大型屋面中压力流雨水排放系统的应用
邱克文
摘要:本文讨论了大型屋面的公共建筑中雨水排水系统设计，并主要对压力流雨水排放系统的工作原理、技术优势及管材的选用等进行了分析，并结合实际工程对压力流雨水排放系统的设计方法与步骤进行说明。
关键词:压力流雨水排放系统；虹吸式雨水斗；管材
八十年代初，欧洲研究开发出一种新的屋面雨水排放技术-虹吸雨水系统（也称有压流雨水系统），该技术主要应用于大型屋面建筑的雨水排放。经过十几年的发展，该技术逐步成熟完善，并在各个国家迅速推广应用。中国给排水界于九十年代初开始涉足该领域的研究，当时因设计四机库而较早接触虹吸雨水系统的航空航天设计院的专家，与清华大学联合开发出该系统的核心技术-雨水斗和管道压力计算程序，并在国内的机场建筑工程中进行推广，经过十年左右的调整完善，在技术上已处于世界先进行列。
1 压力流雨水排放系统的工作原理及组成
1.1 压力流雨水排放系统的原理
压力流雨水排放系统采用特殊的雨水斗，并利用复杂的计算来控制各段雨水管的管径，平衡各雨水斗的压力和流量，避免管道中的掺气，从而使雨水管道中很容易形成液态单相流状态，单相流迅速流动产生负压，于是形成虹吸效应，屋面雨水被迅速抽吸。
1.2 压力流雨水排放系统的组成
部分压力流雨水排放系统同样由雨水斗、雨水管组成，但通常为多斗系统（即多个雨水斗接入一根横管和立管）。
1.2.1 虹吸雨水斗
与传统的雨水斗相比，虹吸雨水斗特别设计了整流器，因而在淹没水深较浅的情况下也能防止旋涡的生成，避免空气被抽吸掺入。有关实验表明，淹没水深为4cm时，虹吸雨水斗就能实现管内不掺气的完全满流状态，而普通雨水斗的淹没水深须达到40m。雨水斗按材质分类有铸铁雨水斗、铸铝雨水斗和不锈钢雨水斗，排出管的管径有DN50、DN75和DN100三种规格，其对应的试验排水能力分别为6L/s、12L/s、24L/s，根据工程实践经验，其实际排水能力可以达到试验排水能力的两倍左右。而DN100普通雨水斗的排水能力为15.5L/s，且是相对固定的。
1.2.2 悬吊管
悬吊管在虹吸雨水系统中是必不可少的，虹吸现象就在悬吊管与立管的连接处产生，而且悬吊管把多个雨水斗连在一起，节省了立管。因系统中雨水的流动是由负压推动，属于有压流，所以悬吊管不需要设坡度，而且根据计算悬吊管多为DN50和DN75的小管，可以大大节省屋面下的空间。重力流系统的悬吊管多为DN100～DN150，坡度为2%～1%，与其他管道的设置经常产生矛盾。
1.2.3 立管
压力流雨水排放系统的立管比重力流系统大大减少，因为雨水斗数量少，并且用悬吊管汇集到立管，不过虹吸雨水系统的立管管径较大，须隐藏在管井内。重力流系统多为单斗系统，造成建筑内立管林立，对装修影响很大。
2 压力流雨水排放系统的技术优势
降雨过程中屋面承接的雨水沿屋面坡向汇集到檐沟和天沟，经雨水斗、悬吊管及立管、排出管排出。从水力学的观点可分为重力流屋面排水系统和压力流屋面排水系统两类。不同的屋面雨水排水系统，采用不同的设计计算方法。此前，我国的屋面排水系统按重力流设计，屋面重力流雨水排水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，雨水斗的设计流量小；按重力流计算的悬吊管要求不大于0.8的充满度和大于5%的坡度，因此需要较大的管径和坡降；为了维持连接在同一悬吊管上的各个雨水斗的正常工作，限定连接雨水斗的数量不多于4只，导致雨水立管的根数增加。重力流屋面雨水排水系统受其水力特性的限制，造成排水立管多、管径大、排水能力小，对于大面积工业厂房及公共建筑屋面雨水排水系统则更显突出。压力流（虹吸式）屋面雨水排水系统，采用虹吸式雨水斗，排水能力有很大的提高；在符合水力计算的条件下，接入悬吊管的雨水斗的个数不受限制，因此减少了立管和埋地管的数量；悬吊管不需坡度，安装方便、美观；系统按虹吸流计算，可以减少选用管道的管径，管内流速增加，有利于提高自净能力；由于单一系统的悬吊管长度可达150m，主立管可以靠近外墙，建筑物内可以不需做管道井，不埋设管道，对于建筑物内地面下管道多或不宜设井的场所尤为适宜。可见，压力流（虹吸式）屋面雨水排水系统与重力流相比有明显的技术优势。
3 设计步骤
计算屋面面积；计算总的降雨量；布置雨水斗，组成屋面雨水排水管网；绘制水力计算草图，标注各管段的长度；估算管径：对水平悬吊管采用悬吊管的总阻力损失值700mbar，除以总等效长度，计算出单位管长的压力损失的估算值，以此选出各管段的管径。立管与排出管管径可采用相应的控制流速初选管径，一般立管可比悬吊管最大直径小一号；进行第一次水力计算，计算结果若已满足本文第5章的要求，则可按计算结果绘成正式图纸；若第一次计算不满足本文第5章的要求，则应对系统重新布置，然后再次进行水力计算，直至满足为止，按最后结果绘制图纸。
4 压力流雨水排放系统水力计算要点
水力计算的目的是充分利用系统提供的可利用水头，减小管径，降低造价；使系统各节点由不同支路计算的压力差限定在一定的范围内；保证系统安全、可靠、正常地工作。
水力计算是在初步布置的管路系统上进行的，计算的成功要遵守水力计算的各项要求。因此，管路系统不同区段的管径、连接的配件，以至管路的布置都可能有所变动。手工进行水力计算是非常繁琐的，最好使用专用软件，用Excel编制电子表格进行计算比较方便。水力计算的要点如下：
管道的设计最小流速不小于1m/s，使管道有良好的自净能力，这一要求适用于系统的所有管段；最大流速常发生在立管上，宜小于6 m/s，以减小水流动时的噪音，最大不小于10 m/s。系统底部的排出管的流速压力流小于1.5 m/s，减少水流对排水井的冲击。
排水管系统的总水头损失与排水管出口速度水头之和应小于雨水斗天沟底面与排水管出口的几何高差，其压力余量宜稍大于100mbar（1mbar=100Pa）。
压力流（虹吸式）屋面雨水排水系统的最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。对于使用铸铁管和钢管的排水系统应小于-900 mbar；对于塑料管道，管径50~160应小于-800 mbar，管径200~300应小于-700 mbar。
压力流（虹吸式）屋面雨水排水系统各节点由不同支路计算得到的压力差不大于-150 mbar。
压力流（虹吸式）屋面雨水排水系统使用内壁喷塑柔性排水铸铁管或钢管及高密度聚乙烯管等，采用海曾-威廉公式计算管道的沿程阻力损失，并采用不同的C值。
5 结论
大屋面雨水排水系统采用压力流排水具有许多优点：
①雨水斗在屋面上可以灵活设置；
②压力流雨水斗的排水能力大大高于同样规格的重力流雨水斗，因此可减少雨水斗的设置数量；
③由于压力流管道按满管流设计，横管不需要设坡度，因此可以降低地下室的层高，节省建筑造价；
④压力流的排水系统属单相满管流，在同样条件下，相同的屋面汇水面积可减少管道的数量和直径。从而减少室外雨水检查井的数量；
⑤压力流时，雨水在管道中高速流动，可起到清洁管道的作用，避免管道淤积。
目前，压力流排水系统的各种配件大部分还依赖进口。国内国内有些厂家已经开发研制出了国产系列产品，这可以使系统造价大大减小。
