虹吸排雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

虹吸排雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理近幾年來，屋面虹吸排雨水系統(tǒng)在國內(nèi)眾多大、中、小型建筑應(yīng)用像雨后春筍般展現(xiàn)，為不少建筑設(shè)計(jì)師解除了諸多建筑造型的限制，現(xiàn)代建筑的復(fù)雜性，以及建筑界與工程界提出的嚴(yán)格要求，常常使得落后于現(xiàn)代先進(jìn)建筑科技的傳統(tǒng)屋面排水方案不具有可行性，如排水量大，重力排水系統(tǒng)影響建筑造型；室內(nèi)排雨懸吊管放坡影響室內(nèi)使用空間，排水管與建筑不協(xié)調(diào)。同時(shí)把屋面排雨水設(shè)計(jì)帶到新的領(lǐng)域。自從UV排水系統(tǒng)在1968年發(fā)明以來，第一個(gè)UV系統(tǒng)（1968年發(fā)明）提供了屋面排水技術(shù)的突破，它在雨水斗周圍的水深達(dá)到一定高度時(shí)，可以避免空氣通過雨水斗進(jìn)入排水管內(nèi)。世界各國越來越多對虹吸排雨水系統(tǒng)的研究。，一些科學(xué)家和工程師，如Bernouilli，Prandtl，Darcy，Weisbach，Colebroke等建立起來的設(shè)計(jì)理論便可以用來進(jìn)行精確的滿管流排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這項(xiàng)技術(shù)對于建筑界的貢獻(xiàn)立即表現(xiàn)出來。一、虹吸系統(tǒng)基本原理介紹原理簡介基本上，屋面雨水排放系統(tǒng)可分為重力流系統(tǒng)與滿管流或虹吸系統(tǒng)。重力流系統(tǒng)在重力流系統(tǒng)中，水沿著立管的管壁流下。一般情況下，管材斷面約1/5-1/3為水，剩余為空氣。水平管的流量系數(shù)則可能達(dá)到1。因此，重力流系統(tǒng)的流量得視其管子所裝置的坡度而定。虹吸系統(tǒng)在虹吸系統(tǒng)中，所有的管子在指定的降水強(qiáng)度下將達(dá)到1的流量系數(shù)。管子內(nèi)的壓力也有別于大氣壓強(qiáng)。通過利用建筑物（雨水斗與排放點(diǎn)的高度差距）所產(chǎn)生的壓頭，管徑設(shè)計(jì)可達(dá)到滿管流。因此，概念上，利用較小于傳統(tǒng)管徑的管道便可更快速地排出相同的水量。虹吸系統(tǒng)電腦軟件利用建筑物所產(chǎn)生的壓頭(h1-h2)來平衡管子內(nèi)的磨擦系數(shù)損失以及計(jì)算出以最小的管徑來排放所設(shè)計(jì)的水量。捷流系統(tǒng)電腦軟件通過分析水平管與立管的剖面以及管子的長度來平衡系統(tǒng)的壓力。正如以上所提及的，管子里的壓力有別于大力氣強(qiáng)?；旧?，系統(tǒng)可接受管子里的壓力超出于大氣壓強(qiáng)。無論如何，管子內(nèi)的壓力若相當(dāng)于水的蒸發(fā)壓力，可能會(huì)導(dǎo)致氣化作用的產(chǎn)生。為避免氣化作用的發(fā)生，管子里的壓力必需維持在水的蒸發(fā)壓力以上。也就是說，如果大力氣強(qiáng)被制定為0，管內(nèi)負(fù)壓力則需高于一8.0m。重力流系統(tǒng)與系統(tǒng)的比較重力流雨水系統(tǒng)特點(diǎn)：氣液二相流雨水斗數(shù)量多管徑大立管數(shù)量多水平集水管需要坡度雨水檢查井?dāng)?shù)量多大屋面工程，地面需布置排水溝影響建筑美觀虹吸雨水系統(tǒng)特點(diǎn)：滿管流雨水斗布置靈活管徑縮小管道走向可以根據(jù)需要靈活設(shè)置水平集水管不要坡度雨水斗檢查井?dāng)?shù)量少大屋面工程，無需設(shè)置室內(nèi)檢查井有利于建筑美觀二、虹吸雨水排水系統(tǒng)特點(diǎn)介紹虹吸系統(tǒng)在世界上的應(yīng)用有30多年的歷史，虹吸雨水排水系統(tǒng)經(jīng)過精確的計(jì)算能以最小的管徑達(dá)到最大的流量。世界上已有超過1億m2的屋面采用這種排水系統(tǒng)。人雨水斗高效、低阻虹吸系統(tǒng)的雨水斗效率高、水阻低，能有效的控制管內(nèi)的壓力，同時(shí)具有高度靈活性，在施工調(diào)整時(shí)能夠根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況靈活處理。人管道節(jié)約空間，美觀大方在屋面下有限的空間內(nèi)，虹吸系統(tǒng)以最小的管徑和沒有坡度的水平橫管盡量占有最小的空間，同時(shí)我們將利用每個(gè)雨水斗的高效率排水，組成最少的管道系統(tǒng)。人管材選用靈活在管材的選用上，虹吸系統(tǒng)可選用不銹鋼管、鑄鐵管、HDPE管、涂塑鋼管等多種滿足虹吸技術(shù)要求的管道。人天溝尺寸精確，安全虹吸系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出在某一暴雨強(qiáng)度下的天溝水深，因而能夠保證在天溝不溢水的情況下，有效的減小天溝的尺寸。三、設(shè)計(jì)原理在設(shè)計(jì)的降雨量達(dá)到時(shí)，真正的虹吸系統(tǒng)中所有管道都呈現(xiàn)為滿管流動(dòng)，管道中的壓力分布與傳統(tǒng)的排水系統(tǒng)也有許多不同。由于屋面雨水斗與地面排水井間的全部高度差距得到充分利用，與重力排水系統(tǒng)比較，因而虹吸排水管道與重力排水管道的直徑相等時(shí)，虹吸管道中的水流量比重力的大得多。虹吸系統(tǒng)利用建筑高度簡稱為水頭，充分考慮管道中的水力學(xué)損失，盡可能地減小管道直徑，將屋面的雨水排入雨水井。并通過調(diào)節(jié)垂直尾管和水平集水管的結(jié)構(gòu)和長度來實(shí)現(xiàn)水力平衡。管道中的壓力與大氣壓有很大不同。對于管道內(nèi)的正壓并沒有限制，然而，對于負(fù)壓必須考慮蒸發(fā)壓力問題即氣蝕問題。因而管道內(nèi)的壓力必須保持在系統(tǒng)所在地區(qū)的蒸發(fā)壓力以上。1、虹吸雨水斗設(shè)計(jì)重力排水雨水斗與虹吸系統(tǒng)雨水斗主要的區(qū)別在于雨水斗中設(shè)置了空氣擋板?？諝鈸醢迨钳B型的，沒有透孔。屋面結(jié)合部件、防水層和樹葉罩的設(shè)計(jì)都遵從常規(guī)思想。雨水斗體、空氣擋板與出水口的直徑組合是在任何水流情況下獲得穩(wěn)定功能的保證，這種組合從理論上很難進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須通過大量的試驗(yàn)和總結(jié)才得出的結(jié)論。2、系統(tǒng)管道設(shè)計(jì)必須滿足當(dāng)?shù)貒乙?guī)范并能抵抗正、負(fù)壓力的管道系統(tǒng)均可用于虹吸系統(tǒng)排水管道。比如ABS、PVC、HDPE、PP、銅管、鋼管和鑄鐵管都大量成功地用于UV系統(tǒng)。不同的塑料管具有不同的抵抗負(fù)壓的能力，材料品質(zhì)、壁厚和管道直徑的區(qū)別決定了這種能力。管道系統(tǒng)一般根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行選擇，需要綜合考慮適用性、排水能力、耐用性、剛性、防火性、噪音、絕緣、造價(jià)和安裝費(fèi)用等等因素。3、相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：雨水斗選用采用平底式金屬雨水斗，確保雨水斗在長時(shí)間日照下的防老化性能及防滲漏性能。平底式雨水斗保證施工簡易安全。由于天溝既有外天溝也有內(nèi)天溝，采用專利設(shè)計(jì)的平底式雨水斗，安裝于混凝土屋面上，簡便快速，且能有效地防止漏水情況出現(xiàn)。根據(jù)建筑物屋面結(jié)構(gòu)形式，本工程采用的虹吸雨水斗：虹吸雨水斗排量一般為20l/s至40l/s,選擇雨水斗時(shí)，設(shè)計(jì)排量應(yīng)按最大排量的70?80%設(shè)計(jì)。相對重力流系統(tǒng)而言減少天溝開孔尺寸和數(shù)量，也減少了可能的滲漏點(diǎn)，節(jié)省工程施工時(shí)間；虹吸系統(tǒng)多為串聯(lián)系統(tǒng)，屋面通過建筑找坡排水至天溝或匯水點(diǎn)，雨水斗同一屋面分區(qū)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)以同一標(biāo)高作依據(jù)（施工存在誤差，同一屋面同一系統(tǒng)中每個(gè)雨水斗的標(biāo)高必須在50mm以內(nèi)，否則系統(tǒng)計(jì)算無效，系統(tǒng)被破壞），另一方面，系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，還要控制好雨水斗的斗前水深，若不能控制好每個(gè)水斗的排水量及斗前水深，則使系統(tǒng)排水不均衡。只有經(jīng)過精密計(jì)算的考慮，才可保證減少屋面的積水深度，排水效果更好。部分系統(tǒng)采用不同標(biāo)高屋面雨水系統(tǒng)高低接入，實(shí)現(xiàn)快速、安全排水。在雨水斗排量充足的前提下，再通過精確計(jì)算而保證排水量及虹吸的快速形成。管材選用的管材和接口必須能夠同時(shí)滿足正、負(fù)壓的需要。選用管材可分為以下幾類：HDPE管：塑料管材，造價(jià)低，內(nèi)壁光滑，水力條件好，施工簡便，采用熱熔焊接。涂塑鋼管：鋼塑復(fù)合管，造價(jià)偏高，鋼性好，防火性能好，內(nèi)壁光滑，水力條件好，使用壽命長，采用平板式卡箍或法蘭連接。鍍鋅鋼管：普通鋼管，造價(jià)高，鋼性好，防火性能好，使用壽命長，采用溝槽式卡箍連接。不銹鋼管：高檔排水鋼管，造價(jià)最高，鋼性好，防火性能好，使用壽命長，采用亞弧焊或電聯(lián)焊連接。4、虹吸式屋面排水系統(tǒng)的水力計(jì)算要點(diǎn)：（1）管道的設(shè)計(jì)流速不小于1m/s。（2）排水管的總水頭損失應(yīng)小于或等于雨水斗頂面與臨界點(diǎn)的幾何高差，宜使壓力余量^Pr<100mbar（3）虹吸式屋面排水系統(tǒng)的是大負(fù)壓值在懸吊管與總立管的交叉點(diǎn)。該點(diǎn)的負(fù)壓值，應(yīng)根據(jù)不同的管材而有不同的限定值。對于使用鑄鐵和鋼管的排水系統(tǒng)應(yīng)小于900mbar；對于塑料管道，管徑De50-De160應(yīng)小于800mbar，管徑De200-De300應(yīng)于于450mbar。（4）虹吸式屋面排水系統(tǒng)管系各節(jié)點(diǎn)由不同支路計(jì)算得到的壓力差不大于150mbar。（5）虹吸式屋面排水系統(tǒng)使用內(nèi)壁涂塑柔性排水鑄鐵管或鋼管及高密度聚乙烯管，應(yīng)使用相應(yīng)的計(jì)算圖表計(jì)算管道的沿程水頭損失。（6）虹吸式屋面排水系統(tǒng)管道的局部水頭損失的系數(shù)按表3采用。局部阻力系數(shù)表表3管件名稱內(nèi)壁涂塑鑄件管或鋼管塑料管90°彎頭0.801.045°彎頭0.300.40干管上斜三通0.250.35支管上斜三通0.501.00轉(zhuǎn)變?yōu)橹亓α魈幊隹?.801.80虹吸式雨水斗廠商提供5、設(shè)計(jì)步驟（1）計(jì)算屋面面積；（2）計(jì)算出總的降降；（3）布置雨水斗的位置，組成屋面雨水排水管網(wǎng)；（4）繪制水力計(jì)算草圖，標(biāo)注各管段的長度；（5）用總的等效長度和系統(tǒng)資用水頭計(jì)算單位長度的水頭損失的初始估算值，選出各管段的管徑。（6）進(jìn)行第一次水力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果若已滿足以上第3部分的要求，則可按計(jì)算結(jié)果繪成正式圖紙。（7）若第一次計(jì)算不滿足第3部分的要求，則應(yīng)對系統(tǒng)中某些管段的管徑進(jìn)行調(diào)整，必要時(shí)有可能對系統(tǒng)重新布置，然后再次進(jìn)行水力計(jì)算，直至滿足為止，按最后結(jié)果繪制圖紙。6、計(jì)算公式（1）降雨量式中Q——降雨量，L/S；A——屋面面積，m2；r——降雨強(qiáng)度，L/（S.100m2）。（2）資用水頭E=p?g?H?式中E資源水頭，mbar；p水密度，1000kg/m3；g重力加速度，9.8lm/s2；a——換算系數(shù)，a=100。（3）等效長度初始估算值L0=1.2L式中L0—等效長度，m；L計(jì)算長度，m；1.2——考慮管件阻力引入的系數(shù)。（4）單位長度水頭損失的初始估算值R0=式中R0單位長度的水頭損失初始估算值，mbar/m。（5）局部阻力損失Zj=式中Z局部阻力損失，mbar；T一局部阻力系數(shù)；Vx——管道流速，m/S。沿程阻力損失ZL=R?L式中ZL沿程阻力損失，mbar；R單位長度水頭損失，mbar/m；L管道長度，m。四、設(shè)計(jì)理念1、在設(shè)計(jì)虹吸系統(tǒng)時(shí)，秉承為建筑、結(jié)構(gòu)服務(wù)的原則，最大限度地減少業(yè)主在建筑、結(jié)構(gòu)方面的投資，同時(shí)保障建筑的美觀、可靠。2、根據(jù)屋面標(biāo)高及形狀，以有利于自然匯水、天溝布置的原則劃分，同時(shí)盡可能不跨越防火分區(qū)和伸縮縫。塑料管在跨越防火分區(qū)的位置，必須加設(shè)阻火圈作保償措施。3、屋面排水考慮設(shè)匯水天溝的做法，這有利于建筑屋面排水集中性，更好發(fā)揮系統(tǒng)的功效，同時(shí)兼顧虹吸排雨水系統(tǒng)斗前水深的需要。4、排水橫管盡可能不穿越敏感區(qū)域，以有利于日后更改用途及維護(hù)保養(yǎng)。5、管材選用要堅(jiān)固耐用，同時(shí)有利于建筑美觀需要。在本工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，虹吸系統(tǒng)對管材的耐負(fù)壓能力要求嚴(yán)格，為滿足技術(shù)及系統(tǒng)安全的要求，系統(tǒng)采用符合虹吸壓力等級的管材，防腐性能好，堅(jiān)固耐用，確保系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)壓下運(yùn)行工作的安全性。6、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性虹吸系