虹吸雨水排放系统原理及实践课件.ppt

威派克(青岛)雨水科技股份有限公司,屋面雨水虹吸排放系统专家给你一个完美的解决方案,虹吸雨水排放系统原理及实践weipike威派克TM,1 重力屋面排水系统存在的主要问题,1.1 必需的水平管坡度给管道铺设带来困难 有坡度的长管道两端的落差可能被禁止； 有坡度的排水管道会影响其他相邻管道铺设。1.2 大量的立管可能需要开挖排水沟 在现代化车间内排水沟是被禁止的； 在暗沟内布置有坡度的排水管实现上也往往存在困难（100米长坡度1%会有1米落差）；1.3 不能适应灵活布置立管位置的要求1.4 雨水斗即使以淹没方式进水，也必须有相当大的斗前水深 以管径100mm为例，如果流量为20升/秒，即进口流速为 V=0.02/(0.7854d2)=2,55m/s，设进口局部阻力 系数为0.1，斗前水深为 H=(1+0.1)V2/(2g)=0.345m设计师的希望：能够像布置导线那样布置水管会多么方便！,2 虹吸现象给了我们什么启示,h,Po,Po,在如图的典型虹吸过程中，C点水流具有势头H，速度水头hv，如果右侧管道存在沿程损失hy，且流速不变，则根据伯努利方程，C点的水头为 hc=Po+h-H Po为大气压力。h肯定远小于H，所以hc将低于大气压力，即C点呈现负压。正是由于C点的负压，才使水池中的水能够源源不断被大气压力压到C点，然后顺流而下，使虹吸过程继续下去。当然，C点的负压至少应当足以克服C点对水面的势头，由于右侧水管低于水面，这一点可以得到保证。 如果把这种动力用到屋面雨水排放中去，就可以克服雨水横管中存在的阻力，在没有坡度的情况下将远处的雨水输送到立管顶端。,C,H,虹吸排水要解决的根本问题是什么？,利用大气压力 将远离立管的雨水斗汇水 经水平铺设的横管 输送到立管顶端 解决了这个根本性问题，就会看到虹吸排水的许多优点。,3 屋面排水中虹吸的形成过程,虹吸的形成过程是指管道中从非满管流向满管流的过渡过程。重力排水状态（雨量小时，管道内处于非满管流状态，即重力排水）雨水斗的淹没-雨水斗喉部的充满（随着雨量加大，首先出现的是淹没雨水斗盖板，靠天沟水深在雨水斗喉部所能产生的流速足以使雨水斗喉部处于充满状态）尾管的充满和流速的加快，形成虹吸起始流量（喉部充满部分向下延伸，使有效水头增大，而不再限于天沟水深。当整个尾管全部充满时，形成虹吸起始流量）水平管的充满或不充满，不起重要作用（起始流量流过水平管时，由于一般水平管没有坡度，所以大多会形成满管流动。其阻力会使起始流量有所下降。希望阻力尽可能小，所以一般水平管都比较粗）立管顶端开始充满，起始流量和立管顶部直径的协调 （起始流量能否将立管顶端充满，是虹吸过程正常发展的关键。被水平管降低的起始流量必须足以把立管顶端充满，或者说立管直径绝对不能大到起始流量无法充满的程度。）立管充满高度向下延伸，直至全部充满（立管顶部一旦被充满，则充满部分就会向下延伸，同时由于立管充满部分的高度起到增大水头的作用，从而使流量同时加大。当立管全部充满时，系统达到最大排量。）过渡段的充满（过渡段一般是水平段，排出需要压力，所以立管下端的压力会高于大气压力。）过渡段的阻力会使立管充满时所形成的流量有所下降。,虹吸生成过程描述,水平管充满后能否向立管充满过渡，取决于流量QS和立管直径的配合。,尾管充满段,水平管充满段,立管充满段,最大流量,QS,4 尾管在虹吸形成过程中的作用,从上一节的讨论中我们看到，当雨量上升到一定程度时，系统首先被充满的部分是尾管，这一点很容易被人理解。由于尾管被充满而造成有效势头增大，从而获得了一个起始流量，也就是靠这个流量在立管顶端形成了一个初始流速，这个流速必须能够使立管达到充满程度，并在立管内形成有效势头的增加，从而使流速进一步上升。 设想如果尾管非常短，因而起始流量也就很小，在立管顶端甚至达不到充满的程度，那么立管也就永远不能起到加速的作用，虹吸过程也无法形成。必要的尾管高度起到了使系统一步步充满的关键作用。规程中建议尾管高度不小于1米，是一种安全建议。实际建筑中由于吊顶高度或管道布置的限制，可能要求尾管缩、短，甚至短到0.3m，这时就需要按规程推荐的公式对尾管高度进行必要的验算。但规程中提供的验算公式在某些情况下并不合用，而需要针对具体情况具体分析。,不同雨水斗和尾管高度所形成的起始流量,4 虹吸状态下管道内的压力分布,可以利用伯努利方程定性分析整个管道内的压力分布状态。 过渡段：假设过渡段为水平管，则前后端势头相等；再假定管道没有直径变化，则进出口流速相同，速度水头不变。由于出口压力水头为零，所以管道前端必须存在正压，以克服过渡段对水流形成的阻力。 立管：立管上下端存在势头差H，立管阻力损失水头hs， 立管尾部压力水头hg，仍假定管道直径不变，速度水头不变，则立管顶端的压力水头为hc=hg+hs-H，在设计上保证适当的立管损失hs和过渡段损失hg之和小于H，从而使立管顶端保持负压状态。 水平管：为克服水平管对水流的阻力，水平管前端的压力必然大于后端压力。但设计合理的系统，可以使水平管在距立管得最远端仍保持负压状态。 尾管以及连接管：由于尾管高度的作用，在除去尾管和连接管损失之后，尾管顶端会形成比水平管远端更低的压力，也就是在雨水斗的喉部形成相当低的负压。这个负压是维持小斗前水深的重要条件。 雨水斗喉部到边缘：雨水斗从边缘向中心有一个水流的加速过程，这个加速过程的动力来源于从边缘到中心的压力差。雨水斗喉部的负压和边缘处的大气压力之差推动了水流的加速过程。 从以上分析可见，虹吸过程中，整个管道中除过渡段之外，几乎全部都处于负压状态。,负,正,正,负,5 虹吸过程中管道内的压力限制,在我们分析虹吸排水过程中，会发现势头向压力水头的转换中涉及到水的密度。如果减小，相当于势头成比例减小，也就意味着排水能力的下降。水中如果存在气泡（包括空气泡和蒸汽泡），都会明显降低水的密度，从而影响虹吸排水能力。雨量不足时混入水中的空气泡会随着雨量加大而被水流带走，但如果管道中出现过低的压力（低于水的空化压力，即常温下的饱和蒸汽压力），水中就会迅速产生大量蒸汽泡，从而降低了水的密度，大大影响系统的排水能力。为此，虹吸系统设计严格限制系统中的最低压力不得低于水的空化压力，在设计规程中要求最低水头不低于-9m。计算表明，虹吸系统中的最低水头一般出现在立管顶端。从充分利用立管高度带来的势头看，应尽可能降低立管顶端的水头，从而使水平管获得更大的水流动力，但这个水头的极限值是-9m。当立管高度过高时，可能会出现立管水头剩余的现象。取沿程阻力系数为=0.02，当最高流速限制为10m/s时，除去沿程损失，每米高度管道能够剩余的水头近似等于（1-.1/d)(m)。如果管道内径为0.18m（200PE管），则（1-0.1/0.18)=0.44m。即便是考虑到过渡段的损失，当立管高度超过25米时，立管顶端的水头仍有可能低于-9m。在这种情况下往往需要舍弃一部分立管的作用，即降低立管的有效高度。常用的做法是在立管的下部加大管径，形成重力流。,大直径盖板形成足够的进口面积，保证低进口流速下获得大排量，限制斗前水深。空气挡板下水流从边缘向中心的加速 充分利用从边缘到中心的压力差，保证了水流在喉部能加速到预期值，实现大排量。尾管的作用 形成上升段的喉部负压，获得上升段流量盖板的封闭作用： 保持喉部负压盖板结构应有助于防堵塞由于盖板的存在，出现影响满管流的漩涡已经不存在。,6 虹吸雨水斗工作原理,7 雨水斗设计要点,虹吸雨水斗往往被认为是虹吸系统中的核心部件，甚至有人会夸大它的神秘感。这会有意无意中削弱了立管在虹吸过程中的关键作用。其实虹吸雨水斗的唯一作用在于降低正常排水过程中的斗前水深。在条件许可的情况下，没有雨水斗也同样可以构建虹吸排水系统，比如利用集水井。分析雨水斗进水过程时假定天沟内水流流速为零。如果雨水斗在指定斗前水深下能够获得设计流量，沿雨水斗边缘必然有相应的流速V1，产生这个流速的动力只能来自于斗前水深形成的势头。设雨水斗进口直径为D=0.3m，进口高度h=0.035m，进口平均水深h1=0.1m，雨水斗进口面积为Ain=3.14*0.3*0.035=0.033m2。雨水斗进口流速V1=(0.1*2*9.8/(1+0.1)0.5=1.33m/s进口流量Qin=Ain*V1=0.033*1.33=0.044m3/s=44L/s作为设计流量40L/s的雨水斗，这样的结构尺寸是可以满足天沟水深要求的。雨水斗是否能够实现这个排量还要取决于系统设计，即系统必须保证雨水斗中心部位能够形成足够低的负压，从而保证水流从边缘到中心的加速动力。雨水斗自身只是保证在指定天沟水深下有可能获得预期的进水量。,h,V1,h2,V2,P0大气压力，Py雨水斗喉部压力，V1进口流速，V2喉部流速h进口高度，D进口直径，Dy出口直径h1斗前水深，h2平均水深,D,Py,P0,h1,Dy,V1=(h2*2g/(1+)0.5进口局部阻力系数,水面,适当的圆角，能明显减小局部阻力,薄片状格栅,雨水斗的喉部直径需要根据设计流速决定。一般雨水斗喉部的设计流速约35m/s。 雨水斗设计的另外一个要点是在最大限度防止空气进入的前提下，减小雨水斗局部阻力。无论是流道高度选定，还是流道造型设计，都必须符合流体动力学的要求。过低的通道高度或者在流道中存在障碍，都会明显加大雨水斗的局部阻力系数。 不同厂家的雨水斗，局部阻力系数会在0.21.2的范围内变化。 雨水斗盖板起到了保持雨水斗喉部负压的作用，而周边的栅栏则可以防止大的杂物进入雨水斗。盖板顶部的筋则有助于减轻漂浮杂物对排水效果的影响。,weipike威派克TM 基本型雨水斗,WPK-56雨水斗 设计排量：12升/秒, 接管直径56mm,WPK-90雨水斗 设计排量：24升/秒, 接管直径90mm,WPK-110/125雨水斗,设计排量 40/80升/秒, 接管直径110/125mm,扩展盖板,8 关注天沟,8.1 虹吸生成过程对天沟的要求,Qth,Q1,Q2,Qth设计排量 Q1落雨量 Q2实际排量,t,Q,8.2 虹吸生成过程带来的影响,当雨量急速上升时，天沟内会有相当的雨水累积，累积速度和雨量变化速度正相关短时超过设计排水量的落雨量也积累在 天沟内雨量减小时，累积的雨水会迅速排出天沟容积必须考虑这种排水滞后现象 23,8.3 影响滞后量的主要因素,雨水斗的排量尾管高度水平管的直径和长度立管的直径和高度雨量变化速度迳流系数对钢结构屋面的长天沟（相应水平管很长），必须进行天沟缓冲能力验算，防止在突降暴雨时天沟泛水。,8.4 系统溢流对天沟的要求,虹吸排水与重力排水的重大不同： 重力排水的排量会随天沟水深的增加而增加，而且几乎没有时间滞后； 虹吸排水存在排量饱和问题，一旦达到设计排量，将不会由于天沟水深上升而使排量上升。 这一根本性的差别要求设计虹吸系统设计时，同时充分关注天沟尺寸，需要满足两个方面的要求： 在突降暴雨的情况下，有必要的缓冲能力； 在超过预定暴雨重现期雨量时，天沟能够提供足够的溢流能力。 由于这两点要求，虹吸系统同样要求有足够大截面积的天沟，而不是仅仅满足正常排水所需要的深度。,9 系统设计,9.1 基本设计步骤 虹吸系统设计包括以下几个方面：管路布局设计，水力分析计算和施工设计。其中管路布局设计和施工设计常常会随着现场情况的变化而调整，而任何管路的变动，又大多需要重新进行水力分析。 管路布局阶段要做的工作和重力排水系统设计类似，所不同的是可以根据需要可以灵活布置雨水斗和立管。但在管路走向上必须充分考虑和建筑内其他管线，构筑物之间的协调以及美观要求。 施工设计中问题最多的可能就是水平管的架设，这是虹吸排水和重力排水最大的不同之处。目前使用最多的是二次悬吊，但在大型厂房或者钢结构建筑中，过大的跨度常常给水平管的架设带来麻烦，和其他管线干涉或者需要绕过建筑物，常常需要更改走向，增加弯头。这些都需要对设计进行多次反复。,9.2 水力分析和设计结果的多样性,虹吸排水设计的原始参数只有设计排量、总水头高度以及管路走向要求。不同的设计师出于不同的理由，可能会设计出千差万别的系统。一般的设计目标是在实现预期排水量的前提下考虑到经济性、美观性、可靠性以及实施的可能性。要想构建一套缜密完整的设计方法，就得有一套完善的设计评价准则，这一点目前无法做到。但是实际系统设计毕竟存在着一些约束条件，而设计师也同样可以建立自己的评价准则，编制出自己使用的设计方法。到目前为止，实际的设计工具仍然是属于经验加试算性质，即设计师根据试算结果不断修改某些管段和管件的尺寸，以满足设计要求。计算机软件能够利用人们总结出的一些经验，缩短试算时间，或者按照预定的约束条件给出一个可用的方案。,9.3 虹吸系统计算的数学模型,虹吸排水系统计算是基于对管网的分析方法。建立方程的基本原理是依据伯努利方程：同一节点上水头（压力）唯一的原理；同一节点上流入和流出的流量代数和为零。所有的管件长度尺寸默认为零，管长按相应节点中心距计算。利用伯努利方程计算同一管道内不同节点上压力的变化。以下图为例，可以建立四个方程. 由于a段和b段有相同的势头h，如果三段的阻力分别为Ra，Rb，Rc，流量分别为Qa，Qb，Qc，则有h=Ps1+Hvs1+Ra*Qa2h=Ps1+Hvs11+Rb*Qb2Ps1+Hvs1=Ps2+Hvs2+Rc*Qc2Qc=Qa+Qb这里假定a,b段入口流速为零，类似雨水斗入口。其中的未知数是Qa,Qb,Qc和Ps1， Ra，Rb，Rc应为已知。速度水头可以用流量表达。当网络复杂时，建立的是多元高次联立方程，无法得到解析解，只能用迭代法在计算机上求解。,a,b,c,h,s1,s2,9.4 管段阻力的计算,管段阻力包括局部阻力和沿程阻力。可以利用相关资料推荐的方法计算沿程阻力系数。由于沿程阻力系数是雷诺数的函数，所以在计算中需要随时根据管道流量修正，一般在0.0170.030范围内。局部阻力系数则难以通过计算方法获得。对虹吸系统中常用的管件，可以取如下的局部阻力系数进行系统验算： 雨水斗：0.21.5 45 弯头：0.3 90 弯头：0.5 三通直通入口：0.3 三通侧向入口：0.5 小变大变径: (1-A12/A22)2 大变小变径: 0.5(1-A12/A22) 其中A为小端截面积。 在将流速转换成流量后，管段的总阻力按下式计算： R=0.0827* ( L/d5+ /d4)(s2/m5) 管段水头损失Hs=R*Q2(m) 由于阻力系数取值的差异，不同厂家对系统的计算结果往往会有一定差异，最大偏差可能会达到20%。,9.5 系统验算,系统验算按以下步骤进行：1) 计算各个管段组的预期流量qi2) 计算各个管段组的阻力RiR=0.0827* ( Li/di5+ i/di4)(s2/m5)3) 计算各个管段的阻力损失hsi=Ri*qi24) 计算各个节点处的速度水头Vi2/2g5) 根据各个节点的标高（势头），利用伯努利方程计算各个节点处的压力水头hpi6) 检查各雨水斗子系统的总损失是否小于该雨水斗的总势头（剩余水头大于零）7) 检查各雨水斗子系统剩余水头偏差是否大于10kPa8) 要求系统最低压力不低于-90kPa，过渡段出口流速不大于2.5m/s，否则需要采取效能措施，立管流速不大于10m/s，水平管流速不小于1m/s,9.6 计算实例,r1=764, r2=300, r3=975r4=214, r5=488, r6=481 q1=0.0576, q2=0.0576,q3=0.0602, q4=q5=q6=0.1178Vg=2.84m/s,1.2m,160,0.6m,160,10m,160,20m,200,19m,160,3m,125,5m,250,-3.14m,-7.6m,19m,0m,1.4m,125,20.4m,-3.43m,-3.16m,-1.73m,0.53m,57.6L/s,WPK-125,60.2L/s,TY-125,q1,q2,q3,q4,q5,q6,Vg,Hs12=(r1+r2)*q12=(764+300)*0.05762 =3.53mHs3=r3*q32=975*0.06022=3.53mHs456=(r4+r5+r6)*q42 =(214+488+481)*0.11782 =16.47mHvg=2.842/19.6=0.4mHs12 + Hs456 + Hvg=20.4mHs3 + Hs456 + Hvg=20.4m如两个雨水斗的设计流量分别为0.057m3/s，则可求得剩余水头1=1176mm，剩余水头 2=1467mm，水头偏差=291mm过渡段出口流速大于2.5m/s，需考虑增加消能井。,10 虹吸屋面排水的主要优点和适用范围,10.1 优点自雨水斗开始为压力排放，流速远高于重力排放，管径小，便于隐蔽安装。管道可以放在幕墙背后，也可以放在立柱内。水平管可无坡度长距离延伸，给雨水斗和立管布置留下很大的自由空间； 立管可在适当位置自由布置，满足建筑美学要求，同时免去了大量的地沟开挖工作。专用雨水斗有效限制天沟水深。10.2 适用范围总水头在3米以上的建筑，以形成必要的负压；大屋面公共建筑，大的汇水量使用虹吸排水才有价值；现代工业厂房，不允许室内开挖地沟；屋面下方必须有架设水平管的空间，一般的住宅和办公房会受到限制。,11 虹吸屋面排水技术需要解决的几个问题,作为一项成熟而又有效的技术，在大范围推广时，需要注意该项技术针对不同建筑的设计、用材和施工的规范化、标准化提高虹吸排水系统材料供给的市场化水平，降低系统成本由于大量使用HDPE管材，建议积极推广电熔管箍连接方法；由于水平管铺设的特殊性，需要开发一些用于高空管道焊接的轻便设备，以确保高空焊接质量；由于系统施工较重力排水系统复杂，施工期间面临和其他专业工种的协调，临时雨水排放是一个非常需要关注解决的问题。管道被吸瘪和HDPE管材的环刚度： 许用压力-90kPa，极限压力-100kPa，差别很小。个别情况出现管道被吸瘪和设计无关，也和施工无关，而是管材厂没有把环刚度作为一项特别的技术标准严格把握，他们只是习惯于关注管材的抗压强度。影响环刚度的主要因素是材料的弹性模量和直径壁厚比。作为一种存在很大负压的特殊排水系统应用，对管材的环刚度应该给予特别的关注。管道密封性试验可能给检查口带来的问题：超高建筑灌水密封试验时，底部压力会达到400kPa以上，常用的检查口结构（尤其是小规格螺纹密封结构）缺少这样的耐压能力，原因是作为排水系统的工况根本不存在这种压力，在国外的许多虹吸排水案例中也不使用检查口，因为系统有自洁能力。供应商面临如何应对技术规程的问题。,12 虹吸排水系统施工中需要注意的几点问题,严格按照图纸施工。施工人员往往以重力排水系统的概念看待虹吸系统，随意变更管道规格或管件配置。这会影响系统的排水能力；系统中禁止使用正三通接头，因为正三通比45度三通的局部阻力系数大数倍；严格按照规范使用锚固法兰。PE管有很大的热膨胀系数，普通管卡只能起到支撑固定作用，气温变化造成的管道伸缩移动有可能破坏横支管。由于PE管的弹性模量远小于金属，热胀冷缩应力不会造成管道沿轴向破坏，所以不必要采用伸缩节之类的热补偿管件；注意成品保护。在整个工程没有完成时，往往会有屋面杂物进入雨水斗，尤其是混凝土屋面，造成管道堵塞。有时甚至发生雨水斗盖板丢失现象，都给工程交付以及使用带来麻烦；严格把握焊接质量。PE管的焊接质量是百年大计，大量的焊接点有任何一处被忽视，都会造成工程返修，甚至造成难以估量的损失。把握焊接质量的关键是按操作规范焊接。注意防止管道出口堵塞，此种情况会造成立管下端压力上升，甚至破坏检查口。施工期间采取适当的临时排水措施，和其它工种配合，严防雨水漏入建筑内。,13 威派克公司简介,专业虹吸排水技术供应商，包括设计、供材、施工以及售后服务和技术咨询服务7年来完成大小工程近千项，涉及体育场馆、机场候机楼、火车站站房雨棚、商场、工业厂房各个领域，质量优良，深得用户好评有完善的供货体系，自产全系列的PE管件，悬吊支撑件，定点生产国标管材，产品通过国家或省级质检认证，质量优良，供货及时公司有多项专利，通过ISO9001-2000质量管理体系认证，具有三级建筑安装资质。,管件注塑设备,立体仓库,部分注塑模具,谢 谢！ 欢迎讨论,