虹吸雨水原理(虹吸屋面雨水排水系统)

1.无组织排水:又称自由落体，是指屋顶雨水从屋檐直接落到室外地面的一种排水方式。它的优点是结构简单，成本低，但屋顶雨水自由下落会打湿墙面，外墙脚经常被飞溅的雨水侵蚀，影响外墙的牢固性和耐久性，可能会影响人行道的通行。无组织排水主要适用于雨水少的地区或一般低层建筑，但不适用于临街建筑和高度较高的建筑。

2.有组织排水:屋面雨水通过排水系统系统排至室外地面或地下管沟的一种排水方式。它具有不妨碍行人通行、不易溅墙的优点，因此在建筑工程中应用广泛。然而，与无组织排水相比，其结构更复杂，成本相对更高。

外排水:常用的外排水方式有女儿墙外排水、檐沟外排水、女儿墙外排水(图8-7)。正常情况下，应尽可能采用外排水方案，因为有组织的排水结构复杂，容易造成渗漏。一般民用建筑中，最常用的排水方式是女儿墙外排水和檐沟外排水。

内部排水:落水管位于外墙内侧。多跨住宅中跨结构简化，在考虑高层建筑立面美观和寒冷地区防止落水管结冰堵塞时，可采用内排水。

浸水是建筑中的一种防水技术。通俗来说，其实就是墙面和屋顶交汇处的防水处理，也就是所有需要防水处理的平面立面。说白了就是用防水材料把边角包起来，跟散水不一样。

其结构要点和方法如下:

(1)屋面卷材继续铺至垂直墙面形成防水卷材，泛水高度不小于250mm。

(2)在屋面与竖向女儿墙交接处，砂浆找平层应涂刷成圆弧或45度斜面，涂卷材胶粘剂，使卷材胶粘剂密实，避免卷材框空或断裂，并加一层卷材。

(3)做好卷材末端在洪水顶部的固定工作，防止卷材在立墙上滑落。一般做法是:在立墙上凿一个全长槽，将卷材的端头压入槽内，用防水板条钉牢，然后用密封材料嵌封，并用水泥砂浆保护。凹槽上方的墙壁也应防水。

浸水是指女儿墙、挑檐或高低屋顶墙的防水。它的主要功能是确保女儿墙、挑檐和高低屋顶墙不会被雨水冲刷，并保护屋顶的其余部分免受水的侵蚀。

虹吸式屋面雨水系统的原理是依靠设计专门的雨水斗来分离蒸汽和水，从而使雨水立起来。

当立管内的水达到一定容量时，就会发生虹吸现象。在降雨过程中，由于持续的虹吸作用，整个系统可以惊人地快速排出屋顶上的雨水。

1.虹吸系统介绍

1.1虹吸式屋面排水系统的特点

虹吸排水系统在降雨初期，当屋面雨水高度不超过雨水斗高度时，整个排水系统的工况与重力排水系统相同。

随着持续降雨，当屋面雨水高度超过雨水斗高度时，采用科学设计的防涡流雨水斗，通过控制雨水流入雨水斗，调节流动状态，减少涡流，从而大大减少雨水进入排水系统时所携带的空风量，使系统内排水管道处于满流状态。利用建筑屋顶的高度和雨水的势能，当雨水不断流过雨水悬吊管，落入雨水立管，并在那里形成虹吸效应。屋面雨水在管道负压的抽吸下，以高流量排至室外。

1.2虹吸式和重力式与地面雨水排水系统的区别

虹吸式屋面雨水排水系统的排水管均按满流满压状态设计，因此虹吸式排水系统中的雨水悬挂管可无坡度敷设。同时，当虹吸现象发生时，管道内的流速很高，因此系统具有良好的自清洁效果。但重力排水设计计算不按满流计算，雨水悬吊管敷设坡度不小于0.005。

虹吸排水系统中排水管的排水能力远大于重力排水系统中相同直径的排水管，即排除相同的雨水排放，虹吸排水系统的排水管直径小于重力排水系统。

虹吸排水系统本质上是一种多斗压力流雨水排水系统。因此，与重力排水系统相比，埋管数量应大幅减少。

目前，该系统在国内的应用刚刚起步，在世界范围内已经应用了近20年，涉及的建筑包括航站楼(法国戴高乐机场航站楼、香港新机场航站楼、瑞士苏黎世机场航站楼)、展厅(香港会展中心)、体育场(丹麦哥本哈根足球场、澳大利亚悉尼体育场)、工业厂房(奥地利克莱斯勒汽车厂、法国雪铁龙汽车厂)、商务中心、停车场、货运仓库、办公楼等。据不完全统计，使用吉博力虹吸排水系统的工程项目近4万个，屋面排水面积约3000万m2。

2.系统组成和工作条件

2.1概述

屋面雨水排水系统一般由虹吸式雨水斗、非斜坡悬挂管、立管和雨水出水管(排水管)组成。

形成虹吸式屋面雨水排水的前提是必须有一个具有良好气水分离装置的雨水斗。在设计降雨强度下，雨水斗不掺入空气体。降雨过程中，雨水斗与出水管高度差形成的压差通过屋面排水系统从室外排气管排出。在这个过程中，排水管充满了满管压力流，屋顶雨水的排水过程是虹吸作用的结果。因此，该系统称为虹吸式屋面雨水排水系统。

虹吸雨水排水系统中的压力和水的流动状态是不断变化的。

降雨初期，雨量一般较小，悬管内有自由液面的波流。根据降雨量的不同，在某些情况下，虹吸在初期无法形成，是一种以重力流为主的流型。随着降雨量的增加，管内逐渐出现脉动流和牵拉流，然后出现满管气泡流和满管汽水混合流，直至出现水的单向流动。

降雨结束时，雨水量减少，雨水斗前淹没排放的水位下降到一定值(根据不同雨水斗产品的设计不同而不同)。雨水斗逐渐开始混入空气体，破坏了排水管内的虹吸效应，排水系统由虹吸流动状态变为重力流动状态。

在整个降雨过程中，随着降雨量的增加或减少，悬管内的压力和水流状态会反复变化。

与悬吊管类似，立管内水流状态会由附壁流逐渐转变为气泡流、气水浮流，最后形成虹吸时，会出现接近单向流的状态。

2.2雨水斗

总的来说，雨水斗的设计是整个虹吸系统按照设计要求工作的关键之一。其流动稳定性越好，产生虹吸所需的屋顶集水高度越低，其整体性能越好。

标准雨水斗，由雨水斗底座(PE材料)、圆盘(ASA)和格栅顶盖(PE)组成。此外，还可根据需要提供通用绝缘底座、固定件、法兰盘、焊接板、防火帽、微型加热线圈等配件。

压力流(虹吸)雨水斗由高密度聚乙烯、铸铁或不锈钢制成。每个部分都有不同的结构功能。雨水斗放置在顶层，上部覆盖有进水格栅。在降雨过程中，雨水通过格栅盖的侧面进入雨水斗。当屋面集水达到一定高度时，雨水斗内的防涡流装置会阻挡空空气从外部进入，同时消除涡流状态，使雨水能够顺利淹没并排入排水管。虹吸式雨水斗最大限度地减少了天沟积水的深度，最大限度地减少了屋顶承受的雨水负荷，增加了雨水斗的额定流量。

目前，主导产品可以部分通用。它最大的优点在于它广泛适用于不同功能和材料的屋顶系统。换句话说，雨水斗可以通过组合相应的配件来适用于不同的屋顶，如混凝土屋顶、金属屋顶、木制屋顶、考虑到人行走或绿化的屋顶、梯形凹凸屋顶等。雨水斗是整个虹吸系统的关键部分。对于整个虹吸式屋面雨水排水系统，最重要的是防止空气体通过雨水斗进入整个系统。空气体如果直接进入雨水斗，会在管道内形成气团，大大降低系统的排水效率，最终会和传统的重力排水系统一样。

因此，虹吸式屋面雨水排水系统中使用的雨水斗必须有一个优化设计的具有防涡流功能的盖子，以防止空气体通过雨水斗入口处的水流带入整个系统，并有助于形成水封，在斗前水位上升到一定程度时，完全阻挡空气体进入。

雨水斗的设计和安装也有一定的严格要求:

(1)雨水斗距离墙壁至少1米。

(2)雨水斗之间的距离一般不大于20m。

(3)如果平屋顶有碎石层，雨水斗格栅顶盖周围的碎石厚度不能大于60毫米，最小粒径必须为15毫米。

(4)如果雨水斗安装在天沟内，且采用焊接件，天沟宽度至少为350毫米，天沟内雨水斗安装口为70毫米270毫米至290毫米290毫米

(5)如果雨水管安装在混凝土屋面表层，屋面至少160毫米厚。

(6)连续梯形断面的屋顶雨水斗开口尺寸必须为280毫米280毫米，以安装紧固件。如果开口大于300毫米300毫米，屋顶需要加固。

(7)屋面为混凝土时，雨水斗下方连接的雨水管直径至少为35mm(用电焊管箍接头连接)，对应屋面厚度为180mm ~ 190mm。

(8)有保温层的屋面保温层厚度至少为40毫米。如果隔离层厚于180毫米，雨水斗的底部必须延伸到合适的长度，可以与直径为56毫米的连接管连接。

2.3系统管道

作为管道虹吸式屋面雨水排水系统最重要的组成部分，保证系统安全、可靠、高效、连续运行是十分必要的。虹吸系统作为一种特殊的排水系统，其管道必须保证完全密封和完整的防火措施，并尽可能降低噪音，吸收振动，抵抗外部冲击力，最大限度地满足温度变化引起的变形。

管道的完全防漏并不意味着系统的密封性得到满足。一般来说，防渗漏的要求是允许小规模渗漏，只要有补救措施。但是一旦虹吸系统泄漏，就不容易发现了。当暴雨的降雨强度突然出现时，整个系统可能会立即崩溃。而且屋顶雨水不能及时排出，超过了屋顶的受力强度，导致屋顶坍塌。

当然，轻微的开封不一定会造成泄漏，但足以造成漏气。一旦排水管内出现气团，虹吸排水的效率会立即大大降低，甚至会严重破坏虹吸效应。

由于虹吸系统采用负压排水，管道的管壁必须有相当的承载力。但它不是一个完全刚体。因为虹吸系统的负压一般不大于-0.08Mpa，过大的负压会导致管内水流过快，产生气蚀，对金属管或金属接头的危害很大(-0.09Mpa接近气蚀临界值)。同时，过高的负压会给系统带来很大的振动，降低系统的使用寿命。

并且当建筑物的一部分发生火灾时，该系统可以防止火灾快速传播到建筑物的其他部分。因此，材料本身的阻燃性并不是最重要的，而整个管道系统的火灾扩散性才是最大限度减少灾害损失的关键。

高密度聚乙烯管材的优点

承压性能好，管壁在外载荷下不会破裂。它可以抵抗冲击压力，减少水锤的冲击伤害，保证系统的安全运行，保持彩虹效应的负压。

管道连接方式方便灵活。管道可根据需要采用不同的连接方式，如对焊、电焊管箍连接、法兰连接、螺纹连接、膨胀管接头等。高密度聚乙烯也可以与钢管、铸铁管、陶瓷管等管道连接。只能用专用的加热焊接机操作。

HDPE管是在热条件下生产的，在制造过程中材料本身的张力已经降低，所以成品后可能出现的微小尺寸变化不会有什么危害，热膨胀和冷缩带来的危害会降到最低。

从物理和化学的角度来看，HDPE管道具有很强的防腐能力，不受各种酸、碱、盐引起的电化学反应的影响。高密度聚乙烯管比金属管更耐磨。耐极端温度为–400°C ~ 1000°C，管材重量轻，施工方便，可提前预制，大大提高安装效率。

针对当前我国建筑行业住宅产业化、设计标准化、材料集约化、工厂化建设、管理科学化的发展趋势，HDPE管作为一种新型节能管材，具有巨大的发展潜力。

2.4辅助固定系统

固定系统的主要功能是协助管道的安装和固定。

虹吸雨水管道系统的固定装置包括与管道平行的方形钢导轨，以及管道与方形钢导轨之间的连接管夹(根据不同管径每隔0.8-1.6米设置管夹)，用于固定钢导轨的吊架和镀锌角。固定系统还包括管夹配件，管夹配件可以固定管道的轴向，并通过锚定管夹安装在管道的固定点。

在汽水混合流的排水过程中，有一个非常重要的要求，就是关于系统各部分负压的限制，规定负压不应小于-0.8 kg。原因是当负压在-0.92 kg左右时，系统中的气泡会在压力下破裂，使整个管道系统剧烈振动。

因此，为了保证系统的正常运行，管道振动的危害是一个不容忽视的问题。如果不防止振动，可能会影响建筑结构使用寿命，也可能导致整个系统的破坏。安装系统的主要功能之一就是吸收这些振动，从而避免振动对建筑结构的影响。

由于温度的变化，管道不可避免地会热胀冷缩。张力或压力在系统内部形成，作用在管接头上。

该固定系统可以防止建筑结构被刚性安装的排放系统中热膨胀和收缩的阻碍所引起的力损坏，并吸收热膨胀和收缩引起的管道位移。同时，还可以避免管道因悬挂应力而变形。

无论是系统振动产生的外力，还是热胀冷缩产生的内力，甚至是悬空管道承受的重力，连接器都传递到方形导轨上，避免系统的变化，减少对建筑结构的影响。

该固定系统不仅可以固定管道，传递管道的应力，而且有助于增加屋顶与水平管道之间的距离，而不影响管道的水平应力。

总之，固定系统虽然是虹吸雨水排水系统的辅助部分，但它在保护方面起着至关重要的作用。

3.虹吸式屋面雨水排水系统技术条件

3.1水的连续流动性

在流量大于等于0.7m/s的情况下，保持虹吸是保证水流方向连续流动的关键。特别是当管道转角比较大，甚至是90°时，很有可能会因为管道内流速突然下降而破坏虹吸管。

因此，当水流方向改变90o时，这里弯头的连接方式一定要注意一个连接管段的设计，这样才能保证流量不会突然急剧下降，而是保持上升，这样整个虹吸式屋面雨水排水系统才能正常运行。

当系统中出现90oT支管时，当水平管中的水流快速冲向管壁时，会突然遇到障碍物，在很短的时间内速度降到零。一方面对管壁影响很大；另一方面，水流冲击管壁后，在管内以与初始方向相反的速度迅速形成回流；因此，两个相反方向的水流在管道中碰撞，容易形成水塞，阻碍排水管的排放并破坏虹吸效应。

因此必须采用较大的管径，具体情况可根据管道的空房间和环境情况选择。最佳液压选择是设计连接管段，避免90°变化。

3.2气水混合流的存在

当系统管道内形成虹吸时，由于可用管径不一定与计算管径完全一致，管道内会有许多小气泡溶解在水中，这并不是完全理想化的液体单相流。这些微小气泡在流动过程中会逐渐释放，但气水混合流而非气水两相流的流型仍可视为允许虹吸存在的状态，不影响虹吸的形成或系统的排水能力。

但是，溶于水的气泡并不意味着管道中有气团。如果排水管中间部分是气团，沿墙部分是水流，这就是传统重力式雨水排水系统管内的流型。管内气团的存在严重影响了虹吸作用时管内满流状态的形成，管内水流充满度相当低，大大降低了系统的排水能力。

3.3系统的集成和紧密性

为了保证虹吸排水的产生和连续功能，要求从雨水斗到管道系统的整个排水系统必须是一体的，并且相互紧密连接。

如果雨水斗有一个完全开放的入口，空气体会在水流的旋转带动下从入口进入整个雨水排水系统，这样根本不可能形成全流量虹吸状态，整个系统也不再是一个高效的虹吸排水系统，实际上一直是作为传统的重力排水系统在工作。

然而，为了达到更好的排放效果，重力排放系统在安装管道时要求悬挂管道的最小坡度为2%。但虹吸系统的悬吊管安装坡度为零，没有重力势能的作用，整个系统无法有效排水。

因此，只有当雨水入口的入口半开时，才能有效防止空气体随时进入系统。当桶前水深达到一定要求时，可形成水封，完全阻隔空气体，迅速形成虹吸效应。

除了有效防止空气体进入入口外，还需确保没有空气体进入系统管道。因此，另一个要求是系统的完全密封，必须保证管道不泄漏。

因此，连接附件时不能使用橡胶密封圈，而是使用插座连接(见图9-1)。该系统的气密性难以得到有效保证，容易导致管道泄漏。因为虹吸时，管道内的管流处于压力流状态，一方面管壁受压，承口也受压，容易泄漏；另一方面，一旦发生泄漏，管内压力状态发生变化，影响正常虹吸效果。

3.4屋顶水位

只有当屋面的水位达到一定水平(根据不同的雨水斗产品有不同的固定值)时，整个系统才能真正起到虹吸雨水排水系统的作用。

在连续降雨过程中，初始水位低于虹吸高度。随着水位逐渐上升，达到这个特定值后，系统开始形成虹吸。水位一直持续到屋顶的雨水量小于虹吸系统的排水能力。

但必须严格控制水位并限制在一定高度，否则屋面上积存的雨水会对屋面形成很大的不可预见的荷载，可能导致屋面结构变形或损坏，甚至渗漏。

根据欧洲标准，屋顶雨水的水位必须限制在55毫米。这个数字是长期实验和实际工程经验的结果。

您可以将毫米为单位的水量转换为每平方米雨水的重量:

因此，可以看出屋顶承受的载荷与毫米水深之间的关系。显然，当水位大于55 mm时，会对屋面结构产生相当大的重量荷载。设计屋顶或天沟时必须考虑到这一点。

特别是对于天沟，水位一定不能超过55 mm，否则天沟会随着时间的推移慢慢变形。它对排水系统和整个建筑都有很大的影响。

4.屋顶排水技术的发展

4.1重力流技术

目前国内大部分屋顶仍采用重力流技术排水。其优点是设计施工方便，成本低。然而，随着建筑技术的不断发展，这种技术越来越难以满足复杂结构或大面积屋顶的排水要求。

在此背景下，压力流技术应运而生。

4.2压力流(虹吸)技术

4.2.1重力压力流

该技术采用下沉式雨水斗，斗前水深较深；计算的流型是单相流，不考虑气体泄漏因素。悬吊管水平安装，压力平衡计算在管的连接处，即合流处进行，但水头损失计算主要以沿途水头损失为依据。由于雨水立管中存在压力零点，因此该立管的上部也处于负压状态。管道系统中的实际流型属于重力-压力流。整个系统只对雨斗有较高的要求。

由于计算不属于精确计算的范畴，虹吸发电效率低，系统对屋顶的负荷要求大，工作稳定性低，系统寿命难以保证。属于早期虹吸技术。

虹吸压力流

这是目前世界上最先进的虹吸技术。

该技术采用强制虹吸雨水斗，斗前水深较深。计算的流型为汽水混合流，考虑了漏风因素，非常接近实际情况。悬架水平安装，采用全系统压力平衡计算，一般用计算机软件计算。管件的材质、粗糙度和当量长度是计算的重点。虹吸会在某个瞬间被激发。这种技术信息资源联网技术对系统的完整性和计算精度有很高的要求。计算精度直接关系到大量的实验和工程经验数据。

该系统虹吸效率高，对屋顶负荷要求低。系统工作稳定性高，能充分保证系统寿命。属于成熟的虹吸技术。