张爱民. 高层建筑给水排水设计[M].哈尔滨，黑龙江科学技术出版社，2002.
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