大型屋面中壓力流雨水排放系統的應用

邱克文

摘要:本文討論了大型屋面的公共建筑中雨水排水系統設計，并主要對壓力流雨水排放系統的工作原理、技術優勢及管材的選用等進行了分析，并結合實際工程對壓力流雨水排放系統的設計方法與步驟進行說明。

關鍵詞:壓力流雨水排放系統；虹吸式雨水斗；管材

八十年代初，歐洲研究開發出一種新的屋面雨水排放技術-虹吸雨水系統（也稱有壓流雨水系統），該技術主要應用于大型屋面建筑的雨水排放。經過十幾年的發展，該技術逐步成熟完善，并在各個國家迅速推廣應用。中國給排水界于九十年代初開始涉足該領域的研究，當時因設計四機庫而較早接觸虹吸雨水系統的航空航天設計院的專家，與清華大學聯合開發出該系統的核心技術-雨水斗和管道壓力計算程序，并在國內的機場建筑工程中進行推廣，經過十年左右的調整完善，在技術上已處于世界先進行列。

1 壓力流雨水排放系統的工作原理及組成

1.1 壓力流雨水排放系統的原理

壓力流雨水排放系統采用特殊的雨水斗，并利用復雜的計算來控制各段雨水管的管徑，平衡各雨水斗的壓力和流量，避免管道中的摻氣，從而使雨水管道中很容易形成液態單相流狀態，單相流迅速流動產生負壓，于是形成虹吸效應，屋面雨水被迅速抽吸。

1.2 壓力流雨水排放系統的組成

部分壓力流雨水排放系統同樣由雨水斗、雨水管組成，但通常為多斗系統（即多個雨水斗接入一根橫管和立管）。

1.2.1 虹吸雨水斗

與傳統的雨水斗相比，虹吸雨水斗特別設計了整流器，因而在淹沒水深較淺的情況下也能防止旋渦的生成，避免空氣被抽吸摻入。有關實驗表明，淹沒水深為4cm時，虹吸雨水斗就能實現管內不摻氣的完全滿流狀態，而普通雨水斗的淹沒水深須達到40m。雨水斗按材質分類有鑄鐵雨水斗、鑄鋁雨水斗和不銹鋼雨水斗，排出管的管徑有DN50、DN75和DN100三種規格，其對應的試驗排水能力分別為6L/s、12L/s、24L/s，根據工程實踐經驗，其實際排水能力可以達到試驗排水能力的兩倍左右。而DN100普通雨水斗的排水能力為15.5L/s，且是相對固定的。

1.2.2 懸吊管

懸吊管在虹吸雨水系統中是必不可少的，虹吸現象就在懸吊管與立管的連接處產生，而且懸吊管把多個雨水斗連在一起，節省了立管。因系統中雨水的流動是由負壓推動，屬于有壓流，所以懸吊管不需要設坡度，而且根據計算懸吊管多為DN50和DN75的小管，可以大大節省屋面下的空間。重力流系統的懸吊管多為DN100～DN150，坡度為2%～1%，與其他管道的設置經常產生矛盾。

1.2.3 立管

壓力流雨水排放系統的立管比重力流系統大大減少，因為雨水斗數量少，并且用懸吊管匯集到立管，不過虹吸雨水系統的立管管徑較大，須隱藏在管井內。重力流系統多為單斗系統，造成建筑內立管林立，對裝修影響很大。

2 壓力流雨水排放系統的技術優勢

降雨過程中屋面承接的雨水沿屋面坡向匯集到檐溝和天溝，經雨水斗、懸吊管及立管、排出管排出。從水力學的觀點可分為重力流屋面排水系統和壓力流屋面排水系統兩類。不同的屋面雨水排水系統，采用不同的設計計算方法。此前，我國的屋面排水系統按重力流設計，屋面重力流雨水排水系統采用重力式雨水斗，雨水斗的排水狀況是自由堰流，流入雨水斗的雨水摻入空氣，形成水氣混合流，雨水斗的設計流量小；按重力流計算的懸吊管要求不大于0.8的充滿度和大于5%的坡度，因此需要較大的管徑和坡降；為了維持連接在同一懸吊管上的各個雨水斗的正常工作，限定連接雨水斗的數量不多于4只，導致雨水立管的根數增加。重力流屋面雨水排水系統受其水力特性的限制，造成排水立管多、管徑大、排水能力小，對于大面積工業廠房及公共建筑屋面雨水排水系統則更顯突出。壓力流（虹吸式）屋面雨水排水系統，采用虹吸式雨水斗，排水能力有很大的提高；在符合水力計算的條件下，接入懸吊管的雨水斗的個數不受限制，因此減少了立管和埋地管的數量；懸吊管不需坡度，安裝方便、美觀；系統按虹吸流計算，可以減少選用管道的管徑，管內流速增加，有利于提高自凈能力；由于單一系統的懸吊管長度可達150m，主立管可以靠近外墻，建筑物內可以不需做管道井，不埋設管道，對于建筑物內地面下管道多或不宜設井的場所尤為適宜。可見，壓力流（虹吸式）屋面雨水排水系統與重力流相比有明顯的技術優勢。

3 設計步驟

計算屋面面積；計算總的降雨量；布置雨水斗，組成屋面雨水排水管網；繪制水力計算草圖，標注各管段的長度；估算管徑：對水平懸吊管采用懸吊管的總阻力損失值700mbar，除以總等效長度，計算出單位管長的壓力損失的估算值，以此選出各管段的管徑。立管與排出管管徑可采用相應的控制流速初選管徑，一般立管可比懸吊管最大直徑小一號；進行第一次水力計算，計算結果若已滿足本文第5章的要求，則可按計算結果繪成正式圖紙；若第一次計算不滿足本文第5章的要求，則應對系統重新布置，然后再次進行水力計算，直至滿足為止，按最后結果繪制圖紙。

4 壓力流雨水排放系統水力計算要點

水力計算的目的是充分利用系統提供的可利用水頭，減小管徑，降低造價；使系統各節點由不同支路計算的壓力差限定在一定的范圍內；保證系統安全、可靠、正常地工作。

水力計算是在初步布置的管路系統上進行的，計算的成功要遵守水力計算的各項要求。因此，管路系統不同區段的管徑、連接的配件，以至管路的布置都可能有所變動。手工進行水力計算是非常繁瑣的，最好使用專用軟件，用Excel編制電子表格進行計算比較方便。水力計算的要點如下：

管道的設計最小流速不小于1m/s，使管道有良好的自凈能力，這一要求適用于系統的所有管段；最大流速常發生在立管上，宜小于6 m/s，以減小水流動時的噪音，最大不小于10 m/s。系統底部的排出管的流速壓力流小于1.5 m/s，減少水流對排水井的沖擊。

排水管系統的總水頭損失與排水管出口速度水頭之和應小于雨水斗天溝底面與排水管出口的幾何高差，其壓力余量宜稍大于100mbar（1mbar=100Pa）。

壓力流（虹吸式）屋面雨水排水系統的最大負壓值在懸吊管與總立管的交叉點。該點的負壓值，應根據不同的管材而有不同的限定值。對于使用鑄鐵管和鋼管的排水系統應小于-900 mbar；對于塑料管道，管徑50~160應小于-800 mbar，管徑200~300應小于-700 mbar。

壓力流（虹吸式）屋面雨水排水系統各節點由不同支路計算得到的壓力差不大于-150 mbar。

壓力流（虹吸式）屋面雨水排水系統使用內壁噴塑柔性排水鑄鐵管或鋼管及高密度聚乙烯管等，采用海曾-威廉公式計算管道的沿程阻力損失，并采用不同的C值。

5 結論

大屋面雨水排水系統采用壓力流排水具有許多優點：

①雨水斗在屋面上可以靈活設置；

②壓力流雨水斗的排水能力大大高于同樣規格的重力流雨水斗，因此可減少雨水斗的設置數量；

③由于壓力流管道按滿管流設計，橫管不需要設坡度，因此可以降低地下室的層高，節省建筑造價；

④壓力流的排水系統屬單相滿管流，在同樣條件下，相同的屋面匯水面積可減少管道的數量和直徑。從而減少室外雨水檢查井的數量；

⑤壓力流時，雨水在管道中高速流動，可起到清潔管道的作用，避免管道淤積。

目前，壓力流排水系統的各種配件大部分還依賴進口。國內國內有些廠家已經開發研制出了國產系列產品，這可以使系統造價大大減小。