住宅排水系統排水能力測試方法總結 張磊 張哲 （國家住宅與居住環境工程技術研究中心，北京 100044）

 

[題記]為突破建筑給排水研究領域的技術瓶頸，中國建筑設計研究院、國家住宅與居住環境工程技術研究中心自主集成創新設計，與萬科企業股份有限公司合作建設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、測試設備以及其他輔助設備均達到國際水準，測試系統的精度與自動化控制程度均優于國際現有的實驗塔，目前可以完成37層以下各類排水系統性能和噪聲的所有實驗。該塔的建成，標志著我國已經具有完備的高層住宅排水系統研究的硬件基礎，可以直接切入建筑給排水國際領先的研究領域，為研發適合中國國情的給排水系統搭建了可溯源、可比對的研究與驗證平臺，通過模擬試驗研究，可以形成新型預制化的給排水系統產品和安裝工藝，對提高系統性能，整體提升我國住宅給排水系統的設計與建設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“住宅排水系統排水能力測試專欄”，為大家連續報道萬科塔排水系統性能模擬試驗研究成果。本文為專欄的總結，具體文章目次和刊登期次見附。歡迎大家參考借鑒。

住宅排水系統排水能力測試方法總結

張磊 張哲

（國家住宅與居住環境工程技術研究中心，北京 100044）

 

住宅排水系統排水能力是指排水系統內壓力達到臨界破壞值時，立管內的排水流量。只有明確系統的排水能力，才能進行住宅排水系統的合理選型，保證系統內的壓力變動總是在壓力破壞允許范圍以內。

目前，國際上通用的住宅排水系統排水能力測試方法，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，美國國家規范ICC-2003，均規定以此方法進行測試。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，直到立管內的壓力值逼近水封破壞判定標準時，在排水層的最下層以0.25L/s的增幅逐步增加排水量，達到水封破壞判定標準時的流量，即為系統的排水能力。與實際工況相對應，2.5L/s意味著，排水支管上的坐便器、洗臉盆、浴缸三個衛生器具同時、連續排水，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行排水，通過在不同排水間隔以及不同排水高度下進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，多個樓層、具有瞬間排水洪峰特征的衛生器具的組合排水情況。

本次《住宅排水系統排水能力測試標準》編制過程中，對以上兩種測試方法均進行了實驗研究，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合我國的使用情況對此方法進行調整；瞬間流排水測試方法涉及到測試系統自動化控制精度、瞬間流量測試方法、排水器具選型等難點，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行實驗，現將兩種方法研究的階段性成果進行總結。

1 定流量排水測試方法的完善

定流量排水測試方法為：在排水系統內，采用定流量裝置進行排水，測試系統內除排水層外各層壓力，日本《集合住宅的排水立管系統的排水能力試驗方法》（SHASE-S218-2008）規定，當系統最大正負壓力正好達到±400 Pa時，此時排水流量即為排水系統內排水能力。根據中國現有的使用情況，地漏的水封受立管內壓力不穩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準可以定為±370 Pa。

如前文所述，國際上，當立管內的壓力值逼近水封破壞判定標準時，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據的取值可以精確到0.10L/s。

2 瞬間流排水測試方法的研發

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準的排水手段測試立管排水能力的方法。但根據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鍵因素：排水器具的選擇、排水器具個數、排水時間間隔、排水高度等進行了研究。

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曲線大約為正態分布曲線，在排水開始后幾秒鐘到達最大值(有的可達1.5 L/s)，其排水流量在排水時間內一直在變化，排水結束后，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，因而對排水系統內的壓力影響最大，所以在本次瞬間流排水實驗研究中，采用虹吸式坐便器進行試驗。

2.2 排水器具個數的確定

實驗采用dn110 PVC-U單立管系統，每層的橫支管使用90°順水三通連接。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，即坐便器個數的增加，排水匯合流量逐漸增加,系統的最大正壓值與負壓值均逐漸增大。最大負壓值與坐便器個數間存在較好的線性關系。采用4個坐便器排水時，在所有時間間隔下，系統最大負壓均小于-400 Pa。

2.3 排水時間間隔

本試驗中，普通伸頂通氣系統與專用通氣排水系統均采用dn110某品牌PVC-U塑料立管。專用通氣排水系統還設有dn110的專用通氣立管。結合通氣管采用每層連接，其中最下端與最上端的結合通氣管的管徑為dn110，其余各層結合通氣管的管徑為dn75。特殊單立管排水系統采用dn110某品牌PVC-U加強型螺旋管立管（系統參數為：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、專用通氣立管以及特殊單立管排水系統中，時間間隔與排水器具數量均會對排水的匯合流量造成影響，且不同排水系統變化趨勢基本相同。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層系統與dn160 PVC-U單立管33層系統。每層一根橫支管，使用90°順水三通連接。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層系統實驗方法與15層系統相同，但坐便器最高安裝層為33層。

2.4.1排水高度與系統內壓力的關系

在15層系統中，如圖4所示，改變坐便器的排水高度時，其排水高度越高，所造成的系統最大負壓值有越大的趨勢，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最大正壓值均在+400 Pa以下。系統最大負壓值與坐便器排水高度間存在線性關系。

2.4.2排水高度與系統內匯合流量的關系

在15層排水系統中，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最大匯合流量值

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

由表1可知，在瞬間流情況下，當排水流量相同，而排水高度不同時，排水系統末端最大匯合流量有很大差別。當排水高度越高時，排水系統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。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。當系統內壓力剛好破封時，記錄此時坐便器個數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；所述測量筒的外側壁下部位置上設有②壓力傳感器，測量筒的外側壁上還設有與測量筒內側相通的豎向連通管，并且豎向連通管內放置有③投入式液位計；所述測量筒的筒內中心位置固定設置有⑤支撐架，支撐架的上端固定設置有一個①整流圓盤，整流圓盤的上表面中心位置設有一個圓錐頭。

（2）在立管內，最大負壓值與最大流量并非同步出現。試驗采用dn110 PVC-U單立管系統，每層的橫支管使用90°順水三通連接。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，在排水管道系統中，系統最大匯合流量出現的樓層與系統最大負壓值出現的樓層不一樣。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，再通過試驗得出在該坐便器個數時，系統內最大匯合流量。

（3）當采用多個坐便器進行瞬間流測試時，立管內最大匯合流量出現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，每層的橫支管使用90°順水三通連接。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，當進行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。

根據試驗結果發現，當采用多個坐便器進行瞬間流測試時，立管內最大匯合出現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。當壓力剛好破封時，記錄此時坐便器個數n。2在兩處標定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。當系統壓力剛好破封時，讀出系統排水流量大小，則為該系統通水能力。

3.2 測試系統圖（見圖9、圖10）

3.3 測試結果

3.3.1在相同負壓下，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、高度和時間間隔來實現。通過不同的組合方式排水，在排水立管內產生不同的壓力變化值，測量其對器具產生的水封損失。

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。由此我們認為，在相同負壓下，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格度比較

在33層dn160的PVC-U排水系統中，采用瞬間流與定流量排水兩種方式就排水系統的通水能力進行了比較。在排水系統頂部排水，當排水系統內壓力正好達到破封條件時記錄下此時排水系統末端的匯合流量，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末端測得的匯合流量值。因此，如果采用在排水系統末端測試匯合流量的方法，瞬間流試驗得出的通水能力數值比定流量試驗得出的通水能力數值要小，通水能力判定較為嚴格。

3.3.3測試重現性比較

定流量與瞬間流這兩種排水方式標準偏差的計算公式如下：

式中S——標準偏差；

N——實驗次數；

——壓力均值；

X_i——第i次實驗的壓力值。

計算離散系數的公式如下：

式中CV——離散系數；

S——標準偏差；

——壓力均值。

將3組實驗數據取數值接近的兩組求得壓力均值、標準偏差，并計算得到的離散系數。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 結語

測試系統排水能力，應以系統內最不利工況下、系統壓力達到破壞標準為依據設計測試方法，但由于現有的技術手段，無法在實際工程中開展使用實態的跟蹤監測，所以在我國排水系統的實際使用情況下，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《建筑給水排水設計規范》規定的設計秒流量如何關聯，還有待進一步研究。

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》雜志社設置專欄將試驗成果介紹給業界。400多天，9 000余次試驗，我們對定流量排水測試方法進行了完善、對瞬間流排水測試方法進行了的驗證和研發，可喜的是，我們已經具備了操作這兩種方法的檢測能力，直接跨入了國際領先的檢測研究領域。關鍵的下一步是怎樣把這些測試方法使用好，為行業的產品研發、性能測試提供科學、公正、可比對的統一標準，切實提高我國排水系統的技術水平，保障居民室內環境的安全衛生。（參考文獻略）

附：住宅排水系統排水能力測試專欄目錄

 

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

☆伸頂通氣排水系統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排水系統研究初探（2013年9期）

☆特殊氣象條件下的建筑內排水系統研究（一）風對超高層建筑排水系統內壓力的影響（2013年10期）

☆建筑排水管道流態分析初探（2013年10期）

☆器具排水瞬間流量分析初探（2013年11期）

☆特殊單立管系統器具匯合流量測試研究（2013年11期）

☆專用通氣系統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排水系統研究（二）采用風機模擬大風條件的試驗研究（2013年12期）

☆伸頂通氣系統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壓力的影響（2014年2期）

☆負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排水系統研究（三）風機模擬大風條件不同通氣流量的試驗（2014年3期）

☆伸頂通氣管道系統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匯合流量的影響（2014年3期）

☆伸頂通氣管道系統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中流量與壓力的關系探討（2014年4期）

☆高層建筑物衛生間返臭問題試驗研究初探（一）關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排水系統研究（四）用風機模擬大風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理探討（2014年7期）

☆定流量與瞬間流排水對不同衛生器具水封損失影響的試驗研究（2014年7期）

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

☆住宅排水系統排水能力測試方法總結（2014年8期）