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4 月 22, 2021

更加精确的高峰用水需求量估算说明 — 无需微积分知识

如果您不是工程师的话,或许永远不会考虑贯穿整个建筑其中的管道尺寸。 我们很幸运,工程师们的确会考虑这些管道的相关事宜,而且这比我们大多数人想到的更为复杂

一般来说,指定可以为建筑中的每个洁具提供充足的水压以正常运转的最小管道尺寸是工程师的工作之一。 而这一决策是依靠对高峰用水需求量的准确估计而作出的。

数十年来,工程师们使用诞生于 1940. 年的一个公式来估算高峰用水需求量。现在,仕龙首席科学家 Kay Herbert 博士研发了一个新的公式,可得到更准确的用水需求量估算值,这对于 COVID-19 疫情之后时期中努力应对绿色技术、免接触式洁具和卫生问题的现代工程师来说非常理想。

如果您是一名管道工程师,您一定希望下载 Herbert 博士的白皮书。 如果您不是,那么应该下载它并与您团队中的工程师分享

为什么估计用水需求量如此重要,又如此困难

为什么为一座建筑指定正确尺寸的管道如此重要?

估算高峰用水需求量

  • 过大的管道
    • 会花费比需要的更多的成本
    • 会收集多余的、可能会滋生病原体的水
  • 过小的管道
    • 通过的水量不足以支持洁具在用水高峰期时正常运行

这就是为什么工程师们必须指定正确大小的管道 — 不仅仅为了主要建筑的供水量,还是为了满足建筑中每一根管道的需求。 确定正确的规格取决于对高峰用水需求量的准确估计 — 系统在 1 小时之内的平均最大负载。

如果建筑中只有一个洁具,估计高峰用水需求量将会很简单。 但这种估计会较为复杂,因为:

  • 即使是在小型建筑中也有数个水龙头和冲洗阀,而大型建筑中可能有数千个
  • 水龙头和冲洗阀并非持续运行,而是仅在人们使用时工作
  • 建筑中的人群分布情况可能在一天中的不同时间段、或在不同的日期有着较大的变化
  • 建筑中不同部分的洁具可能被设置为不同的流量
  • 多层建筑必须使用机械泵,以克服水在垂直管道中上升时水压的下降

Roy Hunter 在 1940 年发表了开创性的论文,论文将这些变量计算在内,并成为了几代工程师用来估计管道系统负载的标准。 虽然 Hunter 的系统对管道应用作出了巨大贡献,但对现代管道系统来说还有一些差距

许多工程师使用 IAPMO 计算器,该工具以 Hunter 曲线为基础,而该曲线未将不同的水压和洁具流量考虑在内。

这就是为什么仕龙的 Herbert 博士研发了一个新的公式。

Hunter 曲线说明 — 无需微积分知识

工程师们或许会觉得这一说明过于简化了,但我们这些不是工程师的人可能并不像他们一样精通微积分。

Hunter 曲线假设每一个管道洁具都有预设的开启时间,在开启期间,它们以特定的流量在特定的时间段内抽水 每一个洁具都有最小的预设使用间隔,会受到建筑中的人数、人们的行为以及洁具的特性影响。

Peak_Demand_Variable

  • 洁具
  • 流量
  • 持续时间
  • 使用间隔时间
  • 建筑中的人数
  • 洁具特性

由于这些变量中的数项会随时间发生剧烈变化,估算高峰用水需求量变成了一个概率问题。 Hunter 提出使用每个洁具“使用中”可能性的第 99 百分位 — 也就是说最多的洁具同时运行 — 来创建他的概率曲线。

但是,Hunter 需要为每个洁具赋任意值,以考虑有着不同流量的多种洁具类型。 这就是为什么 Hunter 的方法在估算现代洁具的高峰用水需求量时会有大于 20% 的误差

卷积可以如何克服复杂性

当您将每个变量的所有可能性考虑在内时,准确估算高峰用水需求量的复杂性是很惊人的。

例如: 当水在高层建筑中泵送时,水压在每一层间都不同。 设置为给定冲水量的冲洗阀在较高的水压下开启的时间更短,这导致阀门开启的可能性更低,从而影响需求量的计算。 您对建筑中的每一层都可能会有不同的计算

根据 Herbert 博士的理论,对所有变量的精确枚举需要 2n 的计算量,其中 n 是建筑中洁具总数。 有 1,000 个洁具的建筑需要 21000 次计算。 而这一数字有 302 位,您将需要 NASA 级别的计算能力。 还有一些其他的方法,针对大型建筑计算精确度较高,而针对小型建筑精确度较低。

计算高峰用水需求量的 Hunter 公式 对比 Herbert 公式

Hunter 曲线:

  • n = 1000 洁具数量
  • 2n 计算次数
  • 302 位数字
  • 需要今天也无法获得的大规模计算能力

Herbert 博士的方法:

  • n = 1000 洁具数量
  • n2 计算次数
  • 1 百万,仅有 7 位的数字
  • 需要笔记本电脑

Herbert 博士的公式目前最准确。 它使用了卷积 — 对两个函数进行的数学运算,表示其中一个函数的形状是如何被另一个函数修改的。 (对于我们这些不是数学家的人来说,Herbert 博士将它描述为“一种梦幻的乘法”。)

使用卷积,在估算高峰用水需求量时将所有可能性考虑在内所需要的计算数量仅为 n2,,其中 n 是建筑中的洁具总数。 在有 1000 个洁具的建筑中,即为 10002, 或 100 万次计算,这是较轻的计算量

减轻了多少? Herbert 博士在笔记本电脑上运行了这一方法。

使用 Herbert 博士公式的三个原因

为什么您或您团队中的工程师应该考虑升级高峰用水需求量估算的精确性? 有三个原因。

  1. 成本。 据 Herbert 博士称,大部分工程师在知道他们的预估可以降低 20% 的情况下,还会指定比所需更大的管道。 他们的理由是,与其冒着在用水高峰期时管道无法输送足够水的风险,还不如花更多的钱。
  2. 卫生。 这些过大的管道更有可能保存积水,这些积水有可能会滋生军团菌和其他病原体。              
  3. 可持续性。 当调整到正确的流量时,现代水龙头和冲洗阀可以提供最佳的节水性能。 当工程师们要更精确地估算高峰用水需求量时,也会需要精确的流量,因此他们有可能会把要设置的正确流量通知安装者。

最后,预估精确的高峰用水需求量是良好的工程方法。 使用 Herbert 博士的公式,就没有少考虑任何事项的借口了。

让您的高峰用水需求量估算尽可能精确 — 下载 Herbert 博士的白皮书,获得建筑中用水需求量的精确估算.

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