[題記]為突破建筑給排水研究領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，中國建筑設(shè)計研究院、國家住宅與居住環(huán)境工程技術(shù)研究中心自主集成創(chuàng)新設(shè)計，與萬科企業(yè)股份有限公司合作建設(shè)了我國首座高層住宅性能足尺試驗塔，于2012年11月在東莞正式投入使用。該塔總投資超五千萬，總高度為122.8米，是我國首座、也是世界最高、測試設(shè)備以及其他輔助設(shè)備均達(dá)到國際水準(zhǔn)，測試系統(tǒng)的精度與自動化控制程度均優(yōu)于國際現(xiàn)有的實驗塔，目前可以完成37層以下各類排水系統(tǒng)性能和噪聲的所有實驗。該塔的建成，標(biāo)志著我國已經(jīng)具有完備的高層住宅排水系統(tǒng)研究的硬件基礎(chǔ)，可以直接切入建筑給排水國際領(lǐng)先的研究領(lǐng)域，為研發(fā)適合中國國情的給排水系統(tǒng)搭建了可溯源、可比對的研究與驗證平臺，通過模擬試驗研究，可以形成新型預(yù)制化的給排水系統(tǒng)產(chǎn)品和安裝工藝，對提高系統(tǒng)性能，整體提升我國住宅給排水系統(tǒng)的設(shè)計與建設(shè)水平具有劃時代的意義。

2013年8月-2014年8月，《給水排水》雜志開設(shè)“住宅排水系統(tǒng)排水能力測試專欄”，為大家連續(xù)報道萬科塔排水系統(tǒng)性能模擬試驗研究成果。本文為專欄的總結(jié)，具體文章目次和刊登期次見附。歡迎大家參考借鑒。

住宅排水系統(tǒng)排水能力測試方法總結(jié)

張磊 張哲

（國家住宅與居住環(huán)境工程技術(shù)研究中心，北京 100044）

 

住宅排水系統(tǒng)排水能力是指排水系統(tǒng)內(nèi)壓力達(dá)到臨界破壞值時，立管內(nèi)的排水流量。只有明確系統(tǒng)的排水能力，才能進(jìn)行住宅排水系統(tǒng)的合理選型，保證系統(tǒng)內(nèi)的壓力變動總是在壓力破壞允許范圍以內(nèi)。

目前，國際上通用的住宅排水系統(tǒng)排水能力測試方法，是定流量排水測試方法，日本《集合住宅的排水立管系統(tǒng)的排水能力試驗方法》（SHASE-S218-2008），歐洲EN12056-2:2000，德國DIN1986-2，美國國家規(guī)范ICC-2003，均規(guī)定以此方法進(jìn)行測試。這種測試方法的操作方式為：在排水層恒定以2.5L/s排水，逐層增加，直到立管內(nèi)的壓力值逼近水封破壞判定標(biāo)準(zhǔn)時，在排水層的最下層以0.25L/s的增幅逐步增加排水量，達(dá)到水封破壞判定標(biāo)準(zhǔn)時的流量，即為系統(tǒng)的排水能力。與實際工況相對應(yīng)，2.5L/s意味著，排水支管上的坐便器、洗臉盆、浴缸三個衛(wèi)生器具同時、連續(xù)排水，即使在浴缸使用普遍且使用頻率較高的國家，也是一種最極端的使用工況。

瞬間流排水測試方法采用坐便器進(jìn)行排水，通過在不同排水間隔以及不同排水高度下進(jìn)行多個坐便器的組合排水，模擬實際工況中，住宅排水立管內(nèi)，多個樓層、具有瞬間排水洪峰特征的衛(wèi)生器具的組合排水情況。

本次《住宅排水系統(tǒng)排水能力測試標(biāo)準(zhǔn)》編制過程中，對以上兩種測試方法均進(jìn)行了實驗研究，定流量排水測試方法是一種成熟的測試方法，所以本次研究只是結(jié)合我國的使用情況對此方法進(jìn)行調(diào)整；瞬間流排水測試方法涉及到測試系統(tǒng)自動化控制精度、瞬間流量測試方法、排水器具選型等難點(diǎn)，在國際上也沒有好的解決方案，所以本次研究針對此方法，投入了近一年的時間進(jìn)行實驗，現(xiàn)將兩種方法研究的階段性成果進(jìn)行總結(jié)。

1 定流量排水測試方法的完善

定流量排水測試方法為：在排水系統(tǒng)內(nèi)，采用定流量裝置進(jìn)行排水，測試系統(tǒng)內(nèi)除排水層外各層壓力，日本《集合住宅的排水立管系統(tǒng)的排水能力試驗方法》（SHASE-S218-2008）規(guī)定，當(dāng)系統(tǒng)最大正負(fù)壓力正好達(dá)到±400 Pa時，此時排水流量即為排水系統(tǒng)內(nèi)排水能力。根據(jù)中國現(xiàn)有的使用情況，地漏的水封受立管內(nèi)壓力不穩(wěn)定影響最容易被破壞，且破壞的壓力為±370 Pa，因此我國的水封破壞判定標(biāo)準(zhǔn)可以定為±370 Pa。

如前文所述，國際上，當(dāng)立管內(nèi)的壓力值逼近水封破壞判定標(biāo)準(zhǔn)時，在排水層的最下層以0.25 L/s的增幅逐步增加排水量，我國目前的測試系統(tǒng)控制精度高于國際水平，所以可采用0.10 L/s的增幅，這將使得我國測試數(shù)據(jù)的取值可以精確到0.10L/s。

2 瞬間流排水測試方法的研發(fā)

目前定流量排水的方法在國際上已得到廣泛的研究，歐洲、日本、美國等均將定流量排水作為標(biāo)準(zhǔn)的排水手段測試立管排水能力的方法。但根據(jù)中國居民的用水情況，在實際建筑排水管道中，瞬時排水更為常見。因此，本次試驗對瞬時排水測試方法的關(guān)鍵因素：排水器具的選擇、排水器具個數(shù)、排水時間間隔、排水高度等進(jìn)行了研究。

2.1 測試用排水器具的選擇

在住宅使用的各類衛(wèi)生潔具中，只有坐便器具有典型瞬間流的特征，浴缸、淋浴器、洗面器、洗衣機(jī)均接近于恒定流，且流量均<1.5L/s。

單個大便器的排水特性如圖1所示。大便器的排水流量q-t曲線大約為正態(tài)分布曲線，在排水開始后幾秒鐘到達(dá)最大值(有的可達(dá)1.5 L/s)，其排水流量在排水時間內(nèi)一直在變化，排水結(jié)束后，累積排水量為6 L。

在各種坐便器中，虹吸式坐便器的瞬間排水特征最明顯、且瞬間排水峰值最高，因而對排水系統(tǒng)內(nèi)的壓力影響最大，所以在本次瞬間流排水實驗研究中，采用虹吸式坐便器進(jìn)行試驗。

2.2 排水器具個數(shù)的確定

實驗采用dn110 PVC-U單立管系統(tǒng)，每層的橫支管使用90°順?biāo)�三通連接。樓層高度為3 m，從第1層到第15層共安裝有15根橫支管。立管采用伸頂通氣方式。坐便器每層1個，試驗時由上至下安裝，即使用1個坐便器試驗時，坐便器安裝在第15層；使用2個坐便器試驗時，坐便器安裝在第14層、15層；以此類推，使用8個坐便器試驗時，坐便器安裝在第8~15層。坐便器以下各層橫支管安裝壓力傳感器，壓力傳感器安裝在距立管中心500 mm的橫支管上部。

如圖2所示，隨著坐便器排水層數(shù)，即坐便器個數(shù)的增加，排水匯合流量逐漸增加,系統(tǒng)的最大正壓值與負(fù)壓值均逐漸增大。最大負(fù)壓值與坐便器個數(shù)間存在較好的線性關(guān)系。采用4個坐便器排水時，在所有時間間隔下，系統(tǒng)最大負(fù)壓均小于-400 Pa。

2.3 排水時間間隔

本試驗中，普通伸頂通氣系統(tǒng)與專用通氣排水系統(tǒng)均采用dn110某品牌PVC-U塑料立管。專用通氣排水系統(tǒng)還設(shè)有dn110的專用通氣立管。結(jié)合通氣管采用每層連接，其中最下端與最上端的結(jié)合通氣管的管徑為dn110，其余各層結(jié)合通氣管的管徑為dn75。特殊單立管排水系統(tǒng)采用dn110某品牌PVC-U加強(qiáng)型螺旋管立管（系統(tǒng)參數(shù)為：螺旋肋高3.0 mm），配有特殊螺旋接頭。橫支管采用dn110 PVC-U塑料管，各系統(tǒng)排水立管末端排入測量筒。從第1層到第5層共安裝有5根橫支管；坐便器每層1個；立管采用伸頂通氣方式。

在伸頂通氣排水系統(tǒng)、專用通氣立管以及特殊單立管排水系統(tǒng)中，時間間隔與排水器具數(shù)量均會對排水的匯合流量造成影響，且不同排水系統(tǒng)變化趨勢基本相同。最不利工況均為+1.0s。

2.4 排水高度

本試驗采用dn110 PVC-U單立管15層系統(tǒng)與dn160 PVC-U單立管33層系統(tǒng)。每層一根橫支管，使用90°順?biāo)�三通連接。樓層高度為3 m。立管采用伸頂通氣方式。實驗采用4個坐便器排水，每層安裝1個。15層系統(tǒng)中，試驗開始時，坐便器最高安裝層為第15層，即在第12~15層安裝有坐便器；最高層坐便器安裝在第14層時，即第11~14層安裝有坐便器，伸頂通氣管同時下移一層；以此類推，直至最高層坐便器安裝在第5層。坐便器以下各層橫支管安裝壓力傳感器，壓力傳感器安裝在距立管中心500 mm的橫支管上部。33層系統(tǒng)實驗方法與15層系統(tǒng)相同，但坐便器最高安裝層為33層。

2.4.1排水高度與系統(tǒng)內(nèi)壓力的關(guān)系

在15層系統(tǒng)中，如圖4所示，改變坐便器的排水高度時，其排水高度越高，所造成的系統(tǒng)最大負(fù)壓值有越大的趨勢，坐便器最高安裝層為第7層及以上時，均存在突破-400 Pa的情況。本試驗中所有排水工況造成的系統(tǒng)最大正壓值均在+400 Pa以下。系統(tǒng)最大負(fù)壓值與坐便器排水高度間存在線性關(guān)系。

2.4.2排水高度與系統(tǒng)內(nèi)匯合流量的關(guān)系

在15層排水系統(tǒng)中，如圖5所示，隨著坐便器排水高度的增加，其立管底部匯合流量均大致呈現(xiàn)遞減的趨勢。表明隨著立管高度的增加，水流動距離也增加，瞬時排水的匯合流量越來越小。

圖5 不同坐便器排水高度排水時系統(tǒng)最大匯合流量值

在33層系統(tǒng)中，采用5個坐便器排水。在不同高度排水時，排水系統(tǒng)末端最大匯合流量與出現(xiàn)時間如表1所示。

由表1可知，在瞬間流情況下，當(dāng)排水流量相同，而排水高度不同時，排水系統(tǒng)末端最大匯合流量有很大差別。當(dāng)排水高度越高時，排水系統(tǒng)末端最大匯合流量越小。

2.5 匯合流量測試方法

匯合流量測試方法：①排水立管系統(tǒng)伸頂通氣。排水立管自頂端每一層都安裝一根橫支管。排水立管自頂端每一層都安裝一根支管。排水立管底部流體排入測量筒內(nèi)。②在排水立管頂部采用1~n層橫支管上每層安裝一個坐便器進(jìn)行排水，排水層下各層橫支管上安裝壓力傳感器測量排水層下各層壓力。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)壓力剛好破封時，記錄此時坐便器個數(shù)n。③用測量筒測量兩處匯合流量，一處位于排水層直下層，另一處位于排水系統(tǒng)末端。

（1）使用測量筒測量匯合流量。圖6展示了排水立管匯合流量測量裝置示意圖（已獲得專利）。包括④推車和放置在推車上的測量筒；所述測量筒的外側(cè)壁下部位置上設(shè)有②壓力傳感器，測量筒的外側(cè)壁上還設(shè)有與測量筒內(nèi)側(cè)相通的豎向連通管，并且豎向連通管內(nèi)放置有③投入式液位計；所述測量筒的筒內(nèi)中心位置固定設(shè)置有⑤支撐架，支撐架的上端固定設(shè)置有一個①整流圓盤，整流圓盤的上表面中心位置設(shè)有一個圓錐頭。

（2）在立管內(nèi)，最大負(fù)壓值與最大流量并非同步出現(xiàn)。試驗采用dn110 PVC-U單立管系統(tǒng)，每層的橫支管使用90°順?biāo)�三通連接。樓層高度為3 m，從第1層到第15層共安裝有15根橫支管。立管采用伸頂通氣方式。實驗采用4個坐便器排水，每層安裝1個。試驗開始時，坐便器最高安裝層為第15層，即在第12~15層安裝有坐便器；最高層坐便器安裝在第14層時，即第11~14層安裝有坐便器，伸頂通氣管同時下移一層；以此類推，直至最高層坐便器安裝在第5層。坐便器以下各層橫支管安裝壓力傳感器，壓力傳感器安裝在距立管中心500 mm的橫支管上部。

如圖7所示，在排水管道系統(tǒng)中，系統(tǒng)最大匯合流量出現(xiàn)的樓層與系統(tǒng)最大負(fù)壓值出現(xiàn)的樓層不一樣。因此，在使用瞬時流量作為管道排水能力的測試手段時，需要先測出壓力剛好破封時坐便器個數(shù)，再通過試驗得出在該坐便器個數(shù)時，系統(tǒng)內(nèi)最大匯合流量。

（3）當(dāng)采用多個坐便器進(jìn)行瞬間流測試時，立管內(nèi)最大匯合流量出現(xiàn)在排水樓層的直下層，最小匯合流量為排水立管末端的流量。實驗采用dn110 PVC-U單立管系統(tǒng)，每層的橫支管使用90°順?biāo)�三通連接。樓層高度為3 m，試驗裝置共7層，每層一根橫支管。立管采用伸頂通氣方式。試驗中，當(dāng)進(jìn)行5個坐便器的試驗時，先將5個坐便器安裝在3~7層，8層伸頂通氣，在1層立管底部測量匯合流量即為排水下三層匯合流量；之后將5個坐便器安裝在2~6層，7層伸頂通氣，在1層立管底部測量匯合流量即為排水下二層匯合流量；最后將5個坐便器安裝在1~5層，6層伸頂通氣，在1層立管底部測量匯合流量即為排水下一層匯合流量。1~4個坐便器的測量方法依次類推。

根據(jù)試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用多個坐便器進(jìn)行瞬間流測試時，立管內(nèi)最大匯合出現(xiàn)在排水樓層的直下層，如圖8所示。

3 兩種方法的比較

3.1 測試步驟

瞬間流試驗步驟：1在立管頂部采用1~n個坐便器排水，測量排水層下各層壓力。當(dāng)壓力剛好破封時，記錄此時坐便器個數(shù)n。2在兩處標(biāo)定n個坐便器的最大匯合流量大小，一處位于排水坐便器的直下層，另一處位于排水系統(tǒng)末端。

定流量試驗步驟：在立管頂部由小流量至大流量排水，記錄排水樓層下各層的壓力。當(dāng)系統(tǒng)壓力剛好破封時，讀出系統(tǒng)排水流量大小，則為該系統(tǒng)通水能力。

3.2 測試系統(tǒng)圖（見圖9、圖10）

3.3 測試結(jié)果

3.3.1在相同負(fù)壓下，定流量要比瞬間流對器具水封造成更大的損失

采用33層dn160的PVC-U伸頂通氣排水立管。采用定流量排水方式時，在32、33層采用自控電磁閥和電磁流量計相互配合控制流量，進(jìn)行恒定流量排水，流量范圍是0~5L/s，測試層為第2層和第31層進(jìn)行試驗。采用瞬間流排水方式時，瞬間流排水層為26~30層，采用坐便器組合排水的方式，測試層為第2層和第20層，其它層進(jìn)行封堵。排水層的排水方式均采用正排水的排水方式，即按照時間間隔從上往下排或同時排，組合的方式主要通過改變排水層數(shù)、高度和時間間隔來實現(xiàn)。通過不同的組合方式排水，在排水立管內(nèi)產(chǎn)生不同的壓力變化值，測量其對器具產(chǎn)生的水封損失。

如圖11所示，對于坐便器來說，相同壓力下，定流量排水對器具水封造成的損失明顯比瞬間流要大。由此我們認(rèn)為，在相同負(fù)壓下，定流量要比瞬間流對器具水封造成的損失更大。

3.3.2定流量與瞬間流實驗得出的通水能力嚴(yán)格度比較

在33層dn160的PVC-U排水系統(tǒng)中，采用瞬間流與定流量排水兩種方式就排水系統(tǒng)的通水能力進(jìn)行了比較。在排水系統(tǒng)頂部排水，當(dāng)排水系統(tǒng)內(nèi)壓力正好達(dá)到破封條件時記錄下此時排水系統(tǒng)末端的匯合流量，如圖12所示。

由圖12可知，無論在何排水高度下，定流量排水方式在排水系統(tǒng)末端測得的匯合流量都要大于瞬間流排水方式在排水系統(tǒng)末端測得的匯合流量值。因此，如果采用在排水系統(tǒng)末端測試匯合流量的方法，瞬間流試驗得出的通水能力數(shù)值比定流量試驗得出的通水能力數(shù)值要小，通水能力判定較為嚴(yán)格。

3.3.3測試重現(xiàn)性比較

定流量與瞬間流這兩種排水方式標(biāo)準(zhǔn)偏差的計算公式如下：

式中S——標(biāo)準(zhǔn)偏差；

N——實驗次數(shù)；

——壓力均值；

X_i——第i次實驗的壓力值。

計算離散系數(shù)的公式如下：

式中CV——離散系數(shù)；

S——標(biāo)準(zhǔn)偏差；

——壓力均值。

將3組實驗數(shù)據(jù)取數(shù)值接近的兩組求得壓力均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差，并計算得到的離散系數(shù)。如圖13、圖14所示。

由圖13、圖14可以看出，定流量排水試驗的重現(xiàn)性比瞬間流排水試驗好。

3.3.4還需深入研究的裝置

瞬間流試驗中采用坐便器作為排水裝置。而不同坐便器型式其出流曲線型式差異很大，且峰值流量差異也非常大，如圖15所示。因此在今后的試驗中，將會研發(fā)一種坐便器排水模擬裝置，以保證每次排水的排水曲線以及峰值流量一致。

4 結(jié)語

測試系統(tǒng)排水能力，應(yīng)以系統(tǒng)內(nèi)最不利工況下、系統(tǒng)壓力達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)設(shè)計測試方法，但由于現(xiàn)有的技術(shù)手段，無法在實際工程中開展使用實態(tài)的跟蹤監(jiān)測，所以在我國排水系統(tǒng)的實際使用情況下，到底是定流量排水還是瞬間流排水更可能產(chǎn)生最不利工況，尚無法判定；測試出的排水能力和《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的設(shè)計秒流量如何關(guān)聯(lián)，還有待進(jìn)一步研究。

感謝試驗塔上同事們的辛勤工作，感謝編制組各位成員的通力合作，感謝各位專家中肯的建議和指正，感謝《給水排水》雜志社設(shè)置專欄將試驗成果介紹給業(yè)界。400多天，9 000余次試驗，我們對定流量排水測試方法進(jìn)行了完善、對瞬間流排水測試方法進(jìn)行了的驗證和研發(fā)，可喜的是，我們已經(jīng)具備了操作這兩種方法的檢測能力，直接跨入了國際領(lǐng)先的檢測研究領(lǐng)域。關(guān)鍵的下一步是怎樣把這些測試方法使用好，為行業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)、性能測試提供科學(xué)、公正、可比對的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，切實提高我國排水系統(tǒng)的技術(shù)水平，保障居民室內(nèi)環(huán)境的安全衛(wèi)生。（參考文獻(xiàn)略）

附：住宅排水系統(tǒng)排水能力測試專欄目錄

 

☆住宅排水系統(tǒng)性能現(xiàn)狀與試驗研究展望——住宅排水系統(tǒng)排水能力測試專欄開欄語（2013年8期）

☆伸頂通氣排水系統(tǒng)瞬間流量測試方法初探（2013年8期）

☆器具排水瞬間流量的測量裝置研究（2013年9期）

☆特殊氣象條件下的建筑內(nèi)排水系統(tǒng)研究初探（2013年9期）

☆特殊氣象條件下的建筑內(nèi)排水系統(tǒng)研究（一）風(fēng)對超高層建筑排水系統(tǒng)內(nèi)壓力的影響（2013年10期）

☆建筑排水管道流態(tài)分析初探（2013年10期）

☆器具排水瞬間流量分析初探（2013年11期）

☆特殊單立管系統(tǒng)器具匯合流量測試研究（2013年11期）

☆專用通氣系統(tǒng)器具匯合流量測試研究（2013年12期）

☆特殊氣象條件下的建筑內(nèi)排水系統(tǒng)研究（二）采用風(fēng)機(jī)模擬大風(fēng)條件的試驗研究（2013年12期）

☆伸頂通氣系統(tǒng)器具匯合流量測試研究（2014年1期）

☆瞬時排水方式確定排水立管通水能力的試驗研究（2014年1期）

☆伸頂通氣管道系統(tǒng)中瞬間流排水特性的影響因素研究（一）坐便器排水高度對排水管道系統(tǒng)壓力的影響（2014年2期）

☆負(fù)壓瞬間抽吸坐便器水封的探索性試驗研究（2014年2期）

☆特殊氣象條件下的建筑內(nèi)排水系統(tǒng)研究（三）風(fēng)機(jī)模擬大風(fēng)條件不同通氣流量的試驗（2014年3期）

☆伸頂通氣管道系統(tǒng)中瞬間流排水特性的影響因素研究（二）坐便器排水高度對管道內(nèi)匯合流量的影響（2014年3期）

☆伸頂通氣管道系統(tǒng)中瞬間流排水特性的影響因素研究（三）瞬間流量在伸頂通氣排水系統(tǒng)中流量與壓力的關(guān)系探討（2014年4期）

☆高層建筑物衛(wèi)生間返臭問題試驗研究初探（一）關(guān)于底層返臭的若干項試驗研究（2014年4期）

☆坐便器排水口流量特性及分析（2014年5期）

☆特殊氣象條件下的建筑內(nèi)排水系統(tǒng)研究（四）用風(fēng)機(jī)模擬大風(fēng)條件的瞬間流試驗研究（2014年5期）

☆定常流條件下不同形式排水立管壓力波動機(jī)理探討（2014年7期）

☆定流量與瞬間流排水對不同衛(wèi)生器具水封損失影響的試驗研究（2014年7期）

☆伸頂通氣排水系統(tǒng)定流量與瞬間流量排水方式的不同區(qū)域匯合流量對比（2014年8期）

☆住宅排水系統(tǒng)排水能力測試方法總結(jié)（2014年8期）