浅析压力流虹吸式屋面雨水排水系统的设计与应用

浅析压力流虹吸式屋面雨水排水系统的设计与应用时间：2011-04-2319:50:01来源：毕业论文作者：秩名论文导读：我国的屋面雨水排水系统多按重力流设计。虹吸式雨水排水系统水力分析（系统排出管为自由出流）如图1。选用压力流虹吸式雨水排水系统具有明显的优势。优势，浅析压力流虹吸式屋面雨水排水系统的设计与应用。关键词：虹吸式雨水排水系统，优势，设计1引言屋面雨水排水系统是指降雨过程中建筑物屋面承接的雨水沿屋面坡向汇集到檐沟和天沟，然后雨水通过雨水斗、悬吊管、雨水立管、排出管等管道部件排至雨水检查井的排水系统。从水力学的角度来分类，可分为重力流和压力流虹吸式屋面雨水排水系统两类。目前，我国的屋面雨水排水系统多按重力流设计，该系统采用重力式雨水斗，雨水斗的排水状况是自由堰流，流入雨水斗的雨水掺入空气，形成水气混合流，雨水斗的设计流量较小。近十年来，随着国内经济的快速发展及人们对建筑空间要求的不断提高，常规的重力流屋面雨水排水系统已很难满足要求，虹吸式屋面雨水排水系统逐渐得到了广泛的应用，比如上海世博会主题馆、浦东国际机场航站楼、首都机场T3A航站楼以及部分核电厂的常规岛主厂房等大面积、大跨度工业厂房与公共建筑物的屋面雨水排水采用的都是虹吸式屋面雨水排水系统。2虹吸式屋面雨水排水系统的工作原理和特点虹吸式屋面雨水排放系统是利用虹吸原理，在降雨过程中，当屋面积水达到一定高度时，雨水通过能有效防漩涡的虹吸式雨水斗进入管道，该雨水斗能极大地减少雨水进入排水系统时所夹带的空气量，使得系统中排水管道呈满流状态，利用建筑物的高度和落水具有的势能，在管道中形成局部真空（负压），使雨水斗及水平管内的水流获得附加的压力，即利用虹吸作用加快水流在排水管道内的流动，从而快速排出屋面雨水。2.1虹吸式系统的工作原理压力流虹吸式屋面雨水排水系统的计算基础是不可压缩流体的能量守衡定律——伯努利方程。虹吸式雨水排水系统水力分析（系统排出管为自由出流）如图1，系统的最高处B-B断面为屋面雨水斗进水口，X-X断面为计算断面，可定在系统任意高度处，系统的最低处A-A断面为排出管出水口。图1虹吸式屋面雨水排水系统从而列出B-B和X-X断面的伯努利方程，hj(BX)、hy(BX)分别为雨水斗B-B断面到X-X计算断面的总局部水头损失和总沿程水头损失，见式（1）：式（1）由于上式中，PB=0，VB=0，PX为管道X断面处的压力水头，令h=H－hX，代入式（1）得：式（2）式（2）是计算管道中任一断面处压力水头的基本公式，它的物理意义是管道中任一点的压力水头等于该点与雨水斗的高度差减去该点的速度水头、雨水斗到计算断面的总的局部水头损失和总的沿程水头损失。如果式（2）算得的结果PX＞0，则管道内为正压；PX＜0，则管道内为负压。2.2虹吸式系统的压力分析为了进一步分析雨水系统的压力水头的变化，下面以虹吸式雨水系统的主管道为分析对象，以雨水斗为起点，雨水检查井为终点，管道沿程长度为横坐标，管道内的流体的压力水头为纵坐标，绘制出如下所示的压力水头变化示意图。图2虹吸式屋面雨水排水系统压力水头分析以雨水斗及其连接管（1~3段）为分析对象，当虹吸式雨水系统在设计工况运行时，在雨水斗的连接管上，由于一般的虹吸式雨水斗的局部水头损失hj(BX)都较大，加上雨水斗的出水管较细，管内流速较快，则速度水头Vx2/2g较大，而系统的可利用的水头h不大，通过式（2）计算可知，雨水斗前通常有较小的压力水头，在雨水斗连接管上通常呈较小的负压；以雨水悬吊管（3~4段）为分析对象，随着计算断面X沿水平悬吊管由雨水斗一侧向雨水立管一侧偏移，由于虹吸式系统的雨水悬吊管为水平安装，因此在该计算管段内，可利用的水头维持h不变，管道内的沿程水头损失hy(BX)增加，速度水头变化不大，则按式（2）计算可得，管内负压将不断增大的，并在其与立管的交叉处负压达到最大；以雨水立管（4~5段）为分析对象，从立管与悬吊管的交叉点向下，可利用的水头h迅速增加，大大超过因管道长度增加而增加的沿程水头损失，而速度水头和总的局部水头保持不变，通过式（2）计算可知，立管内的负压值将减少至零，继而出现逐渐增加的正压值，在立管底部正压值达到最大值；以雨水排出管（5~6段）为分析对象，压力水头在该管段内将逐渐被消耗，至排水井处与大气相通，管道的压力水头降为零，雨水斗的进水水面至排出口的总高度差，即有效作用水头，全部用尽。为了保证系统的可靠运行以及便于后续对设计的修改，一般保留系统有一定的余量，而不是把压力水头耗尽。2.3虹吸式系统的特点和优势与传统的重力流屋面雨水排水系统相比，虹吸式屋面雨水排水系统具有以下特点和优势：1、虹吸式系统内呈负压状态，悬吊管管内为压力流，不需要坡度，管道布置灵活，占用空间小。但虹吸式系统为了保证其实现虹吸作用，对排水管道的刚性和密封有较高要求；2、通过技术经济分析比较可知，虹吸式系统的设计较为复杂，其系统设计需要由专业的厂家进行计算，其设计计算软件要获得国家的专业认证，虹吸式雨水斗是各个厂家的专利，需要有专门的性能测试报告，其雨水斗的价格要远远高出常规的雨水斗。就相同的雨水排水量而言，虹吸式系统所需的雨水立管的数量和管径远小于重力流系统，因此，虹吸式屋面雨水排水系统总的造价仍低于重力流系统；3、由于虹吸式系统的立管数量少，则连接各雨水立管的埋地管数量较少，地下工作量大大减少。而且由于虹吸式系统管内流速较大，管道自洁能力也好于重力流系统。论文发表，优势。3虹吸式雨水排水系统的设计与应用目前，虹吸式屋面雨水系统的设计主要参考技术规程和规范包括《建筑给水排水设计规范（2009版）》（）（GB50015-2003）、《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》（CECS183：2005）和《建筑与小区雨水利用工程技术规范》（GB50400-2006），在具体的系统设计和计算上还存在一定的争议，下面就以下几个虹吸式雨水排水系统的设计与计算问题进行分析和讨论：3.1关于总有效水头的确定通过上面的原理分析可知，在虹吸式系统设计时，管道内压力水头的计算是通过总的有效水头扣减总的局部水头损失、总的沿程水头损失和速度水头得到的。目前关于总有效水头的计算还存在的争议，总有效水头的计算最高点是指雨水斗高度，但中最低点计算断面为过渡段的高度，而中为排出口室外地面的高度，两者在虹吸式系统的总有效水头的计算上存在一定差异。从法律效力来分析，两者的都是虹吸式系统设计时需要遵守的技术文件。从设计的保守性分析，按中计算方法进行设计更为保守。下面从合理性角度对以上两者做比较和分析：由于虹吸式雨水排水系统的设计重现期（一般大于10年，有的甚至达到50年以上）一般都大于室外雨水排水系统的的设计重现期（一般小于5年），当虹吸式系统达到它的设计工况时，室外雨水系统包括雨水管、雨水检查井都已经超负荷运行了，这时室外的雨水井一般都是满水的，则虹吸式系统雨水排出管的出水为淹没出流，通过上面的式（2）分析可知，此时的压力水头PX的计算应该由总的有效水头（雨水斗到室外地面的高差）扣减总的沿程水头损失、总的局部水头损失和速度水头。需要注意的是，由于在该工况下是淹没出流，速度水头为0，但局部水头的计算应该增加雨水排出管到雨水检查井的淹没出流的局部水头损失（淹没出流的局部阻力系数为1），也就是说该局部水头损失和速度水头大小是一样的。可见，在一般情况下，《技术规范》中的计算结果更接近与实际情况，但建议在其中的部分条款的表述中增加关于淹没出流工况时局部水损和速度水头计算的分析。论文发表，优势。但如果屋面雨水排水系统的设计重现期小于或等于室外雨水系统（比如部分核电厂厂房的屋面雨水系统设计），则《技术规程》的计算方法更为合理。论文发表，优势。因此，虹吸式系统的设计需要依据具体的设计工况来确定有效水头的计算方法。《全国民用建筑工程技术措施/给水排水（2009版）》要求同时满足和中的相关条款，以保证系统设计的安全性，但没有就具体的设计工况进行分类说明。为了更好地指导设计，建议将来修订相关规范时，对以上两种有效水头的计算方法的具体适用条件做相关的规定和说明，便于设计人员进行选用。浅析压力流虹吸式屋面雨水排水系统的设计与应用时间：2011-04-2319:50:01来源：毕业论文作者：秩名3.2关于虹吸式系统设计重现期的确定在进行屋面雨水的排水量计算时，降雨历时t和设计重现期P两个参数对于计算和设计的影响最大。关于降雨历时t，在《设计规范》规定应按5min计算。下面对屋面雨水系统重现期的取值进行讨论。在最新修订的以及、中对屋面汇水区域的设计重现期量的规定基本相同，详见下表。表1各种屋面汇水区域的设计重现期量汇水区域名称设计重现期（a）屋面一般性建筑物屋面2～5重要公共建筑屋面≥10由上表可知，相关规范没有就重力流和虹吸式系统两种不同的屋面雨水排水方式分别规定设计重现期，而两者的设计却有很大的差异。在重力流系统中，以雨水斗为研究对象，国内曾做过相关的研究，在一定工况下，87型雨水斗（DN100）处，其泄水流量达30L/s，而规范规定的设计泄水量仅为12L/s，远远小于实际泄水流量。以雨水排水系统的悬吊管为研究对象，在规定，重力流屋面雨水排水管系的悬吊管应按非满流设计，其充满度不宜大于0.8，而不是按可能发生的满管流设计，显然其设计流量也小于实际排水流量。以雨水立管为分析对象，按照条文说明，在最新修订的中提到的重力流雨水立管的最大泄流量是充水率为0.35的水膜重力流理论计算值，而实际上雨水立管可能出现的充水率可达80%以上。因此，重力流雨水系统能够排除一定的超设计重现期的雨水，其设计是有富余的，其设计重现期可以取较小值。而虹吸式雨水排水系统的设计则与重力流系统完全不同，虹吸式系统是极限排水流量设计的，即当暴雨强度大于设计的重现期时，虹吸式雨水排水系统将失去平衡。因此，在设计虹吸式雨水排水系统时，其设计重现期应该取较大值。上表中给出了10年重现期的下限值，在实际工程设计中，有的则采用将计算所得的雨水流量乘以1.5倍作为设计雨水流量，而部分工程的虹吸式雨水系统的设计重现期达到了50年甚至更高，在核电厂中部分厂房的虹吸式屋面雨水排水系统的重现期达到了100年。论文发表，优势。最新修订的《建筑给水排水设计规范》的条文说明中提到将最大泄流量改为原值的0.8倍，使系统的保守性得到了一定提高。由于虹吸式系统在国内的应用和研究还不是很成熟，具体的设计重现期的参数取值还有待进一步研究确定。建议在以后修订规范时，有必要将重力流和虹吸式屋面雨水排水系统的设计重现期分别予以规定和说明，适当增加虹吸式系统的设计重现期，对其取值加以明确，或者规定将计算所得雨水量乘以一定的安全系数作为系统的设计输入，或者提高降雨历时的取值。3.3审慎采用虹吸式系统虽然虹吸式雨水排水系统与传统的重力流系统相比有其独特的优越性，但并不是所有类型的建筑屋面雨水排水都适合采用虹吸式系统。通过上面对虹吸式系统工作原理的分析可知，当系统设置的高度较低时，可利用的势能h很小，将不能满足系统的势能要求，所以屋面高度较低的建筑不宜采用虹吸式系统。当高层建筑很高且建筑屋面非大跨度、大面积时，例如高层的商用写字楼、酒店建筑，这时采用虹吸系统应慎重考虑。按上式（2）分析，式（2）在该情况下，在立管的最顶端，管道内为负压。论文发表，优势。论文发表，优势。由于高度h值很大，而式（2）中其余三项之和的增加量很少，则在立管底部PX很大，对管道的连接质量就有较高的要求，需要对该段管道进行加固设计，势必导致整个虹吸式系统的造价大大提高。因此，从经济性和安全性而言，对于该类建筑物选择虹吸式雨水系统时应审慎考虑。4结论在设计屋面雨水排水排水系统时，应根据建筑设计布局，并结合各种屋面排水系统的特点，选择适当的雨水排水系统及管材，以确保屋面雨水排水系统的排放能力满足设计规范的要求。建议修改与虹吸式雨水系统相关的规程、规范中关于有效水头的计算方法的部分条款，对两种方法的具体适用条件做相关的规定和说明。从设计的安全性和经济型考虑，也为了便于设计人员在设计中的就设计重现期的参数进行选用