劉 崢，董傲霜，張 丹

（遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

供暖系統(tǒng)水力計算是暖通工程設(shè)計中非常重要的設(shè)計環(huán)節(jié)，計算結(jié)果的準確性直接影響到供暖系統(tǒng)的初投資，同時還對運行階段的供暖效果和運行能耗產(chǎn)生較大影響。因此，正確合理的水力計算在暖通設(shè)計中占有重要地位。

將供暖系統(tǒng)水力計算基于C#語言開發(fā)成計算機程序，可以很好地減輕設(shè)計人員的工作量，避免大量的繁瑣工作，并且避免了由于手工計算所產(chǎn)生的人員操作誤差。

1 確定水力計算程序主要流程與技術(shù)路線

1.1 主要流程

水力計算程序主要流程圖，如圖1所示。

圖1 水力計算程序主要流程圖

1.2 技術(shù)路線

熱水供暖系統(tǒng)管路水力計算的基本公式[1]：

式中：△P-計算管段的壓力損失，Pa；△Py-計算管段的沿程損失，Pa；△Pj-計算管段的局部損失，Pa；R-每米管長的沿程損失，Pa/m；l-計算管段的長度，mm。

計算每米管長的沿程損失（比摩阻）可用流體力學(xué)的達西·維斯巴赫公式：

式中：λ-管段的摩擦阻力系數(shù)；d-管道內(nèi)徑，m；ν-熱媒在管道內(nèi)流速，m/s；ρ-熱媒的密度，kg/m3。

因此，求解過程演變?yōu)閷δΣ磷枇ο禂?shù)λ的計算，常見的計算方式主要有以下2種：

a.柯列勃洛克公式是規(guī)范與設(shè)計手冊推薦的計算公式：

式中：Re-雷諾數(shù)；K-管壁的當量絕對粗糙度，m。

b.哈蘭德公式[2]是工程計算顯式公式：

由公式（3）可知，柯列勃洛克公式是隱函數(shù)，方程等號左右同時存在λ，計算時需要反復(fù)試算或者作圖求解，如果計算管段較多，會導(dǎo)致計算量過大。國內(nèi)目前較為廣泛的做法是設(shè)計者查詢設(shè)計手冊中的水力計算表，然后通過插值運算求得該管段對應(yīng)流量下的流速與比摩阻，實際操作過程依舊較為繁瑣，且計算溫度或計算溫差與設(shè)計手冊不一致時，只能套用近似值，使用起來局限性較大。

國外為方便工程技術(shù)人員應(yīng)用，業(yè)界也經(jīng)常采用容易求解的顯函數(shù)經(jīng)驗公式，如上述的哈蘭德公式，此公式也是常見的BIM建模軟件Revit內(nèi)部預(yù)設(shè)的水力計算方法之一。哈蘭德公式與柯列勃洛克公式之間存在一定的計算偏差，因此本程序依舊采用計算相對更為精準且計算結(jié)果廣為業(yè)界承認的柯列勃洛克公式進行求解。

公式（3）中雷諾數(shù)Re的計算方法如下：

式中：γ-熱媒的運動粘滯系數(shù)。

熱媒的運動粘滯系數(shù)γ與流體的溫度存在一定的對應(yīng)關(guān)系，本程序中流體的溫度采用工程上常用熱媒平均溫度，其計算公式如下：

式中：tpj-熱媒的平均溫度，℃；tgs-熱媒的供水溫度，℃；tn-室內(nèi)供暖計算溫度，℃；ths-熱媒的回水溫度，℃。

由此可見，熱媒的供、回水溫度與室內(nèi)供暖計算溫度都會對計算結(jié)果產(chǎn)生影響。實際計算過程當中，如果不考慮上述條件，不同的熱力工況會對最終的設(shè)計管徑以及管道阻力產(chǎn)生很大的計算偏差。由于設(shè)計手冊不可能記錄所有的設(shè)計工況，因此需要在程序內(nèi)部預(yù)先設(shè)定好其對應(yīng)關(guān)系。

下列代碼即為C#語言中對于采暖熱媒密度和運動粘滯系數(shù)的選定過程：

在程序中對平均溫度數(shù)值進行取整到10位的計算，然后通過上述代碼取出對應(yīng)的熱媒密度和運動粘滯系數(shù)，其中，熱媒溫度對運動粘滯系數(shù)有較大影響。

2 水力計算程序計算過程

2.1 柯列勃洛克公式計算機求解

由上述可知，水力計算最大的工作量出現(xiàn)在柯列勃洛克公式的摩擦阻力系數(shù)λ求解中，因此需要解決該步驟計算量過大的問題。當Re、K/d取值在熱水供暖系統(tǒng)管路水力計算常規(guī)取值范圍內(nèi)時，摩擦阻力系數(shù)均滿足0.008≤λ≤0.08[3]。本程序采用迭代計算的方式求解λ值，從而進一步取得其他所需計算值。

下列代碼即為C#語言中對于λ值的求解過程：

一旦求解過程計算值收斂，即使用break語句退出循環(huán)，加快整個程序運行效率。

2.2 局部阻力系數(shù)計算

在完成管道管徑、摩擦阻力系數(shù)λ、流速與比摩阻等數(shù)據(jù)計算后，采取雙擊程序計算表格控件中的局部阻力系數(shù)列，通過彈出新窗口的方式進行計算。水力計算程序主界面，如圖2所示。

圖2 水力計算程序主界面

由于局部阻力系數(shù)在手工計算中需要查詢大量表格，且對應(yīng)的數(shù)據(jù)很多均與該管段選定的管徑一一對應(yīng)。因此，在程序內(nèi)部建立相應(yīng)的計算規(guī)則，當管段管徑已由程序自動計算或由人員手工指定完畢后，局部阻力系數(shù)表的計算數(shù)據(jù)則僅顯示并計算該管徑規(guī)格之下的局部阻力系數(shù)之和，最終返回計算結(jié)果給主界面中的表格控件。局部阻力系數(shù)計算窗口，如圖3所示。

圖3 局部阻力系數(shù)計算窗口

同時，記錄設(shè)計者在各管段所選擇的阻力件，其數(shù)據(jù)返回給主界面，以便于記錄和檢查設(shè)計人員所添加的阻力件是否與該工程實際管路中情況相吻合。局部阻力件明細，如圖4所示。

圖4 局部阻力件明細表

3 計算結(jié)果的輸出與數(shù)據(jù)讀寫

工程計算中的計算結(jié)果需要輸出為常規(guī)Word、Excel等文檔格式，以方便技術(shù)人員進行打印裝訂，便于工程資料紙質(zhì)版文件的保存。因此，程序的計算數(shù)據(jù)保存即可分成兩個方向。第一種是以SQLite、Access等小型數(shù)據(jù)庫為依托的存檔方式，輸出文件為Word、Excel等文檔格式。第二種是存檔文件直接采用Excel格式的文件進行交互，輸出文件為Word、Excel等文檔格式。

在本程序大量的實際使用過程中，逐漸形成了使用者以第二種方式為主要的使用形式。因為第一種方式的主要問題在于，一旦存檔文件離開其使用環(huán)境后，工程技術(shù)人員就不方便再進行計算結(jié)果的查看了，因此交互性較差。而第二種方式輸出與讀取皆為同一個Excel格式的文件，無論是否存在數(shù)據(jù)庫讀取環(huán)境，只需安裝有Excel軟件即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)計算結(jié)果的查閱和打印。

本程序通過添加引用OleDb類實現(xiàn)對Excel格式文件讀寫的技術(shù)路線，在實際使用環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)設(shè)計者有對生成的Excel格式計算書進行二次編輯的需求，在Excel格式文檔編輯結(jié)束后，再由程序重新讀取修改后的存檔再次進行計算。由于Excel格式文檔包含有.xls和.xlsx兩種格式，不同設(shè)計者的Excel版本和使用習(xí)慣均不相同，因此程序內(nèi)部需要對這兩種不同的文件格式加以區(qū)分。

下列代碼即為C#語言中對Excel存檔文件格式區(qū)分的方法[4]：

識別格式后通過創(chuàng)建new DataSet即可將文件重新讀取回來，進行再次編輯。

4 結(jié)束語

在暖通設(shè)計中傳統(tǒng)的水力計算工作量較大，通過計算機程序開發(fā)可以極大地提高設(shè)計效率，甚至可以將水力計算程序與CAD繪圖程序結(jié)合起來使用，更進一步地提高工作效率和計算準確性。