虹吸排雨水系统设计原理

虹吸排雨水系统设计原理

近几年来，屋面虹吸排雨水系统在国内众多大、中、小型建筑应用像雨后春笋般展现，为不少建筑设计师解除了诸多建筑造型的限制，现代建筑的复杂性，以及建筑界与工程界提出的严格要求，常常使得落后于现代先进建筑科技的传统屋面排水方案不具有可行性，如排水量大，重力排水系统影响建筑造型；室内排雨悬吊管放坡影响室内使用空间，排水管与建筑不协调。同时把屋面排雨水设计带到新的领域。自从UV排水系统在1968年发明以来，第一个UV系统（1968年发明）提供了屋面排水技术的突破，它在雨水斗周围的水深达到一定高度时，可以避免空气通过雨水斗进入排水管内。世界各国越来越多对虹吸排雨水系统的研究。，一些科学家和工程师，如Bernouilli， Prandtl， Darcy， Weisbach， Colebroke等建立起来的设计理论便可以用来进行精确的满管流排水系统的设计，这项技术对于建筑界的贡献立即表现出来。

一、虹吸系统基本原理介绍

原理简介

基本上，屋面雨水排放系统可分为重力流系统与满管流或虹吸系统。

重力流系统

在重力流系统中，水沿着立管的管壁流下。一般情况下，管材断面约1/5-1/3为水，剩余为空气。水平管的流量系数则可能达到1。因此，重力流系统的流量得视其管子所装置的坡度而定。

虹吸系统

在虹吸系统中，所有的管子在指定的降水强度下将达到1的流量系数。管子内的压力也有别于大气压强。通过利用建筑物（雨水斗与排放点的高度差距）所产生的压头，管径设计可达到满管流。因此，概念上，利用较小于传统管径的管道便可更快速地排出相同的水量。

虹吸系统电脑软件利用建筑物所产生的压头 (h1-h2)来平衡管子内的磨擦系数损失以及计算出以最小的管径来排放所设计的水量。捷流系统电脑软件通过分析水平管与立管的剖面以及管子的长度来平衡系统的压力。

正如以上所提及的，管子里的压力有别于大力气强。基本上，系统可接受管子里的压力超出于大气压强。

无论如何，管子内的压力若相当于水的蒸发压力，可能会导致气化作用的产生。为避免气化作用的发生，管子里的压力必需维持在水的蒸发压力以上。也就是说，如果大力气强被制定为0，管内负压力则需高于－8.0m。

重力流系统与系统的比较

重力流雨水系统

特点：气液二相流

1．雨水斗数量多

2．管径大

3．立管数量多

4．水平集水管需要坡度

5．雨水检查井数量多

6．大屋面工程，地面需布置排水沟

7．影响建筑美观

虹吸雨水系统

特点：满管流

1．雨水斗布置灵活

2．管径缩小

3．管道走向可以根据需要灵活设置

4．水平集水管不要坡度

5．雨水斗检查井数量少

6．大屋面工程，无需设置室内检查井

7．有利于建筑美观

二、虹吸雨水排水系统特点介绍

虹吸系统在世界上的应用有30多年的历史，虹吸雨水排水系统经过精确的计算能以最小的管径达到最大的流量。世界上已有超过 1亿 m2的屋面采用这种排水系统。

λ雨水斗高效、低阻

虹吸系统的雨水斗效率高、水阻低，能有效的控制管内的压力，同时具有高度灵活性，在施工调整时能够根据现场实际情况灵活处理。

λ管道节约空间，美观大方

在屋面下有限的空间内，虹吸系统以最小的管径和没有坡度的水平横管尽量占有最小的空间，同时我们将利用每个雨水斗的高效率排水，组成最少的管道系统。

λ管材选用灵活

在管材的选用上，虹吸系统可选用不锈钢管、铸铁管、HDPE管、涂塑钢管等多种满足虹吸技术要求的管道。

λ天沟尺寸精确，安全

虹吸系统能够准确的计算出在某一暴雨强度下的天沟水深，因而能够保证在天沟不溢水的情况下，有效的减小天沟的尺寸。

三、设计原理

在设计的降雨量达到时，真正的虹吸系统中所有管道都呈现为满管流动，管道中的压力分布与传统的排水系统也有许多不同。由于屋面雨水斗与地面排水井间的全部高度差距得到充分利用，与重力排水系统比较，因而虹吸排水管道与重力排水管道的直径相等时，虹吸管道中的水流量比重力的大得多。

虹吸系统利用建筑高度简称为水头，充分考虑管道中的水力学损失，尽可能地减小管道直径，将屋面的雨水排入雨水井。并通过调节垂直尾管和水平集水管的结构和长度来实现水力平衡。

管道中的压力与大气压有很大不同。对于管道内的正压并没有限制，然而，对于负压必须考虑蒸发压力问题即气蚀问题。因而管道内的压力必须保持在系统所在地区的蒸发压力以上。

1、虹吸雨水斗设计

重力排水雨水斗与虹吸系统雨水斗主要的区别在于雨水斗中设置了空气挡板。空气挡板是叠型的，没有透孔。屋面结合部件、防水层和树叶罩的设计都遵从常规思想。雨水斗体、空气挡板与出水口的直径组合是在任何水流情况下获得稳定功能的保证，这种组合从理论上很难进行优化设计，必须通过大量的试验和总结才得出的结论。

2、系统管道设计

必须满足当地国家规范并能抵抗正、负压力的管道系统均可用于虹吸系统排水管道。比如A BS、PVC、HDPE、PP、铜管、钢管和铸铁管都大量成功地用于UV系统。不同的塑料管具有不同的抵抗负压的能力，材料品质、壁厚和管道直径的区别决定了这种能力。管道系统一般根据工程实际情况进行选择，需要综合考虑适用性、排水能力、耐用性、刚性、防火性、噪音、绝缘、造价和安装费用等等因素。

3、相关设计要点：

雨水斗选用

采用平底式金属雨水斗，确保雨水斗在长时间日照下的防老化性能及防渗漏性能。平底式雨水斗保证施工简易安全。由于天沟既有外天沟也有内天沟，采用专利设计的平底式雨水斗，安装于混凝土屋面上，简便快速，且能有效地防止漏水情况出现。

根据建筑物屋面结构形式，本工程采用的虹吸雨水斗：虹吸雨水斗排量一般为20 l/s至40 l /s，选择雨水斗时，设计排量应按最大排量的70~80%设计。相对重力流系统而言减少天沟开孔尺寸和数量，也减少了可能的渗漏点，节省工程施工时间；虹吸系统多为串联系统，屋面通过建筑找坡排水至天沟或汇水点，雨水斗同一屋面分区时计算系统以同一标高作依据（施工存在误差，同一屋面同一系统中每个雨水斗的标高必须在50mm以内，否则系统计算无效，系统被破坏），另一方面，系统计算时，还要控制好雨水斗的斗前水深，若不能控制好每个水斗的排水量及斗前水深，则使系统排水不均衡。只有经过精密计算的考虑，才可保证减少屋面的积水深度，排水效果更好。部分系统采用不同标高屋面雨水系统高低接入，实现快速、安全排水。在雨水斗排量充足的前提下，再通过精确计算而保证排水量及虹吸的快速形成。

管材

选用的管材和接口必须能够同时满足正、负压的需要。

选用管材可分为以下几类：

HDPE管：塑料管材，造价低，内壁光滑，水力条件好，施工简便，采用热熔焊接。

涂塑钢管：钢塑复合管，造价偏高，钢性好，防火性能好，内壁光滑，水力条件好，使用寿命长，采用平板式卡箍或法兰连接。

镀锌钢管：普通钢管，造价高，钢性好，防火性能好，使用寿命长，采用沟槽式卡箍连接。不锈钢管：高档排水钢管，造价最高，钢性好，防火性能好，使用寿命长，采用亚弧焊或电联焊连接。

4、虹吸式屋面排水系统的水力计算要点：

（1）管道的设计流速不小于1 m/s。

（2）排水管的总水头损失应小于或等于雨水斗顶面与临界点的几何高差，宜使压力余量△Pr≤100mbar。

（3）虹吸式屋面排水系统的是大负压值在悬吊管与总立管的交叉点。该点的负压值，应根据不同的管材而有不同的限定值。对于使用铸铁和钢管的排水系统应小于900mbar；对于塑