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【接 水暖技術(shù)篇：什么是系統(tǒng)的工作壓力（上）】

問題三：有了以上基礎(chǔ)，這些毀三觀的觀點 難道都是正確的？

  1、輸入設(shè)備恒定，在一段管網(wǎng)中，流速越高，管網(wǎng)壓力越小，流速越低，管網(wǎng)壓力越大。
  小伙伴門一直有個誤區(qū)，認(rèn)為管網(wǎng)流速越高，管網(wǎng)壓力就越高，一個大的值對應(yīng)一個大的結(jié)果，小伙伴們都樂于理解。然而事實為什么是管網(wǎng)流速越高，管網(wǎng)的壓力反而越小呢？借用圖集15S509來做這個解釋：

  GB50974-2014定義的動水壓力，實際就是流體力學(xué)一元流動模型的靜壓（測壓管水頭），除了名稱變化以外，其他均正確，按2.1.12表述：動水壓力=總壓力-速度壓力（即是靜壓=總壓-動壓）。那么不難看出，管道輸入設(shè)備恒定的情況下，流量與揚(yáng)程恒定，降低管徑會導(dǎo)致流速增大，進(jìn)而速度水頭增大，總壓不變的情況下，該段管道的靜壓勢必減?。煌?，放大管徑會導(dǎo)致流速降低，進(jìn)而速度水頭降低，總壓不變的情況下，該管道的靜壓勢必增大。形象點來講，輸入設(shè)備恒定，這段管徑從小到大變化，壓力表讀數(shù)也會從小到大依次變化。如果小伙伴您已經(jīng)看到這里，想必也會有一些想法了，實際這就是個能量守恒的概念，輸入設(shè)備的壓力用來創(chuàng)造靜壓強(qiáng)與水流動，流動占比大了，靜壓強(qiáng)部分占比一定會變小。這還是伯努利方程的概念，有興趣的小伙伴可以自行復(fù)習(xí)。
  2、關(guān)于消火栓栓口壓力的要求，原來真相不是直接加入泵的揚(yáng)程那么簡單？
  GB50974-2014．條文7.4．12 室內(nèi)消火栓栓口壓力和消防水槍充實水柱，應(yīng)符合下列規(guī)定：
    1 消火栓栓口動壓力不應(yīng)大于0.50MPa；當(dāng)大于0.70MPa時必須設(shè)置減壓裝置；
    2 高層建筑、廠房、庫房和室內(nèi)凈空高度超過8m的民用建筑等場所，消火栓栓口動壓不應(yīng)小于0.35MPa，且消防水槍充實水柱應(yīng)按13m計算；其他場所，消火栓栓口動壓不應(yīng)小于0.25MPa，且消防水槍充實水柱應(yīng)按10m計算。
  小伙伴們千萬不要被這措辭中的動壓誤導(dǎo)，GB50974-2014有自己的套路，在術(shù)語解釋中已經(jīng)說明：動水壓力簡稱動壓，而前面已經(jīng)列舉15S909的解釋，這本規(guī)范所定義的動水壓力，就是流體力學(xué)的靜壓（測壓管水頭），看到這里，小伙伴們是不是覺得發(fā)現(xiàn)了什么。是的，這個栓口壓力要求，按照該規(guī)范的解釋，實際上是栓口靜壓要求，那么問題就來了，栓口靜壓要求達(dá)到這個數(shù)值，究竟應(yīng)該如何計算，我們平常直接加在計算泵的揚(yáng)程里的計算方式有什么不妥？我們再來看該規(guī)范的另一個條文：

  筆者只想說，看見這個條文，有點意識到這本規(guī)范對于管道壓力的要求都是滿滿的套路。GB50974-2014規(guī)范從術(shù)語，定義，條文，到給出公式，定義管網(wǎng)的壓力，都是在完完全全等同于如何算流體力學(xué)的靜壓（測壓管水頭）。如果按照規(guī)范的定義，計算栓口壓力要求時，就必須還要附加栓口的動壓（速度水頭）才是該點的總壓力（即是泵至該處的富裕水頭），這個附加值平時看著很小，但是假設(shè)這種情況，消火栓系統(tǒng)用水量為40L/s，系統(tǒng)使用時，開啟一個栓頭，DN65栓頭流速約：11.34m/s，動壓為：6.43m（這個量綱就是m，不是pa小伙伴們請注意），而這6m左右的單個栓頭動壓損失，我相信大部分設(shè)計人員是沒有考慮過的，或者并沒有意識到這個存在，因為大部分設(shè)計人員已經(jīng)習(xí)慣了在選泵時附加1.1-1.2的系數(shù)，細(xì)部數(shù)據(jù)統(tǒng)統(tǒng)在這系數(shù)里面。而同樣的道理，就是減壓要求壓力的計算，實際我們也僅僅是把水泵揚(yáng)程至某點處的全壓，當(dāng)做靜壓來做減壓計算。

  3、管網(wǎng)中存在不同向作用壓強(qiáng)時，管網(wǎng)只能表征作用壓強(qiáng)大的那一側(cè)的壓強(qiáng)。即位置水頭（重力作用）需要選擇性附加？
  我們回到《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》GB50974-2014 8．2．3 全條文：高壓和臨時高壓消防給水系統(tǒng)的系統(tǒng)工作壓力應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)在供水時，可能的最大運(yùn)行壓力確定，并應(yīng)符合下列規(guī)定：
    1 高位消防水池、水塔供水的高壓消防給水系統(tǒng)的系統(tǒng)工作壓力，應(yīng)為高位消防水池、水塔最大靜壓；
    2 市政給水管網(wǎng)直接供水的高壓消防給水系統(tǒng)的系統(tǒng)工作壓力，應(yīng)根據(jù)市政給水管網(wǎng)的工作壓力確定；
    3 采用高位消防水箱穩(wěn)壓的臨時高壓消防給水系統(tǒng)的系統(tǒng)工作壓力，應(yīng)為消防水泵零流量時的壓力與水泵吸水口最大靜水壓力之和；
    4 采用穩(wěn)壓泵穩(wěn)壓的臨時高壓消防給水系統(tǒng)的系統(tǒng)工作壓力，應(yīng)取消防水泵零流量時的壓力、消防水泵吸水口最大靜壓二者之和與穩(wěn)壓泵維持系統(tǒng)壓力時兩者其中的較大值。
  相信，第1/2條，小伙伴們不會有什么疑問。關(guān)于第3/4條有兩點疑問，第一，為什么要求是水泵零流量時的壓力？第二，為什么要水泵吸水口最大靜壓附加或者比較穩(wěn)壓壓力附加？
  我們先看如下解釋：

  上圖出自《實用供熱空調(diào)設(shè)計手冊第二冊》下，26.2.1水系統(tǒng)的承壓。小伙伴們暫時可以只看（2）條的解釋，筆者暫時未找到更好的資料截圖。
  第一個疑問：前面已經(jīng)表述，計算系統(tǒng)的工作壓力，歸根到底就是計算系統(tǒng)的最大靜壓（測壓管水頭），如上圖描述，在水泵啟動瞬間，水流尚未形成，也就是動壓（速度水頭）尚未形成，而水泵的全壓已經(jīng)輸出（對于泵與風(fēng)機(jī)這類流體輸送設(shè)備，全壓是如何實現(xiàn)，以及如何調(diào)教出流量/揚(yáng)程參數(shù)各異的流體輸送設(shè)備感興趣的小伙伴，可自行腦補(bǔ)大學(xué)教材《泵與風(fēng)機(jī)》），此時全壓全部以靜壓的形式作用于管道中，故此時泵向管網(wǎng)中輸入的靜壓（測壓管水頭）最大，水泵零流量時的壓力，一般為額定揚(yáng)程的1.2-1.4倍（后續(xù)表述均假設(shè)為1.2倍）。
  第二個疑問：就是位置水頭需要選擇附加的問題，如下圖所示

  B處壓力表，在系統(tǒng)未運(yùn)行時，讀數(shù)僅為水箱位置水頭作用H2，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，由于泵的作用壓強(qiáng)克服了位置水頭（重力）作用，即由下至上的靜壓強(qiáng)作用，大于來自水箱的由上至下的靜壓強(qiáng)作用，故壓力表，只能表征作用壓強(qiáng)大的那一側(cè)的壓強(qiáng)，所以此時的讀數(shù)與H2沒有關(guān)系；同樣的道理，來自水池至泵吸水口的位置水頭h的作用，與泵的流向相同，及與泵的輸出壓力相同，故而對系統(tǒng)來說是靜壓疊加，要附加到系統(tǒng)工作壓力的計算中（這個作用在教材中，又稱之為位置水頭的促進(jìn)與阻礙作用）。所以上圖這種系統(tǒng)，工作壓力為1.2P+h，系統(tǒng)所能達(dá)到的最大壓力讀數(shù)位于水泵出水口的壓力表A，最大讀數(shù)發(fā)生在水泵啟動瞬間。如果這個例子還不過癮，那么請看下圖：

  這是做暖通的小伙伴常會遇到的循環(huán)系統(tǒng)（簡化表示），膨脹水箱定壓，此時由于泵的吸入口靜壓為H1，出口靜壓也為H1，按照常理，泵的吸入口靜壓作用就可以抵消泵的出口靜壓作用，故水泵的揚(yáng)程，只需要考慮克服管道水頭損失，而無需考慮克服位置水頭的作用。但這樣的系統(tǒng)，在計算工作壓力時，位置水頭的作用依然是選擇附加，泵吸入口的H1靜壓作用與泵的輸出方向一致，對A點的作用是與泵的全壓疊加，故這類系統(tǒng)的工作壓力為1.2P+H1。
   我們再回到GB50974-2014,8.2.3條4小條的系統(tǒng)：

  條文說的是，比較穩(wěn)壓壓力C與泵作用方式壓力的大值，若穩(wěn)壓壓力為Pc，那么由穩(wěn)壓裝置作用到A點左側(cè)的靜壓為Pc+H1，泵啟動瞬間的作用于A點右側(cè)的靜壓為1.2P+h，需要比較這兩個壓力的大小然后取較大值，來確定A點所能達(dá)到的最達(dá)靜壓。（筆者知道15S909-81頁的圖示，標(biāo)注與此圖有所不同，但筆者個人認(rèn)為15S909-81頁的圖示有失偏頗，圖集H標(biāo)注未考慮泵房管網(wǎng)的承壓）。
我們再描述一種暖通系統(tǒng)帶穩(wěn)壓泵時，系統(tǒng)的工作壓力：

  《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》條文8.5.16. 1條規(guī)定：  補(bǔ)水泵的揚(yáng)程，應(yīng)保證補(bǔ)水壓力比補(bǔ)水點的工作壓力高30kPa～50kPa；補(bǔ)水泵的補(bǔ)水點為主循環(huán)泵的吸入口，該點的工作壓力為H，高于本點3-5m，按字面意思，很多小伙伴會認(rèn)為穩(wěn)壓泵的揚(yáng)程就是H+（3-5）m，實際不是的，要想達(dá)到比該點工作壓力還要高3-5m，實際上是要求穩(wěn)壓泵的揚(yáng)程計算至D點的富裕水頭還剩余3-5m，故計算穩(wěn)壓泵的揚(yáng)程時，還要附加這段管路的水頭損失。這類系統(tǒng)的工作壓力(如果小伙伴計算準(zhǔn)確的話穩(wěn)壓壓力確實只高于D點3-5m)為：1.2P1+H+(3-5)。

  流體力學(xué)的動壓與靜壓的關(guān)系，在各種管網(wǎng)中的作用還涉及非常多的方面。例如做暖通風(fēng)管的小伙伴知道，同一段風(fēng)管上安裝好幾個風(fēng)口，如果不依賴風(fēng)口調(diào)節(jié)閥，單看做是開一個風(fēng)口，各風(fēng)口的出風(fēng)量會在氣流方向上依次減小，越往末端減弱幅度越大，開在風(fēng)管壁的風(fēng)口的出流能力，實際上是由風(fēng)管內(nèi)部的靜壓所決定的，如果主管風(fēng)速越大勢必內(nèi)部靜壓就會越小，壓向管道壁風(fēng)口的作用壓強(qiáng)（旁流能力）就會越弱，相反主管風(fēng)速越低，內(nèi)部靜壓反而越大，作用在管道壁風(fēng)口上的作用壓強(qiáng)就越強(qiáng)（旁流能力）就會越強(qiáng)。所以老工程師他們畫風(fēng)管時，會有比較標(biāo)準(zhǔn)的變徑來控制各風(fēng)口的出流能力，筆者所舉例僅是入門見解，這種方法在計算風(fēng)管管網(wǎng)水力時叫靜壓復(fù)得法，感興趣的小伙伴也可以自行復(fù)習(xí)。水管的旁流能力也會受此影響，只是水管的管徑相對流束來說較小，支管旁流能力或多或少也會略微受動壓影響。
  表達(dá)管網(wǎng)壓力更為準(zhǔn)確的就是連續(xù)性方程，伯努利方程，及動量方程。本文的所有內(nèi)容，其實就是一個伯努利方程而已。靜壓、動壓的相對關(guān)系涉及流體力學(xué)技術(shù)的方方面面，再列舉些有趣的生活中的例子。眾所周知，高速流體的附近會有產(chǎn)生負(fù)壓，正是由于一束空氣流速太快，該束空氣自身內(nèi)部的靜壓會降得非常低，乃至于降低到低于周圍正常狀態(tài)的氣流，進(jìn)而周圍正常狀態(tài)的氣流會由于自身內(nèi)部靜壓強(qiáng)大于該束空氣而被吸附過去，例如家里的窗戶開著，如果外面有風(fēng)，窗簾就會被吸附到窗框上去。還有固定翼飛機(jī)的機(jī)翼最原始的理論，機(jī)翼上端是凸起狀態(tài)，下部平直，機(jī)翼通過同一個空氣束空間時，上部的路程會比下部路程遠(yuǎn)，進(jìn)而上部空氣流速勢必大于下部空氣流速，進(jìn)而上部空氣靜壓強(qiáng)會低于下部空氣靜壓強(qiáng)，隨著流速差異的進(jìn)一步增大，機(jī)翼下部的空氣靜壓強(qiáng)與上部靜壓強(qiáng)之差能達(dá)到托舉起整個飛機(jī)的重量。
  作為一名水暖工程師，工作本不具有太多創(chuàng)造性，了解過多的理論也許不如熟讀規(guī)范，遍識圖集來的可靠。在大多數(shù)情況下，實際工程管網(wǎng)里速度水頭的作用相對于總壓來說都非常小（大部分管網(wǎng)流速控制在0.8-2.0m/s之間），我們已經(jīng)習(xí)慣了自動忽略它，再加之多年的工程師口口相傳的經(jīng)驗系數(shù)，從工程計算得出的結(jié)果來講也幾乎沒有差異，所以對管網(wǎng)壓力本質(zhì)的分析，已經(jīng)漸漸被我們淡忘。但作為一個熱愛技術(shù)，熱愛工作的人，應(yīng)對技術(shù)保持興趣，知其然的同時，也應(yīng)有探索其所以然的態(tài)度。帶著求知的精神，在枯燥的行業(yè)中創(chuàng)造生機(jī)，給無趣的工程輸入更多的靈感，這是我們的使命和責(zé)任。筆者誠惶誠恐寫完本期微文，入門見解，靜待前輩高人指點一二。