室內(nèi)生活熱水系統(tǒng)CAD管路設(shè)計(jì)計(jì)算的解決方案

室內(nèi)生活熱水系統(tǒng)CAD管路設(shè)計(jì)計(jì)算的解決方案論文名稱：室內(nèi)生活熱水系統(tǒng)CAD管路設(shè)計(jì)計(jì)算的解決方案

作者：孟廣田趙志安李守功

摘要：分析了室內(nèi)集中熱水管網(wǎng)的特點(diǎn)，建立了熱水管網(wǎng)的枝狀、環(huán)狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提供了效率較高的算法，計(jì)算數(shù)據(jù)的提取與返回均在平面設(shè)計(jì)過程中完成，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算繪圖一體化。

關(guān)鍵字：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)熱水系統(tǒng)水力熱力計(jì)算ResearchonDesignandCalculationwithPipingCADforIndoorHotWaterSystemMengGuangtianZhaoZhian

(InstituteofAirConditioning,ChinaAcademyofBuildingResearch)

LiShougong

(InstituteofBuildingStructures,ChinaAcademyofBuildingResearch)AbstractInthispaperthehydraulicandthermalcalculationofindoorhotwaterpipenetusedinCADisdiscussedandthedatastructureofbothbranchandcirclepipenetsdescribed.Alldesigndataofthehotwatersystemcanbegainedandreturnedtodrawingthroughinputbydesigners,forminganintelligentCADsystemofhotwatersystem.

Keywordsdatastructure;hotwatersystem;hydraulicandthermalcalculation隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，生活熱水系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用日趨廣泛，迫切需要熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件。室內(nèi)生活熱水系統(tǒng)按照循環(huán)方式可分為全循環(huán)管網(wǎng)、半循環(huán)管網(wǎng)和非循環(huán)管網(wǎng)。對于循環(huán)管網(wǎng)，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算由熱力計(jì)算和水力計(jì)算組成，熱力計(jì)算部分非常繁瑣，設(shè)計(jì)人員進(jìn)行手工計(jì)算難度較大。熱水系統(tǒng)計(jì)算繪圖一體化軟件在國內(nèi)成型的產(chǎn)品很少，不能滿足設(shè)計(jì)單位的需求，對其進(jìn)行開發(fā)具有研究價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。1室內(nèi)生活熱水系統(tǒng)的枝狀、環(huán)狀管路結(jié)構(gòu)對生活熱水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵在于根據(jù)系統(tǒng)管路建立正確簡明的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。以下介紹全循環(huán)、半循環(huán)、非循環(huán)熱水管網(wǎng)的管路結(jié)構(gòu)：

全循環(huán)管網(wǎng)即所有配水干管、立管和分支管都設(shè)有相應(yīng)的回水管道，可保證配水管網(wǎng)任意點(diǎn)水溫的熱水管網(wǎng)。其典型形式見圖1。圖1全循環(huán)系統(tǒng)半循環(huán)管網(wǎng)僅熱水干管設(shè)有回水管路，只能保證干管中的設(shè)計(jì)溫度的熱水管。其典型形式如圖2。

非循環(huán)管網(wǎng)即不設(shè)回水管路的熱水管網(wǎng)。圖2半循環(huán)系統(tǒng)2熱水管路枝狀、環(huán)狀管路的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述上述三種熱水系統(tǒng)的管路可視為由配水管網(wǎng)與回水管網(wǎng)組成（非循環(huán)管網(wǎng)回水管路數(shù)為零），建立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，分別建立配水、回水管網(wǎng)的結(jié)點(diǎn)、管路結(jié)構(gòu)。

結(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)定義如下：

STRUCTRURE/POT/

INTEGER*2JD結(jié)點(diǎn)號

INTEGER*1JDNUM結(jié)點(diǎn)的度

INTEGER*2JDTT（4）結(jié)點(diǎn)的孩子數(shù)組

INTEGER*1SIGN配水結(jié)點(diǎn)與回水

結(jié)點(diǎn)的連接標(biāo)記

INTEGER*1ID結(jié)點(diǎn)的遍歷標(biāo)記

********結(jié)點(diǎn)的物理參數(shù)

管段的結(jié)構(gòu)定義如下：

STRUCTURE/PIPE/

INTEGER*2JD1管段起始結(jié)點(diǎn)號

INTEGER*2JD2管段終止結(jié)點(diǎn)號

********管段的物理參數(shù)

配水管網(wǎng)結(jié)點(diǎn)和回水管網(wǎng)結(jié)點(diǎn)組成各自的枝狀結(jié)構(gòu)，基于配水枝狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)水力計(jì)算。對于循環(huán)系統(tǒng)，根據(jù)配水結(jié)點(diǎn)與回水結(jié)點(diǎn)的連接信息（POT.SIGN），將兩個(gè)枝狀結(jié)構(gòu)組成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)，完成兩個(gè)枝狀結(jié)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)傳遞。全循環(huán)系統(tǒng)和半循環(huán)系統(tǒng)在這種結(jié)構(gòu)下的區(qū)別僅在于配水回水連接信息的不同，而循環(huán)計(jì)算是從配水回水連接點(diǎn)開始的，這樣無需輸入系統(tǒng)種類信息，程序就可以處理不同的循環(huán)方式了。對非循環(huán)系統(tǒng)，程序則僅對它進(jìn)行配水計(jì)算。至此，熱水環(huán)路計(jì)算的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就建立起來了。3系統(tǒng)水力熱力計(jì)算計(jì)算所需的管路數(shù)據(jù)由設(shè)計(jì)者在平面設(shè)計(jì)繪圖中輸入，系統(tǒng)對管段進(jìn)行自動處理，相交處自動斷管，生成結(jié)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)過程中可隨時(shí)對管段結(jié)點(diǎn)的成員變量進(jìn)行修改。

3.1配水管網(wǎng)水力計(jì)算

配水管網(wǎng)水力計(jì)算在于確定配水管網(wǎng)的管徑和水頭損失，復(fù)核管網(wǎng)水壓是否滿足衛(wèi)生器具的流出水頭的水壓要求。在本計(jì)算模型中，由配水結(jié)點(diǎn)捕捉各衛(wèi)生器具和設(shè)備，得到流出水頭和流量（或當(dāng)量），由枝狀結(jié)構(gòu)完成各管路的流量、阻力計(jì)算，最后得出管段管徑和結(jié)點(diǎn)水壓。

3.2配水管網(wǎng)熱力計(jì)算

(1)給出初始參數(shù)由設(shè)計(jì)者給出加熱器出口水溫、最不利配水點(diǎn)水溫等初始參數(shù)，所有參數(shù)系統(tǒng)都設(shè)有默認(rèn)值，設(shè)計(jì)者只需做局部修改，參數(shù)設(shè)置對話框如圖3所示。圖3熱水系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)設(shè)置對話框（2）估算各結(jié)點(diǎn)水溫根據(jù)配水管網(wǎng)最大溫度降和各管段溫降因素M，由式（1）按比例估算各結(jié)點(diǎn)水溫：(1)式中，tn為n結(jié)點(diǎn)水溫；tn-1為n－1結(jié)點(diǎn)水溫；Mn為n管段溫降因素；ΔT為配水最大溫降；ΣM為溫降因素總和。

在本程序中先對最不利管路結(jié)點(diǎn)水溫進(jìn)行計(jì)算，再由枝狀結(jié)構(gòu)從已知結(jié)點(diǎn)水溫推算出其它支路結(jié)點(diǎn)水溫。

（3）計(jì)算配水管網(wǎng)熱損失由式(2)計(jì)算配水各管段熱損失W：W=πDlk(1－η)(tm－tk)(kW)（2）式中，D為管段外徑（m）；l為計(jì)算管段長度(m)；k為無保溫時(shí)管段傳熱系數(shù)(kW/m2.℃)；η為保溫系數(shù)；tm為計(jì)算管段平均水溫；tk為計(jì)算管段周圍的空氣溫度（℃）。

（4）計(jì)算循環(huán)流量由式(3)計(jì)算總循環(huán)流量：Qx=ΣW/cΔT（3）式中，Qx為總循環(huán)流量(kg/s)；ΣW為配水管路總熱損失(kW)；ΔT為配水最大溫降（℃）；c為水的比熱（kJ/kg.℃）。

利用枝狀結(jié)構(gòu)各結(jié)點(diǎn)的孩子數(shù)組，根據(jù)如下原則分配各分支管的循環(huán)流量：

①從水加熱器后的第1個(gè)結(jié)點(diǎn)開始依次進(jìn)行分配；

②對任一結(jié)點(diǎn)，分支管循環(huán)流量代數(shù)和為零；

③對任一結(jié)點(diǎn)，各分支管段的循環(huán)流量與其以后全部循環(huán)配水管道的熱損失之和成正比。

（5）計(jì)算循環(huán)水頭損失回水管管徑采用比相應(yīng)配水管段管徑小兩號，根據(jù)式（4）計(jì)算循環(huán)水頭損失H：H=ΣRl+Σζv2r/2g（4）式中，R為單位長度沿程水頭損失(Pa/m)；l為管段長度(m)；ζ為局阻系數(shù)；v為水循環(huán)流速(m/s)；r為水密度(kg/m3)；g為重力加速度(m/s2)。

對于式中的局阻系數(shù)，本程序由管段枝狀結(jié)構(gòu)判斷彎頭、三通、四通；根據(jù)平面輸入信息得到各種管道附件位置管徑，計(jì)算它們的局阻系數(shù)。4生成計(jì)算書，并將計(jì)算結(jié)果返回平面圖計(jì)算結(jié)束后，系統(tǒng)生成三個(gè)文檔，分別記錄計(jì)算的原始數(shù)據(jù)、計(jì)算結(jié)果和計(jì)算草圖。計(jì)算結(jié)果包括管網(wǎng)各管道管徑、結(jié)點(diǎn)水溫、結(jié)點(diǎn)壓頭、系統(tǒng)配