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虹吸式屋面雨水排水系統

我們因為專注、所以專業



 


 

簡介

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虹吸管是人類的一種古老發明,早再公元前1世紀,就有人造出了一種奇特的虹吸管。
打個比方,在一個水缸里裝有水,用一根管子一端放在水中,另一端在缸沿自然垂下,用嘴在這端端口吸氣一會,然后松嘴,那么缸中的水就會從管子中流下來.因為管子呈一段弧形,像彩虹,又能起到吸水的作用,故稱為虹吸現象

原理

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事實上,虹吸作用并不完全是由大氣壓力所產生的,在真空里也能產生虹吸現象。使液體向上升的力是液體間分子的內聚力。在發生虹吸現象時,由于管內往外流的液體比流入管子內的液體多,兩邊的重力不平衡,所以液體就會繼續沿一個方向流動。在液體流入管子里,越往上壓力就越低。如果液體上升的管子很高,壓力會降低到使管內產生氣泡(由空氣或其他成分的氣體構成),虹吸管的作用高度就是由氣泡的生成而決定的。因為氣泡會使液體斷開,氣泡兩端的氣體分子之間的作用力減至0,從而破壞了虹吸作用,因此管子一定要裝滿水。在正常的大氣壓下,虹吸管的作用比在真空時好,因為兩邊管口上所受到的大氣壓提高了整個虹吸管內部的壓力。 應用實例:把充滿水的膠管一端插入水中,另一端垂在盛水的容器之外,而且,出水口要低于水面。這樣,水就會從容器順著膠管流出。
花卉市場上賣的吸水石就是這個道理,石頭中有好多小細眼,由于虹吸現象可以將石頭底部的水吸上去供石頭上的小植物如綠苔,麥苗生存。包括一些虹吸茶壺,虹吸馬桶,都是此原理。

應用

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如今,虹吸已經運用到現代的工程中,很多屋面排水系統都是使用虹吸式排水,虹吸技術運用在現代建筑是1968年,由Olavi Ebeling與Persommerhein共同發明,在過去的四十多年里,他們所研究的虹吸排水系統一直領先與世界水平,虹吸式排水系統打破了常規的重力排水系統,虹吸式排水系統是利用屋頂專用雨水漏斗實現氣水分離??際庇捎謚亓ψ饔?,使雨水管道內產生真空,當管中的水呈壓力流狀態時,形成虹吸現象,不斷進行排水,最終雨水管內達到滿流狀態。在降雨過程中,由于連續不斷的虹吸作用,整個系統得以快速排放屋頂上的雨水。虹吸式排水系統管道均按滿流有壓狀態設計,雨水懸吊管可做到無坡度敷設,當產生虹吸作用時,水流流速很高,有較好的自清作用。如今,虹吸式排水系統已經被廣泛的運用,1993年,該虹吸排水系統首次運用到新加坡一建筑工程里,自此,Persommerhein為亞洲的屋面雨水排放系統帶來新的革命。
在建筑工程中使用該虹吸式排水系統的優勢在于:1.雨水斗在屋面上布點靈活,更能適應現代建筑的藝術造型,很容易滿足不規則屋面的雨水排放。2.單斗大排量,屋面開孔少,減少屋面漏水幾率,減輕屋面防水壓力。3.落水管的數量少和直徑小,滿足了現代建筑的美觀要求以及大型標志性建筑,各種大跨度屋面及高層建筑群樓的雨水排放。4.系統安全性高,管道走向可以根據需要設置,在不影響建筑功能及使用空間的同時滿足現代大型購物廣場,超市,廠房,倉庫及各種網架結構金屬屋面的雨水排放。5.在設計流量下,系統中滿管流無空氣旋渦,排水高效且噪音小,更能完美配合現代影院,劇場,會展中心,圖書館,學校醫院的聲學要求。6.管路設計同時滿足正負壓要求,能保證通過高層,超高層建筑全程管路滿水實驗檢驗驗收,且能避免負壓失控確保系統正常運行。7.由于管路直徑小,總長度少和系統安裝簡便所帶來的管道成本和安裝費用減少,管道安裝無特殊要求,使虹吸雨水排水系統得到眾多的業主和施工單位青睞。
如今,在國內虹吸式排水系統已經被廣泛的運用,由于虹吸式排水系統能快速把屋面雨水排放,安裝簡便,適應現代建筑造型等優點,在國內的工程中有國家體育?。?a target="_blank" data-lemmaid="4247529" style="color:#136EC2;text-decoration:none;">鳥巢),首都機場T3航站,中央電視臺新址...還有上??萍脊?/a>,廣州白云機場航站樓.....等大面積屋面排水已經采用虹吸排水系統,在未來,將有更多的建筑物采用虹吸排水系統。
更簡單的說,虹吸式雨水排水系統的技術原理是利用建筑物的高度所形成的水頭,依靠特殊的雨水斗設計,實現氣水分離,從而使與水管最終達到滿流狀態,當管中的水量是壓力流狀態時,虹吸作用就產生了,在整個降水過程中,由于連續不斷的虹吸作用,整個系統得以令人驚奇的速度排除雨水,快速使屋面的雨水排走到地面。 

對比

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虹吸排水系統與傳統重力排水系統的區別
虹吸排水特點:
1、只要滿足計算要求,單系統所帶雨水斗個數不限;
2、雨水斗流量大,氣水分流,排水速度快效果好;
3、懸吊管呈水平狀態,無需做任何坡度,施工方便;
4、立管管徑小,數量少,便于裝修;
5、埋地管少,地面開挖工作量小,有效縮短工期;
傳統重力排水特點:
1、單系統所帶雨水斗個數受限;
2、雨水斗流量小,氣水合流,排水效果差;
3、立管管徑大,數量多,交叉施工易打架;
4、埋地管多,土建工作量大,地溝易返水

組成部分

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雨水斗siphonic roof outlet
用于虹吸式屋面雨水排水系統的雨水斗。它具有氣水分離、防渦流等功能。其斗前水深可有效控制,當斗前水位穩定達到設計水深時,系統內形成虹吸滿管壓力流。
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(PE材料),碟片(ASA),格柵頂蓋(PE)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?;っ?,微型加熱電圈等配件。雨水斗額定流量分12L/s 、25L/s、40L/s、60L/s和72L/s等,最常用的為25L/s和40L/s兩種額定流量的雨水斗。
壓力流(虹吸式)雨水斗材質為HDPE、鑄鐵或不銹鋼。其各部分有不同的結構功能。雨水斗置于屋面層中,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。目前比較領先的產品,完全可以做到部分通用。它的最大優點在于對于不同功能及材料的屋頂系統,產品具有廣泛的適用性?;瘓浠八?,一種雨水斗通過于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。對于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采用的雨水斗必須具有優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,并有助于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)雨水斗離墻至少1米。
(2)雨水斗之間距離一般不能大于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于60mm,最小粒徑必須為15mm。
(4)如果雨水斗是安裝在檐溝內,且采用焊接件的話,檐溝的寬度至少是350mm,檐溝內的雨水斗安裝開口為70mm x 270mm至290mm x 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 x 280mm,如果開口大于300mm x300mm,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 (用電焊管箍連接件連接),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。如果隔離層厚于180mm,雨水斗的底座必需延伸至能與管徑56mm的連接管相連的恰當長度。
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,并且做到盡可能降低噪聲,吸收震動,抗擊沖擊外力,最大程度滿足抗溫度變化引起的形變。管道的完全抗滲漏并不意味著系統密封性得到滿足。一般情況下,對于抗滲漏的要求是允許發生小范圍的滲漏,只要有補救措施即可。但是虹吸系統一旦發生滲漏,并不易發現。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,微小的不密封并不一定會造成滲漏,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。由于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于-0.08Mpa。過大的負壓會導致管內水流流速過快,發生氣蝕現象,對于金屬管道或者是金屬質地的連接處產生極大的傷害(-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。
HDPE管材的優良特性
HDPE管道是在熱力條件下生產的,材料本身的張力在制造過程中已消減,所以成品以后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管道的防腐能力極強,不受各種酸、堿、鹽所引起的電化學反應的影響。HDPE管道比金屬管更耐磨損??辜宋露仍?– 40c ~100c。管子重量輕,施工方便,可以事先預制,安裝工效大大提高。
運輸方便
HDPE密度低、重量輕、耐久性能好、便于運輸及施工安裝
連接方式方便靈活
可采用不同的連接方法,如:對焊、電焊管箍連接、法蘭連接、螺紋連接、伸縮管接頭等。HDPE還可以和鋼管,鑄鐵管等其它管材的管道連接。只需通過專門的電加熱電焊機就可以進行操作
柔壓性好
管道在外荷載作用下,不會破裂,能抵抗沖擊壓力,減少水錘沖擊破壞,保證系統安全運行,維持虹作用的負壓
抗寒性
HDPE滿管水結冰的情況下,會隨著彈性伸縮,冰融化后恢復原狀,避免了低溫結冰對管子的破壞
曲繞性
HDPE具有良好的柔韌性,可蠕變。在穿越伸縮縫或受外力震動影響時,管子能隨震動偏移,不會遭到破壞
導熱系數低
HDPE導熱系數低,間歇性的熱水排放不會影響建筑內環境溫度
抗磨損性
HDPE有很好的柔韌性,具有良好的抗磨損性
抗沖擊、擠壓
HDPE管具有良好的抗沖擊性能,避免在低溫下被撞擊而破損,能夠長期在負壓力作用下安全使用。在安裝時,如有硬物作用于管材,HDPE能夠通過蠕變消除應力集中,避免開裂造成漏水
抗熱性
HDPE在80度高溫通水使用中,在不受外力干擾下,可以安全的使用,并能在較短時間內承受100度水溫
防結露
HDPE導熱系數為0.43w/mk,屬于不良導熱體,較金屬、PVC管不易結露,避免污染了建筑裝飾
牢固性
HDPE焊接牢固,焊縫強度等于或大于管材強度,暗裝安全可靠
低噪音
HDPE管是軟性材料,彈性模量低,產生的噪音小,提供了好的居家、辦公環境
抗陽光輻射
HDPE管材含有炭黑,黑色材料抵抗紫外線,起到抗老化,脆化作用
抗化學性
HDPE是惰性材料,不易與其他物質發生化學反應
防堵塞
HDPE管材內壁光滑,水利條件好,流量大,不會產生沉積現象
非毒性
HDPE無毒無味,衛生安全可靠,可用于食品生產線和飲水管道。燃燒后產生二氧化碳和水,不會產生有害氣體
HDPE管作為一種新型的節能管材,從我國目前建筑行業住宅產業化,設計標準化,材料集約化,建筑生產施工工廠化,管理科學化的發展趨勢來看,是有很大的發展潛力。
HDPE管與PVC及鑄鐵管相比較
①由碳水化合物組成,對人體及動植物無害。使用周期長,焚燒后不產生有害物質(如PVC焚燒后會產生鹽酸),生產及運輸過程中比鑄鐵管小號更少的能源。
②排水管表面光滑,排水能力是鑄鐵管的1。5倍;
HDPE 0.0015~0.015mm;新鑄鐵管 0.2~0.3;
舊鑄鐵管 0.5~1.6。
③相同管徑坡度,HDPE管排水能力遠遠高于鑄鐵管。
坡度:i=0.025,充滿度:h/d=0.5時:
鑄鐵管Dn50=0.64L/s,Dn75=1.9,Dn100=4.08;
HDPE管Dn50=1.32L/s,Dn90=3.59,Dn110=6.12。
④HDPE是非極性材料,使用過程中不結垢,排水能力不下降。
對比項目
PVC
鑄鐵管
HDPE
性質
極性、易結垢、不腐蝕、易老化
極性、易結垢、易腐蝕、易老化
非極性、不易結垢、不易腐蝕、不易老化
長期使用流通能力
下降
迅速下降
不下降
(極性:分子間作用較強,強度高,拉伸好,但是抗沖擊、抗彎性能差,吸水率高。)
⑤HDPE排水重量輕、強度高,滿足現代建筑要求。
HDPE
50*3.0
0.453kg/m
75*3.0
0.7kg/m
鑄鐵管
50
5.75kg/m
75
9.16kg/m
⑥熱熔連接,安全可靠。
對比項目
PVC
柔性鑄鐵
HDPE
安裝輔材連接方式
粘結劑粘接
橡膠密封圈、不銹鋼卡箍連接
不需輔材、熱熔連接
接口成本
接口安全性
容易產生集中導致破損。不可靠、連接容易
不能拉伸、偏轉角度小于5度、連接困難
接口強度超過管材1到3倍,彎曲半徑8dn??砂德?,連接容易
截斷
刀、鋸
切割機
專用剪子
搬運
容易
困難
容易
最大試壓強度
0.38mp以下
0.35mp
0.6mp
⑦HDPE管防噪音效果好,提高生活環境質量。
各種管材在某一相同測試條件下,HDPE屬于彈性材料,彈性模量低,密度小,能最大限度避免噪音,防止噪音傳播。
⑧HDPE排水管抗沖擊性能好,安全性高,可保證放心使用50年。
HDPE排水管抗沖擊性能遠好于PVC。HDPE屬于柔性材料,在GB/T標準中無抗沖擊性能檢測的要求。HDPE管斷裂伸長率大于350%,最高可用于240m建筑中。
HDPE管能夠使用在0.6Mp的壓力下,也可用于有壓排水中。
PVC管非常脆,在正負壓的反復作用下易產生疲勞破損。(在高層建筑中更為明顯)
⑨施工安全性高
施工現場意外撞擊、摔打,對HDPE排水管的影響較小,在低溫下搬運、施工不易破損,也不會留下隱患。
一般的PVC排水管在常溫下,尤其在低溫下,非常容易破損,在施工中必然留下隱患,給用戶和施工單位都帶來巨大的損失。
對北京、上海、重慶、廣州、哈爾濱等城市的排水管使用狀況調查顯示:約35%的業主反映排水管存在漏水問題,絕大多數是PVC管。
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接管卡(根據不同的管徑,每隔0.8至1.6米布置管卡),用于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。氣水混合流的排水過程中,有一個非常重要的要求,是關于在系統各部位內負壓的限制,規定負壓不得低于-0.8公斤。其原因在于,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。如果振動不加以防范,可能會影響減少建筑結構的使用
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,從而避免振動對建筑結構產生影響。由于溫度的變化,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,對于管道連接處形成作用。
安裝固定系統可以防止在剛性安裝的排放系統中,由于熱脹冷縮受到阻隔而產生的力會對建筑結構的破壞,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,都由連接件傳至方形導軌,避免引起系統的變化,減少對于建筑結構的影響。
固定系統除了可以起到固定管道,轉移管道受力的作用,還有助于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?;さ淖饔?。
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復變化的情況。
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。
通過對管道的管徑、高差的控制,可以實現對管道內雨水的流態的控制,使系統大部分時間工作在虹吸壓力滿管流的流態。使管道內滿管流形成一定的負壓,斗前水面受到管道內外壓差的作用,增大了管道的流量,大大增強了雨水系統的排水能力。這便是虹吸式雨水排放系統的工作原理。與傳統雨水系統相比,虹吸雨水系統管徑小,排水量大,立管少,對建筑立面和空間影響小。

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