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

料管道，管径De50-De160应小于800mbar，管径De200-De300应于于450 mbar。

（4）虹吸式屋面排水系统管系各节点由不同支路计算得到的压力差不大于150 mbar。（5）虹吸式屋面排水系统使用内壁涂塑柔性排水铸铁管或钢管及高密度聚乙烯管，应使用相应的计算图表计算管道的沿程水头损失。

（6）虹吸式屋面排水系统管道的局部水头损失的系数按表3采用。

局部阻力系数表表3

管件名称内壁涂塑铸件管或钢管塑料管

90°弯头0.80 1.0

45°弯头0.30 0.40

干管上斜三通0.25 0.35

支管上斜三通0.50 1.00

转变为重力流处出口 1.80 1.80

虹吸式雨水斗厂商提供

5、设计步骤

（1）计算屋面面积；

（2）计算出总的降雨量；

（3）布置雨水斗的位置，组成屋面雨水排水管网；

（4）绘制水力计算草图，标注各管段的长度；

（5）用总的等效长度和系统资用水头计算单位长度的水头损失的初始估算值，选出各管段的管径。

（6）进行第一次水力计算，计算结果若已满足以上第3部分的要求，则可按计算结果绘成正式图纸。

（7）若第一次计算不满足第3部分的要求，则应对系统中某些管段的管径进行调整，必要时有可能对系统重新布置，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。

6、计算公式

（1）降雨量

式中 Q——降雨量，L/S；

A——屋面面积，m2；

r ——降雨强度，L/（S.100m2）。

（2）资用水头

E=ρ?g?H?

式中 E——资源水头，mbar；

ρ——水密度，1000kg/m3；

g ——重力加速度，9.8lm/s2；

a ——换算系数，a=100。

（3）等效长度初始估算值

L0=1.2L

式中 L0——等效长度，m；

L——计算长度，m；

1.2——考虑管件阻力引入的系数。

（4）单位长度水头损失的初始估算值

R0=

式中 R0——单位长度的水头损失初始估算值，mbar/m。

（5）局部阻力损失

Zj=

式中 Z——局部阻力损失，mbar；

T——局部阻力系数；

Vx——管道流速，m/S。

（6）沿程阻力损失

ZL=R?L

式中 ZL——沿程阻力损失，mbar；

R——单位长度水头损失，mbar/m；

L——管道长度，m。

四、设计理念

1、在设计虹吸系统时，秉承为建筑、结构服务的原则，最大限度地减少业主在建筑、结构方面的投资，同时保障建筑的美观、可靠。

2、根据屋面标高及形状，以有利于自然汇水、天沟布置的原则划分，同时尽可能不跨越防火分区和伸缩缝。塑料管在跨越防火分区的位置，必须加设阻火圈作保偿措施。

3、屋面排水考虑设汇水天沟的做法，这有利于建筑屋面排水集中性，更好发挥系统的功效，同时兼顾虹吸排雨水系统斗前水深的需要。

4、排水横管尽可能不穿越敏感区域，以有利于日后更改用途及维护保养。

5、管材选用要坚固耐用，同时有利于建筑美观需要。

在本工程系统设计中，虹吸系统对管材的耐负压能力要求严格，为满足技术及系统安全的要求，系统采用符合虹吸压力等级的管材，防腐性能好，坚固耐用，确保系统产生负压下运行工作的安全性。

6、系统经济性

虹吸系统使用国产优质管道，为工程提供成本最经济的方案。每个虹吸系统都精心设计，并用系统计算软件精确计算来确定管道直径。精确设计能最大限度的节省材料，直接为业主节约成本。在本次工程设计方案中，系统管道走向严格依据招标图纸设计走向的要求。虹吸系统能将系统管道作有效控制，以节约工程造价。在重要建筑工程中，使用不锈钢管造价是非常昂贵的，如在暗装的管段使用较经济的管材（如HDPE或普通钢管）可将工程造价大幅度降低，同时排水能力不变，获得同样的效果。

虹吸式雨水系统是当今国际上较为先进的屋面雨水排放系统，该系统诞生至今已有20多年的历史，它广泛被应用于大型厂房、展览馆、机场、运动场、高层裙房等跨度大、结构复杂的屋面。由于目前的设计更多地考虑建筑物外表的美观、施工简便、增加建筑物的使用面积及使用寿命等因素，传统的重力式雨水系统越来越显得捉襟见肘，满足不了日益进步的设计概念。

取而代之的虹吸式雨水系统，是利用能够隔绝空气的虹吸式雨水斗和精密的管道水力平衡计算，依靠建筑物的势能，雨水通过密闭的管道系统形成满管流，在立管处跌落产生虹吸作用，将屋面的雨水迅速排放的新型雨水排放系统。它不仅能解决一些传统重力式雨水系统无法做到的设计难点，而且在节省管材和施工量上，有着传统系统无法比拟的优点。

优势：

1.少量的雨水立管。

2. 较少数量的雨水斗。

3. 水平集水管安装不需要坡度。

4. 较小的管径。

5. 最少的地面开挖工作。

6. 最少的雨水检查井。

7. 较少的雨水出户管。

8. 不需要设置检查口或清扫口（因为虹吸雨水斗的设计可隔截垃圾及大颗粒状物质进入系统以及系统具有自洁功能）。

9. 雨水斗附近的斗前水深较低（也可通过系统调节控制屋面集水厚度）。

10. 在机电安装空间内始终只保持一个安装高度，便于机电综合协调。

11. 同一立管的雨水斗数量没有限制。

12. 不同标高层面的雨水斗可接入同一系统。

虹吸雨水系统的管道是由悬吊管、立管和排出管组成。其安装特点

■虹吸式屋面雨水排放系统中不应接入其他非虹吸式屋面雨水排放系统的管道。

■悬吊管宜无坡度敷设，不得倒坡。

■每根立管宜单独排放。

■不同屋面结构形式的雨水宜采用独立的系统单独排出。

■雨水排出管的消能可在立管后扩大管径或在排出口末端做消能井。

■管道不宜敷设在建筑物承重结构内。因条件限制管道必须敷设在建筑物承重结构内时，应确保不会对建筑物承重结构产生任何影响。

溢流口的设置

压力流屋面排水系统除外檐沟外，均须设置安全溢水口。

溢水口即水流超过设计值（水位或流量）时溢水的孔口，设置在建筑物屋面天沟末端或女儿墙上距屋面一定高度处，以排出超过重现期的雨水