配水器[即分水器(manifold)]是室内给水系统中,用于连接给水主管道与各用水器具的分水装置,即集中控制多支路供水的管道附件^[1]。配水器给水系统是在相同的供水压力和所处同一位置高度条件下,通过配水器将水量均匀地分配给各用水器具,是各用水点供水量相同而互不干扰的新型家装和公共设施给水系统。目前这种给水系统的使用在国内还处于起步阶段。我国《建筑给水排水设计规范》(GB50015-2003,2009年,以下简称“规范”)中规定:“敷设在垫层或墙体管槽内的管材,不得有卡套式或卡环式接口,柔性管材宜采用分水器向各卫生器具配水,中途不得有连接配件,两端接口应明露”;“配水管采用分水器集中配水,既可减少接口及局部水头损失,又可削减卫生器具用水时的相互干扰,获得较稳定的出口水压。”为了避免直埋管因接口渗漏而维修困难,故要求直埋管段中不应接驳或用三通分水配水,应采用软态给水塑料管分水器(配水器)集中配水,管接口均应明露在外,以便检修。

　　 我国室内给水管道多采用传统枝状供水方式,即直接通过三通、直通和弯头等配件连接管路形成的给水系统,这种方式存在水压不稳定、配水不均匀、中间配件隐患多等缺点^[2],特别是室内多个用水器具同时使用时,用水器具与来水方向的距离越远,其出水量越小。相比之下,配水器给水系统具有水压力稳定、出水量均匀的优点,尤其当室内多个用水器具同时使用的情况下优势更加明显。

　　 在配水器给水系统中,管材多采用柔性软态塑料管,如耐热聚乙烯(PE-RT)管、交联聚乙烯(PE-X)管、聚丁烯(PB)管等。上述3种管材相比,PE-RT管材具有良好的热稳定性、长期耐压性及抗蠕变开裂性能;生产过程无需交联工艺,产品均质性好;耐低温性和柔韧性好;且具有可回收、安装方便、价格适中等优势^[3~5]。

　　 鉴于目前传统枝状给水系统存在的问题及配水器在给水系统具有的实际应用潜力,本研究通过模拟两卫一厨户型的住宅给水管道系统,对比分析传统枝状给水系统和3种不同配水器给水系统的均匀配水性能,为其在供水领域的推广应用提供技术支撑。

　　 试验采用高位水箱供水,通过减压阀(DN25)控制入户压力,模拟两卫一厨户型进行试验,采用流量计(LZS-15型)测算不同给水形式的出水流量(由于采用的流量计量程为100~1 000L/h,读数中大于1 000和小于100的分别以1 000和100计)。给水方式分为传统枝状给水系统和配水器给水系统,进行对比试验研究。其中,传统枝状给水系统采用无规共聚聚丙烯(PP-R)管材及管件,管路设计方案如图1a所示;配水器给水系统采用冷热水用II型耐热聚乙烯双层复合(A⁺)管和A⁺分水器,管路设计方案分配水器1、配水器2和配水器3给水系统,分别如图1的b、c和d所示。传统枝状给水系统和配水器给水系统的主管管径均为DN25×en3.5,各系统的其他管段管径均为DN20×en2.8。

　　 各给水系统分别在0.24 MPa、0.2 MPa、0.15MPa和0.1 MPa的入户压力下进行试验,每个入户压力条件下各同时出水点的组合采用随机选取的方式。

　　 传统的枝状给水系统中,在几个人同时用水过程中存在水流量忽大忽小和热水器出水忽冷忽热的问题,这主要是由于室内给水系统中同时出水点个数及出水点组合情况导致水压力的变化引起。因此,本试验依次考察了4种不同给水系统中,同时出水点个数变化对各出水点的出水流量及出水均匀性的影响,结果如图2所示。

　　 由图2a和表1可知,随同时出水点个数增加,最不利点流量(最小流量)大幅度降低,并且在出水点数量相同的工况下,4种给水系统最不利点流量的大小顺序依次为配水器给水系统1≥给水系统3>给水系统2>传统枝状,表明配水器给水系统的水力条件优于传统枝状给水系统,这主要是由于传统枝状给水系统三通、弯头、直通等管配件的使用,增加了局部水头损失等。同时,配水器系统1和3的水力条件均优于配水器系统2,这可能是由于配水器系统2每个出水点对应支路上均串联了2个分水器,增加了系统的局部水头损失。

　　 从图2b可以看出,传统枝状系统的最大流量与最小流量的比值随同时出水点数增加大幅度增大,说明在传统枝状系统中,出水点个数对各出水点出水均匀性影响显著。而在3个配水器系统中,当出水点数为2~7个时,最大流量与最小流量的比值范围为1~2.5(传统枝状的比值为1.65~8.3),表明同时出水点个数对配水器系统的出水均匀性的影响远低于传统枝状系统。因此,配水器系统能有效减小出水点个数对出水均匀性的影响。这是由于配水器系统省去了三通、弯头等一系统局部阻力配件,相同压力、管径和位置高度保证了各出水点管路的局部水头损失相差较小。

　　 系统压力是影响配水点流量和配水均匀性的重要因素,“规范”3.3.5A条明确规定,居住建筑入户管给水压力不应大于0.35MPa,否则宜设减压或调压设施。因此,本试验测定了入户水压力分别为0.24 MPa、0.2 MPa、0.15 MPa和0.1 MPa时,同时有6个出水点的运行工况下,4个给水系统的出水流量,对比分析了各系统的出水均匀性,结果如图3所示。

　　 由图3a可知,传统枝状和配水器给水系统的最大流量和最小流量均随入户水压力的增加而增大。在各入户压力下,最不利点流量(最小流量)的大小顺序均为配水器1>配水器3>配水器2>传统枝状。

　　 从图3b可以看出,在入户水压力为0.1~0.24MPa时,传统枝状管路系统的最大流量与最小流量比值范围为5.26~7.69,且当入户水压力大于0.1 MPa时(当入户压力为0.1 MPa时,最小流量按100L/h,最大流量与最小流量比值为6.3,但实测最小流量低于100L/h,因此该压力下实际比值可能远大于6.3),该比值随入户水压力降低而增加,即随入户水压力降低,系统配水均匀性变差,这可能主要是因为随着压力的增加,各配水点的压力差逐步减小。相比之下,在配水器1、配水器2和配水器3给水系统中,随着入户水压力的变化,最大流量与最小流量的比值均相对保持稳定,分别为1.5~1.57、2.56~2.68和1.86~2.21。这说明入户压力的变化并未对配水器给水系统的出水均匀性产生较大影响。因此,与传统枝状系统相比,配水器系统能有效避免随入户水压力降低,出水均匀性变差的现象。

　　 工程中的给水管道往往由不同直径、不同长度的管段组合形成复杂管道,可以认为由2种基本类型管道组成,即串联管道和并联管道。传统的枝状管路为串联管路,沿程通过可造成局部阻力的配件向几个点供水,经过一段距离后有流量分出,随着沿程流量减少,所采用的管径也有相应减小的情况,当几个用水点同时使用时,自然会造成配水不均匀,且距离来水方向越远水量越小。相反,配水器供水的机制是基于并联管道的理论。

　　 例如图1中的给水系统3中一个配水器,3个同时出水点都在相同的大气压下出水,称为3根并接的并联管路系统。根据并联管路的计算原理,依据伯努利方程和连续性方程,进行以下计算分析。

　　 首先假定并联管路中各支管的阻力损失均相等,并联管路一般按长管计算,则每条管路均为简单管路,忽略局部水头损失,沿程水头损失表示为:

　　 式中h_f、h_f1、h_f2和h_f3分别为配水器和3个同时出水点管路的沿程水头损失;S₁、S₂和S₃分别为各管段的比阻;l₁、l₂和l₃分别为各管段的长度;Q₁、Q₂和Q₃分别为各出水点管段的流量。

　　 同时根据连续性方程,总管道的流量应等于各支管流量之和,即:

　　 式中Q为管道总流量,其他变量含义同式(1)、式(2)。

　　 根据计算式(1)、(2)和(3)和配水器实际构造与分水功能以及结合试验结果,分析结果如下:配水器三个同时出水口管径一样,通过柔性塑料管连接,中间无三通、弯头、直通等局部阻力配件,水力条件一样,使最终各出水点的流量差主要取决于管线长度造成的沿程水头损失差,但是这个差别在住宅内部是很小的,几乎一致,这是保证配水器配水均匀的主要原因和理论依据。

　　 (1)配水器的出水流量均匀且稳定,可削减各卫生器具同时用水时的相互干扰。

　　 (2)各系统的最不利点流量均随同时出水点个数增加逐渐减小,4种系统的给水条件优劣顺序为配水器1≥配水器3>配水器2>传统枝状给水系统;随同时出水点个数增加,传统枝状给水系统的配水均匀性大幅度降低,而3种配水器给水系统的配水均匀性均相对稳定,可有效克服家庭用水过程中水量不稳定和热水器出水忽冷忽热的问题。

　　 (3)传统枝状和配水器给水系统的最大流量和最小流量均随入户水压力的增加而增大。同时,随入户压力逐渐降低,传统枝状系统的配水均匀性逐渐变差,而配水器系统的配水均匀性则稳定,有效避免随住宅入户压力变化,给水系统配水均匀性不稳定的现象。

　　 (4)在3种不同的配水器给水系统中,水力条件和配水均匀性优劣顺序依次为配水器1>配水器3>配水器2。因此,配水器1给水系统适合对管路系统配水均匀性要求较高的用户,如需兼顾配水均匀性及管材造价,可选择配水器3给水系统。