摘 要：近年来，我国经济不断发展，城市化建设持续增长，出现了大量的公共建筑。虹吸式蓄水排水系统被广泛应用于各种大型建筑中，其排水能力主要表现为单斗排水能力，排水效果较旧的重力排水系统有了明显提高。这种虹吸式雨水排水系统适用于各种大型及异形屋顶，对各建筑在雨季的大量排水起到了重要的作用，降低了雨季积水对建筑物屋顶的损害。本文从工作原理和组成方式上对虹吸式排水系统进行了分析和探讨，总结了优点和常见问题，以期提高其合理性。
关键词：虹吸原理;排水系统;大型屋面;合理安装
自 20 世纪 60 年代末，在欧洲率先提出了一种名为虹吸式的雨水排水系统，经过多年的研究分析和在全球多个国家的推广和使用，目前该方法已成为国际社会公认的处理雨水排放最为有效的方法，并且随着科学技术的发展，该技术日趋成熟。紧跟发达国家的脚步，我国也在 20 世纪末引进了该系统。因为该系统的原理是虹吸式排放，在管道内制造负压，产生抽吸效果，利用高流动速度将雨水排放到室外。在一些热带地区，以及雨量较大、雨季过长的地区被广泛应用。该方法排水迅速，动力强劲，故而适用于结构较为复杂的大型房屋，如大型商场、飞机场、体育馆、特色建筑等。雨水虹吸式排水方法不仅在效果上表现出色，而且在管线布置和施工上都更为简易、经济。
1 虹吸式雨水排水系统介绍
1.1 虹吸式排水系统原理
虹吸现象常见于日常生活中，是一种物理现象，主要利用两个不同液面的高度差，将气压差和重力转化为动力。当高差部分的液体在管道中自上而下流动，使得管道中产生压力，水流就会被不断地挤压出管道。利用建筑物和管道的高度差，一旦雨量加大，雨水斗的高度就会被屋面的雨水高度所超过。雨水流量被防漩涡雨水斗控制，减少了漩涡和排水系统中的空气量，从而达到排水管道始终处于满流状态。高度差值越大，压力越大，水流越大，排水速度也就越快。虹吸式雨水排水系统在作用过程中，排水管聚集的雨水，从排水管内的最高点在重力的作用下产生负压。受到了大气压强的影响，真空状态逐渐在水管内形成，从而形成虹吸现象。虹吸式雨水排水系统借助此现象，在排水管道的设计上利用了高度差，在雨水量不同的情况下产生了不同的排水效果。在雨水不充沛的地区，或者雨量不大的情况下，自然借助重力效果进行排水作用;如果是热带等雨水量大的地区，则启动虹吸式原理，使排水效果增强，雨水大量且快速地排出。虹吸式雨水排放系统由满管流、波浪流、活塞流、泡沫流及脉冲流等阶段组成。突破了原有的重力排水方式的单一性和局限性，使虹吸式排水方法的应用日益广泛。
1.2 虹吸式雨水排水系统的设置组成
虹吸式雨水排水系统由于其原理，组成部件主要分为虹吸式雨水斗、立管、固定零件、连接管、流溢口、悬吊管等，每一个组成部件在该系统中都是不可或缺的。虹吸系统中最关键的组成部分是虹吸式雨水斗，雨水斗的质量是否良好，决定了雨水是否能在作用过程中成功和大气分离从而产生负压。如果虹吸式雨水斗的稳流性达到要求，其屋面汇流高度就越低，总体产生的效果也就更优越。由于雨水斗被直接暴露在自然环境中，导致其会受到一定的腐蚀性和风化，这就要求其必须在质量上过硬。雨水斗不仅对空气和雨水进行分离，而且要具备防涡流的作用，使虹吸效果增强。因此，虹吸式雨水斗的设置中需要包括防涡流装置。立管的设计中应设置检查口，并且相应地缩小立管的管内直径，这样可以大大地提高虹吸效果。立管和水平管都需要由固定件来连接，固定件能增强各部件之间的稳定性。为保证固定件不会受到管道振动的影响及热胀冷缩而造成的移动，固定件应配套使用，埋设位置准确，不能固定在与设施中各管道紧密接触的结构上。连接管在雨水斗和悬吊管中起到了连接作用，在该系统中将多个雨水斗进行连接，让雨水能同步快速地排出。悬吊管作为排出雨水的重要组成部分，应选用无坡度的横管。溢流口在虹吸式雨水排水系统中作为唯一的一个应急部件，当雨水量增多而无法使排水系统正常进行排水工作时，溢流口能快速起到排水作用。
1.3 虹吸式雨水排水系统的优点
通过对传统重力式排水系统和虹吸式排水系统这两种现行最为广泛的排水系统中泄流量的比对，由实验数据表明，在实验环境和条件相同的情况下，虹吸式雨水系统的泄流量明显占优势。因为虹吸式雨水排水系统埋地管道数量相对于传统重力式排水系统较少，能减少气体对水流造成的阻力，雨水泄流量变得更大，使排水系统快速排出雨水。由于虹吸式雨水排水系统的设计应用了虹吸原理，其技术方面更为先进。虹吸式排水系统管路的设计十分先进，为虹吸式排水起到了很好的支撑作用。由于雨水斗的特殊设计能调整雨水在立管内的流态，利用液压和大气压强的正负压，保证内管道的满流状态，使排水管按照满流有压的条件设计。并且雨水悬吊管在无坡度条件下铺设，排水管道内水流的速度会随着虹吸现象的发生而提高，使系统在排水的同时具备良好的自清作用。管道内不易出现堵塞情况，可以减少系统在投入使用后的维修保养费用，因此得到了广泛认可。虹吸式雨水排水系统对于管道安装的环境要求较旧系统有极大程度的降低。排水管道可以选用小管径管道，且管道长度亦低于传统式排水系统中的管道，大大降低了该系统的造价成本，也使得安装工程量降低。除此之外，虹吸式雨水排水系统还具备多种优势，如其防涡旋效果，很好地起到了降低噪声的作用，更适用于对噪声要求严格的建筑设计，如图书馆、医院、电影院等。
2 虹吸式雨水排水系统应用中存在的不足
虽然虹吸式雨水排水系统较旧的重力式排水系统有明显的优势，也在现代的各种不同类型建筑中被广泛应用和认可，但该系统在应用中仍然不可避免地存在一些问题，需要有针对性地进行解决。首先，虹吸式雨水排水系统在设计理论上分类归属于极限设计法。其在施工中是否能进行较好的固定效果，是否能为悬吊管选择符合要求的安放位置等，都会对该系统的最终结果造成应用上的影响。在运行中，只有当雨水阻力小于水位时，该系统才可以正常运行，否则会导致排水效果受到影响，产生积水。针对该问题虽有一定的解决方案，但由于会增加成本且无法保证实施过程中足够的安全性，故目前暂时无法实现。能否精确地测算水力在虹吸式雨水排水系统中最为关键，但该计算方式本身就存在一定的误差，无法进行精准计算，这样会在一定程度上造成人力、物力的浪费。如果利用精确的科学电子化仪器进行计算，以我国目前的软件发展情况来看暂时无法满足;若从国外引进，势必会增加成本，得不偿失。虽然虹吸式雨水排水系统在大型建筑及异形建筑中的应用效果良好，但应用于相对低层的建筑则无法完全展示其优点。因为虹吸式雨水排水系统对建筑物的高度有一定的要求。另外，雨水虹吸系统对系统整体协调性的要求较高，如果其中一部分配件发生故障，则很容易引起整个系统的瘫痪。
3 虹吸式雨水排水系统在建筑给排水设计上的应用
3.1 建筑物给水系统设计
在给水管道的铺设设计中，要根据基本的供水流程设计施工。在具体管道的铺设过程中应严格按照国家相关设计规范执行。一般将用水点的水管进行串联且外管须达到一定的管径要求，以保证各个支点能起到正常供水的作用。建筑物的给排水系统虽然分为给水和排水两个系统，但二者是相统一的。该系统如果设计不当，会导致排水系统中的污水回流到给水系统中，给生活造成不便。在实际设计过程中，将具有良好效果的无负压变频供水设备广泛应用，尽量少建或不建高位水箱等蓄水池设备。不需要对其进行定期养护、故障维修，同时节约了人力，无论从建造成本还是管理成本上，均可大幅降低给排水系统的成本。
3.2 建筑物排水系统设计
在排水管道铺设过程中，往往容易忽略通气管道的设计。然而在排水系统中，尤其是生活排水过程中，通气设施占据非常重要的地位。其过程中容易散发有毒害的气体，故应将通气管设置在伸顶。其设计铺设过程应注意以下内容：通气管高于室外屋面，且与室内孔洞保持适当的距离，防止有害气体进入室内或影响空气质量;排气管应考虑防止杂物进入导致堵塞;屋面裸露的排气管需要考虑避雷等问题，避免因自然情况造成安全隐患，保证建筑物的安全。建筑物的排水方式近年来经历了多次调整，其中重力式排水应用较久，虹吸式雨水排水方法虽进入我国的时间不长，但已被广泛应用。建筑物的排水系统中，还应对雨水进行收集并循环使用。制定科学的方法，定额用水，还可以将设备收集排出的雨水进行过滤再使用。
3.3 目前建筑物给排水应用中存在的问题
以往旧式给排水系统对水量造成了极大的浪费。一些中小型的建筑单位对水资源的珍贵性没有足够的认识，在施工过程中对水资源造成了大量的浪费和污染，因此亟待提高建筑行业节能减排的意识。宜多利用先进的技术和设计系统、较好材质的管材、良好的节水设备等将建筑物的给排水工程科学化、合理化、节能化。可以通过改良建筑物给排水工程，减少水资源的污染和浪费。多提出合理的设计理念，循环用水、利用中水，为我国可持续发展的战略方针做出贡献。
3.4 虹吸式雨水排水系统在建筑物给排水中的应用
在建筑物排水系统的作用过程中，如果遇到降水量增大的情况，排水管则会满流，导致支吊架承受较大压力，从而产生剧烈的晃动。由于各管段之间的负压变化不均，使得虹吸现象不连贯。如果排水管数量和管径设计得不合理，会发生雨水无法顺利且快速排出的情况，从而导致雨水聚集，对建筑物造成破坏，以及发生渗漏等问题。后续的维修、护理也在一定程度上存在问题。在建筑物给排水设计过程中，还应注意空间的使用和形象的美观。减少对室内空间占用的同时，保证排水系统稳固顺利进行的情况下，还应最大限度地降低该系统产生的噪声。虹吸现象属于物理现象，在作用过程中会有一定的声响和动力，但现代化的社会要求更为严格，应尽快提出相应的方法来对各种可能或已经出现的问题进行解决和改良。虹吸式雨水排放系统在其设计之初对管道型材有一定的要求，主要型材分为：HDPE 管材、不锈钢材质、涂塑复合型管道。由于 HDPE 管材在经济方面和施工便捷度方面都表现得更为突出，故而在工程施工中被广泛应用。设计人员应根据实际情况和管道力学方面进行考虑和计算，选择管径大小合理的管道，以免因水流的流量不符而导致管材的浪费或管材爆裂等风险。硬聚氯乙烯因其内部光滑，能降低阻力，使雨水排放速度加快，降低管道内发生堵塞的情况，给建筑物给排水系统实施工程带来了极大的便利。虹吸式雨水系统中任何一个管道的单独排水能力都大于旧重力式排水系统，如果室外雨水管没有同步更换为虹吸式雨水排水系统，在暴雨情况下容易发生雨水从室外井盖溢出或使井盖被冲开的情况，形成一定的安全隐患。
4 结语
虹吸式雨水排水系统将虹吸式原理应用于屋面排水系统中，尤其在一些大型建筑、异形建筑及特殊场馆的应用中取得了显著的效果。经实践发现，该系统性价比高、易安装、噪声小，业内对虹吸式雨水排水系统在排水方面的优异性表示了广泛认可。不过多年以来，该系统从设计到投入使用的过程中，既体现了优势也发现了不足。在未来的工程设计中，应结合实际情况，运用新型材料将其进行改良。在合理施工的基础之上，全面分析，充分考虑，发挥其优点，规避其不足。同时，要对其进行综合因素的考虑，如建筑物的高度、结构、面积等。经过科学的实践和科技的发展，相信该系统会大幅提高排水工程效果，减少积水对建筑物造成的损害。——论文作者：肖建军
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