虹吸式屋面雨水排放系統

虹吸式屋面雨水系統的原理就是依靠特殊的雨水斗的設計，實行氣水分離，從而使雨水立管中為滿流狀態，當立管中的水達到一定的容量時，虹吸作用就產生了。在降雨過程中，由於連續不斷的虹吸作用，整個系統得以令人驚奇的快速排除屋頂上的雨水。

基本介紹

• 中文名：虹吸式屋面雨水排放系統
• 外文名：Siphon roof drainage system
• 依賴於：虹吸作用
• 特點：快速排除屋頂上的雨水
• 領域：工程技術
• 組成：雨水斗、無坡度懸吊管、立管等

特點

1.1 虹吸式屋面排水系統的特點

虹吸式排水系統在降雨初期，屋面雨水高度未超過雨水斗高度時，整個排水系統工作狀況與重力排水系統相同。

隨著降雨的持續，當屋面雨水高度超過雨水斗高度時由於採用了科學設計的防漩渦雨水斗，通過控制進入雨水斗的雨水流量和調整流態減少漩渦，從而極大地減少了雨水進入排水系統時所夾帶的空氣量，使得系統中排水管道呈滿流狀態，利用建築物屋面的高度和雨水所具有的勢能，在雨水連續流經過雨水懸吊管轉入雨水立管跌落時形成虹吸作用，並在該處管道內呈最大負壓。屋面雨水在管道內負壓的抽吸作用下以較高的流速被排至室外。

1.2 虹吸式與重力式屋面雨水排放系統的區別

虹吸式屋面雨水排放系統，排水管道均按滿流有壓狀態設計，因此虹吸排水系統中雨水懸吊管可做到無坡度鋪設。同時，當產生出虹吸作用時管道內水流流速很高，因此系統具有較好的自清作用。而重力式排水設計計算不按滿流計算，雨水懸吊管的鋪設坡度不得小於0.005。

虹吸排水系統中排水管泄流量要遠大於重力排水系統中同一管徑排水管的泄流量，也即排除同樣的雨水流量，採用虹吸排水系統的排水管管徑要小於採用重力排水系統的排水管管徑。

虹吸排水系統其實質是一種多斗壓力流雨水排水系統。因此埋地管相對重力式排水系統要明顯減少。

該系統在國內套用剛剛開始，而在國際上該系統已有近二十年的套用歷史，涉及建築有航站樓(法國戴高樂機場航站樓、香港新機場航站樓、瑞士蘇黎世機場航站樓)、展覽館(香港會展中心)、體育場(丹麥哥本哈根足球場、澳大利亞悉尼體育場)、工業廠房(奧地利克萊斯勒汽車廠、法國雪鐵龍汽車廠)、商業中心、停車場、貨運倉庫、辦公大樓等等。

系統組成

屋面雨水排水系統一般由虹吸式雨水斗、無坡度懸吊管、立管和雨水出戶管（排出管）組成。

形成虹吸式屋面雨水排放的前提條件是：必須具備擁有良好氣水分離裝置雨水斗。在設計降雨強度下，雨水斗不摻入空氣，降雨過程中利用雨水斗與出戶管之間的高差所形成的壓差，經屋面內排水系統，從戶外排除管排出。在這一過程中，排水管道中是全充滿的滿管壓力流狀態，屋面雨水的排放過程是一個在虹吸作用的結果。因此，把這樣的系統稱為虹吸式屋面雨水排放系統。

虹吸式雨水排放系統管內壓力和水的流動狀態是不斷變化的過程。

降雨初期，雨量一般較小，懸吊管內是一有自由液面的波浪流。根據雨量大小的不同，部分情況下初期無法形成虹吸作用，是以重力流為主的流態。隨著降雨量的增加，管內逐漸呈現脈動流，拔拉流，進而出現滿管氣泡流和滿管汽水混合流，直至出現水的單向流狀態。

降雨末期，雨水量減少，雨水斗淹沒泄流的斗前水位降低到某一特定值（根據不同的雨水斗產品設計而不同），雨水斗逐漸開始有空氣摻入，排水管內的虹吸作用被破壞，排水系統又從虹吸流狀態轉變為重力流狀態。

在整個降雨過程中，隨著降雨量的增加或減小，懸吊管內的壓力和水流狀態會出現反覆變化的情況。

與懸吊管相似，立管內的水流狀態也會從附壁流逐漸向氣泡流，氣水浮化流過渡，最終在虹吸作用形成的時候，出現接近單向流的狀態。

2.2 雨水斗

一般來說，雨水斗的設計是整個虹吸系統的能否按設計要求工作的關鍵所在之一，它的穩流性越好，產生虹吸所需的屋面匯水高度越低，總體性能就越優越。

標準型的雨水斗，它是由雨水斗底座，碟片，格柵頂蓋組成。另外根據需要可提供通用型的絕緣底座，固定件，法蘭片，焊接片，防火保護帽，微型加熱電圈等配件。

壓力流(虹吸式)雨水斗材質為HDPE、鑄鐵或不鏽鋼。其各部分有不同的結構功能。雨水斗置於屋面層中，上部蓋有進水格柵。降雨過程中，雨水通過格柵蓋側面進入雨水斗，當屋面匯水達到一定高度時，雨水斗內的反渦流裝置將阻擋空氣從外界進入同時消除渦流狀態，使雨水平穩地淹沒泄流進入排水管。虹吸式雨水斗最大限度減小了天溝的積水深度，使屋面承受的雨水荷載降至最小，同時提高了雨水斗的額定流量。

比較領先的虹吸式排水系統產品，可以做到部分通用。它的最大優點在於對於不同功能及材料的屋頂系統，產品具有廣泛的適用性。換句話說，一種雨水斗通過於相應的配件組合就能適合不同的屋頂，例如：混凝土屋頂，金屬屋頂，木屋頂，考慮人行走或綠化的屋頂，屋面不平呈梯形結構的屋頂等。雨水斗是整個虹吸系統的關鍵部分。對於整個虹吸式屋面雨水排放系統而言，最主要的就是要避免空氣通過雨水斗進入整個系統。如果空氣直接進入雨水斗，會在管道內形成氣團，這樣會大大降低系統排水效率，最終和傳統重力式排水系統一樣。

因此，虹吸式屋面雨水排放系統所採用的雨水斗必須具有最佳化設計的反渦流功能的蓋罩，防止空氣通過雨水斗入口處的水流帶入整個系統，並有助於當斗前水位升高到一定程度時，形成水封完全阻隔空氣進入。

雨水斗的設計安裝也有一定嚴格的要求:

（1）雨水斗離牆至少1米。

（2）雨水斗之間距離一般不能大於20米。

（3）平屋頂上如果是沙礫層，雨水斗格柵頂蓋周圍的沙礫厚度不能大於60mm，最小粒徑必須為15mm。

（4）如果雨水斗是安裝再檐溝內，且採用焊接件的話，檐溝的寬度至少是350mm，檐溝內的雨水斗安裝開口為70mm × 270mm至290mm× 290mm。

（5）如果雨水管是安裝在混凝土屋頂面層內，那么屋頂至少有160mm厚。

（6）斷面呈連續梯形的屋面雨水斗開口，為安裝固定件，尺寸必須是280mm × 280mm，如果開口大於300mm ×300mm，屋頂則需加固。

（7）如果屋頂是混凝土的，雨水斗下連的雨水管管徑至少是35mm (用電焊管箍連線件連線)，與此對應的屋頂厚度是180mm至190mm。

（8）帶隔離層的屋頂隔離層厚度至少40mm。如果隔離層厚於180mm，雨水斗的底座必需延伸至能與管徑56mm的連線管相連的恰當長度。

2.3 系統管道

管道作為虹吸式屋面雨水排放系統最主要的部分，必須確保系統安全可靠，高效持續的運行。虹吸式系統作為一個特殊的排水系統，其管道必須保證完全的密封性和完備的防火措施，並且做到儘可能降低噪聲，吸收震動，抗擊衝擊外力，最大程度滿足抗溫度變化引起的形變。

管道的完全抗滲漏並不意味著系統密封性得到滿足。一般情況下，對於抗滲漏的要求是允許發生小範圍的滲漏，只要有補救措施即可。但是虹吸系統一旦發生滲漏，並不易發現。當突然出現暴雨的降雨強度，則可能立即造成整個系統崩潰。進而因為屋面雨水無法及時排放，超過屋面可負荷的荷載強度，引起屋面坍塌。

當然，微小的不密封並不一定會造成滲漏，但是足以造成漏氣，一旦排水管道內出現氣團，虹吸式排水的效率馬上大大降低，嚴重的甚至會破壞虹吸作用。

由於虹吸系統是利用負壓排水的，因此管道的管壁必須具備相當的承壓能力。但是也不是完全的剛性體。因為虹吸系統的負壓一般不大於-0.08Mpa。過大的負壓會導致管內水流流速過快，發生氣蝕現象，對於金屬管道或者是金屬質地的連線處產生極大的傷害（-0.09Mpa已經接近氣蝕的臨界值）。同時負壓過高也會給系統帶來極大的震動，減少系統的使用壽命。

管道和配件都必須具備阻燃的條件，當建築物一處發生火災時系統能夠防止火災被迅速傳遞到建築物的其他部分。所以，材料本身的阻燃性並不是最重要的，整個管道系統的防火擴散性才是將災害損失降至最低的關鍵。

HDPE管材的優勢

承壓性能良好，管壁在外荷載作用下，不會破裂。能抵抗衝擊壓力，減少水錘衝擊破壞，保證系統的安全運行，維持虹作用的負壓。

管道連線方式方便靈活。管道可根據需要，採用不同的連線方法，如：對焊、電焊管箍連線、法蘭連線、螺紋連線、伸縮管接頭等。HDPE還可以和鋼管，鑄鐵管，陶瓷管等其它管材的管道連線。只需通過專門的加熱電焊機就可以進行操作。

HDPE管道是在熱力條件下生產的，材料本身的張力在製造過程中已消減，所以成品以後可能產生的尺寸微變不會有任何危害，將熱脹冷縮引起的危害降至最小。

從物理和化學性質上看，HDPE管道的防腐能力強，不受各種酸、鹼、鹽所引起的電化學反應的影響。HDPE管道比金屬管更耐磨損。抗極端溫度在 – 400c ～1000c。管子重量輕，施工方便，可以事先預製，安裝工效大大提高。

HDPE管作為一種新型的節能管材，從我國現有建築行業住宅產業化，設計標準化，材料集約化，建築生產施工工廠化，管理科學化的發展趨勢來看，是有很大的發展潛力。

2.4 輔助的固定系統

安裝固定系統的主要功能是輔助安裝與固定管道。

虹吸式雨水管道系統的固定裝置包括與管道平行的方形鋼導軌，管道與方形鋼導軌間的連線管卡(根據不同的管徑，每隔0.8至1.6米布置管卡)，用於固定鋼導軌的吊架及鍍鋅角。安裝固定系統還包括管卡配件，這些配件可以固定管道的軸向，利用錨固管卡安裝在管道的固定點。

汽水混合流的排水過程中，有一個非常重要的要求，是關於在系統各部位內負壓的限制，規定負壓不得低於-0.8公斤。其原因在於，當負壓在-0.92公斤左右時，系統內的氣泡會在壓力的作用下破裂，使整個管道說系統產生劇烈振動。

因此，為保證系統的正常運行，管道振動的危害是一個不容忽視的問題。如果振動不加以防範，可能會影響減少建築結構的使用壽命，也可能會導致整個系統的破壞。安裝固定系統的主要功能之一是吸收這些振動，從而避免振動對建築結構產生影響。

由於溫度的變化，管道必然會發生熱脹冷縮的現象。在系統內部形成拉力或壓力，對於管道連線處形成作用。

安裝固定系統可以防止在剛性安裝的排放系統中，由於熱脹冷縮受到阻隔而產生的力會對建築結構的破壞，吸收熱脹冷縮導致的管道位移。同時，還可以避免管道因為懸掛受力而變形。

無論是系統震動帶來的外力，還是熱脹冷縮引起的內力，甚至是懸掛管道承受的重力，都由連線件傳至方形導軌，避免引起系統的變化，減少對於建築結構的影響。

固定系統除了可以起到固定管道，轉移管道受力的作用，還有助於增加屋面到水平管的間距，而不影響管道的水平受力。

總而言之，固定系統雖然是虹吸式雨水排放系統的輔助部分，卻起到至關重要的保護的作用。

技術條件

3.1 水的持續流動性

在滿足流速大於等於0.7m/s的條件下，保證水流方向的持續流動性是維持虹吸作用的關鍵。特別是在管道轉彎角度相對較大，甚至呈90度的時候，很有可能因為管內流速的突然下降而引起虹吸作用被破壞。

因此，當水流有90度的方向改變時，此處彎頭的連線方式，必須注意設計一個銜接管段，以保證流速不會突然大幅下降，而是維持上升的狀態，從而整個虹吸式屋面雨水排放系統得以正常運行。

當系統中出現90度T型支管時，當橫管內水流以較快的速度沖向管壁突然遇到阻礙，在極短的時間內速度降為零。一方面對於管壁形成極大的衝擊，另一方面，水流撞擊管壁後又以一個與初始方向相反的速度，迅速的在管內形成回流，這樣，兩股方向相反的水流在管內衝撞，很容易形成水塞，阻礙排水管排放，破壞虹吸作用。

因此，必須採用相對較大的管徑，具體情況可根據管道的空間和環境情況來進行選擇。水力情況最好的選擇還是設計一個避免出現90度變化的銜接管段。

3.2 氣水混合流的存在

當系統管道內形成虹吸作用時，由於可供使用的管道管徑不一定恰好是計算所得的管徑尺寸，因此管道內部會有很多溶解在水中的小氣泡，並不是完全理想化的液體單相流。這些微小氣泡在流動過程中會逐漸釋放，然而這種氣水混合流而非氣水兩相流的流態，仍可以被看作虹吸作用是允許存在的狀態，並不影響虹吸作用的形成，也不影響系統的排水能力。

但是，溶解在水中的氣泡並不意味著管道內的氣團。如果排水管道內，中間部分是氣團，沿壁部分是水流，這樣就是傳統重力雨水排放系統的管內流態。管道內氣團的存在，嚴重影響虹吸作用時管內滿流狀態的形成，水流在管內的充滿度相當低，大大減小了系統的排水能力。

3.3 系統的一體性和密封性

為保證虹吸排水的產生和持續作用，就要求從雨水斗到管道系統的整套排放系統必須是一體的，各部分緊密相連。

如果雨水斗有一個完全敞開的入口，空氣就會在水流旋轉作用的帶動下，從入口出進入整個雨水排放系統，這樣就根本無法形成滿流的虹吸狀態，整個系統也不再是高效的虹吸式排放系統了，實際上已經作為一個傳統的重力式排水系統在工作了。

但是，重力式排放系統為了達到比較好的排放效果，在安裝管道時要求懸吊管的最小坡度為2%。而虹吸式系統的懸吊管安裝坡度為零，沒有重力勢能的作用，整個系統無法有效進行排水。

因此，只有當雨水口的入口處半敞開時，才能有效阻止空氣隨時進入系統，當斗前水深滿足一定要求時，能夠形成水封，完全隔斷空氣，迅速形成虹吸作用。

除了必須保證入口處有效阻止空氣進入，還必須保證系統管道中沒有空氣進入。所以，另一個要求就是系統的完全密封性，要保證管道無滲漏。

為此，配件連線時不能採用橡膠密封圈，用承插的方式進行連線。這樣系統的氣密性很難得到有效保證，容易導致管道滲漏。因為在虹吸作用時，管道內的管流是壓力流的狀態，一方面管壁承受壓力，承插口處同樣受壓，容易發生滲漏；另一方面，一旦發生滲漏，則管內壓力狀態改變，影響正常的虹吸作用。

3.4 屋面水位

只有當屋面水位達到一定程度時（根據不同的雨水斗產品有不同的固定值），整個系統才真正作為一個虹吸式雨水排放系統工作。

在某個持續的降雨過程中，開始水位低於形成虹吸作用的高度，隨著水位逐漸上升，達到這一特定值後，系統開始形成虹吸作用。水位一直持續，直到屋面的雨水量小於虹吸系統的排水能力為止。

但是，水位必須嚴格控制及限定在某一高度，否則屋面上累積的雨水會對屋面形成極大的未能預見的荷載，可能導致屋面結構的變形或者破壞，甚至出現滲漏。

根據歐洲標準，屋面雨水的水位高度必須限制在55毫米內。這個數字是長期實驗和實際工程經驗的結果。

可以將毫米水量換算至每平方米的雨水重量：

由此可知，屋面承受的荷載與毫米水深的關係。顯而易見，當水位大於55毫米時，會對屋面結構產生相當大的重量負荷。當在屋面或天溝設計時，必須考慮到這方面的情況。

尤其對於天溝來說，水位絕對不可以超過55毫米，否則隨著時間的推移，天溝將會慢慢變形。對於排水系統和整個建築產生非常大的影響。

技術發展

4.1 重力流技術

國內絕大部分屋面仍採用重力流技術排水。其優點是設計施工方便，造價低。但隨著建築技術的不斷發展，這種技術越來越難以滿足對於複雜結構或大面積屋面對排水的要求。

在這種背景下，壓力流技術應運而生。

4.2 壓力流（虹吸）技術

4.2.1 重力－壓力流

這種技術採用下沉式雨水斗，斗前水深較深；計算流態為一相流，不考慮滲氣因素。懸吊管為水平安裝，管道結點即合流交匯點進行壓力平衡計算，但水頭損失計算以沿程水頭損失為主。由於雨水立管存在壓力零點，這種立管上部也呈負壓狀態。管系中的實際流態屬於重力－壓力流。整個系統統只對雨水斗有較高要求。

由於計算不屬於精確計算範疇，因此產生虹吸的效率較低，系統對屋面的負荷要求較大，工作穩定性較低，系統壽命難以保障。屬於早期虹吸技術。

4.2.2 虹吸－壓力流

這是國際上最先進的虹吸技術。

該技術採用強制虹吸式雨水斗，斗前水深較潛。計算流態為汽水混合流，考慮滲氣因素，因此與實際情況極為接近。懸吊為水平安裝，採用全系統壓力平衡計算，一般為計算機軟體計算。管材材質，粗糙度和管件的當量長度是計算重點所在。虹吸會在一定瞬間激發。該技術對系統的整體性及計算精度有很高的要求。而計算精度又與大量的實驗及工程經驗數據有直接關係。

該系統產生虹吸的效率很高，系統對屋面的負荷要求較小。系統工作穩定性高，系統壽命可以充分保障。屬於成熟的虹吸技術。

設計標準

《建築給水排水設計規範》GB50015－2003

《虹吸雨水斗》CJ/T245－2007

《建築與小區雨水利用工程技術規範》GB50400－2006

《虹吸式屋面雨水排水技術規程》CECS183:2005

工程標準

《建築排水用高密度聚乙烯(HDPE)管材與管件》CJ/T250－2007

《流體輸送用不鏽鋼焊接鋼管》GB/T12771－2000

《低壓流體輸送用焊接鋼管》GB/T3091

《給水塗塑複合鋼管》GB/T120－2008

《建築給水鋼塑複合管管道工程技術規程》CECS125－2001

驗收標準

《建築給水排水及採暖工程施工質量驗收規範》GB50242－2002