住宅排水系统排水能力测试方法总结 张磊 张哲 （国家住宅与居住环境工程技术研究中心，北京 100044）

 

[题记]为突破建筑给排水研究领域的技术瓶颈，中国建筑设计研究院、国家住宅与居住环境工程技术研究中心自主集成创新设计，与万科企业股份有限公司合作建设了我国首座高层住宅性能足尺试验塔，于2012年11月在东莞正式投入使用。该塔总投资超五千万，总高度为122.8米，是我国首座、也是世界最高、测试设备以及其他辅助设备均达到国际水准，测试系统的精度与自动化控制程度均优于国际现有的实验塔，目前可以完成37层以下各类排水系统性能和噪声的所有实验。该塔的建成，标志着我国已经具有完备的高层住宅排水系统研究的硬件基础，可以直接切入建筑给排水国际领先的研究领域，为研发适合中国国情的给排水系统搭建了可溯源、可比对的研究与验证平台，通过模拟试验研究，可以形成新型预制化的给排水系统产品和安装工艺，对提高系统性能，整体提升我国住宅给排水系统的设计与建设水平具有划时代的意义。

2013年8月-2014年8月，《给水排水》杂志开设“住宅排水系统排水能力测试专栏”，为大家连续报道万科塔排水系统性能模拟试验研究成果。本文为专栏的总结，具体文章目次和刊登期次见附。欢迎大家参考借鉴。

住宅排水系统排水能力测试方法总结

张磊 张哲

（国家住宅与居住环境工程技术研究中心，北京 100044）

 

住宅排水系统排水能力是指排水系统内压力达到临界破坏值时，立管内的排水流量。只有明确系统的排水能力，才能进行住宅排水系统的合理选型，保证系统内的压力变动总是在压力破坏允许范围以内。

目前，国际上通用的住宅排水系统排水能力测试方法，是定流量排水测试方法，日本《集合住宅的排水立管系统的排水能力试验方法》（SHASE-S218-2008），欧洲EN12056-2:2000，德国DIN1986-2，美国国家规范ICC-2003，均规定以此方法进行测试。这种测试方法的操作方式为：在排水层恒定以2.5L/s排水，逐层增加，直到立管内的压力值逼近水封破坏判定标准时，在排水层的最下层以0.25L/s的增幅逐步增加排水量，达到水封破坏判定标准时的流量，即为系统的排水能力。与实际工况相对应，2.5L/s意味着，排水支管上的坐便器、洗脸盆、浴缸三个卫生器具同时、连续排水，即使在浴缸使用普遍且使用频率较高的国家，也是一种最极端的使用工况。

瞬间流排水测试方法采用坐便器进行排水，通过在不同排水间隔以及不同排水高度下进行多个坐便器的组合排水，模拟实际工况中，住宅排水立管内，多个楼层、具有瞬间排水洪峰特征的卫生器具的组合排水情况。

本次《住宅排水系统排水能力测试标准》编制过程中，对以上两种测试方法均进行了实验研究，定流量排水测试方法是一种成熟的测试方法，所以本次研究只是结合我国的使用情况对此方法进行调整；瞬间流排水测试方法涉及到测试系统自动化控制精度、瞬间流量测试方法、排水器具选型等难点，在国际上也没有好的解决方案，所以本次研究针对此方法，投入了近一年的时间进行实验，现将两种方法研究的阶段性成果进行总结。

1 定流量排水测试方法的完善

定流量排水测试方法为：在排水系统内，采用定流量装置进行排水，测试系统内除排水层外各层压力，日本《集合住宅的排水立管系统的排水能力试验方法》（SHASE-S218-2008）规定，当系统最大正负压力正好达到±400 Pa时，此时排水流量即为排水系统内排水能力。根据中国现有的使用情况，地漏的水封受立管内压力不稳定影响最容易被破坏，且破坏的压力为±370 Pa，因此我国的水封破坏判定标准可以定为±370 Pa。

如前文所述，国际上，当立管内的压力值逼近水封破坏判定标准时，在排水层的最下层以0.25 L/s的增幅逐步增加排水量，我国目前的测试系统控制精度高于国际水平，所以可采用0.10 L/s的增幅，这将使得我国测试数据的取值可以精确到0.10L/s。

2 瞬间流排水测试方法的研发

目前定流量排水的方法在国际上已得到广泛的研究，欧洲、日本、美国等均将定流量排水作为标准的排水手段测试立管排水能力的方法。但根据中国居民的用水情况，在实际建筑排水管道中，瞬时排水更为常见。因此，本次试验对瞬时排水测试方法的关键因素：排水器具的选择、排水器具个数、排水时间间隔、排水高度等进行了研究。

2.1 测试用排水器具的选择

在住宅使用的各类卫生洁具中，只有坐便器具有典型瞬间流的特征，浴缸、淋浴器、洗面器、洗衣机均接近于恒定流，且流量均<1.5L/s。

单个大便器的排水特性如图1所示。大便器的排水流量q-t曲线大约为正态分布曲线，在排水开始后几秒钟到达最大值(有的可达1.5 L/s)，其排水流量在排水时间内一直在变化，排水结束后，累积排水量为6 L。

在各种坐便器中，虹吸式坐便器的瞬间排水特征最明显、且瞬间排水峰值最高，因而对排水系统内的压力影响最大，所以在本次瞬间流排水实验研究中，采用虹吸式坐便器进行试验。

2.2 排水器具个数的确定

实验采用dn110 PVC-U单立管系统，每层的横支管使用90°顺水三通连接。楼层高度为3 m，从第1层到第15层共安装有15根横支管。立管采用伸顶通气方式。坐便器每层1个，试验时由上至下安装，即使用1个坐便器试验时，坐便器安装在第15层；使用2个坐便器试验时，坐便器安装在第14层、15层；以此类推，使用8个坐便器试验时，坐便器安装在第8~15层。坐便器以下各层横支管安装压力传感器，压力传感器安装在距立管中心500 mm的横支管上部。

如图2所示，随着坐便器排水层数，即坐便器个数的增加，排水汇合流量逐渐增加,系统的最大正压值与负压值均逐渐增大。最大负压值与坐便器个数间存在较好的线性关系。采用4个坐便器排水时，在所有时间间隔下，系统最大负压均小于-400 Pa。

2.3 排水时间间隔

本试验中，普通伸顶通气系统与专用通气排水系统均采用dn110某品牌PVC-U塑料立管。专用通气排水系统还设有dn110的专用通气立管。结合通气管采用每层连接，其中最下端与最上端的结合通气管的管径为dn110，其余各层结合通气管的管径为dn75。特殊单立管排水系统采用dn110某品牌PVC-U加强型螺旋管立管（系统参数为：螺旋肋高3.0 mm），配有特殊螺旋接头。横支管采用dn110 PVC-U塑料管，各系统排水立管末端排入测量筒。从第1层到第5层共安装有5根横支管；坐便器每层1个；立管采用伸顶通气方式。

在伸顶通气排水系统、专用通气立管以及特殊单立管排水系统中，时间间隔与排水器具数量均会对排水的汇合流量造成影响，且不同排水系统变化趋势基本相同。最不利工况均为+1.0s。

2.4 排水高度

本试验采用dn110 PVC-U单立管15层系统与dn160 PVC-U单立管33层系统。每层一根横支管，使用90°顺水三通连接。楼层高度为3 m。立管采用伸顶通气方式。实验采用4个坐便器排水，每层安装1个。15层系统中，试验开始时，坐便器最高安装层为第15层，即在第12~15层安装有坐便器；最高层坐便器安装在第14层时，即第11~14层安装有坐便器，伸顶通气管同时下移一层；以此类推，直至最高层坐便器安装在第5层。坐便器以下各层横支管安装压力传感器，压力传感器安装在距立管中心500 mm的横支管上部。33层系统实验方法与15层系统相同，但坐便器最高安装层为33层。

2.4.1排水高度与系统内压力的关系

在15层系统中，如图4所示，改变坐便器的排水高度时，其排水高度越高，所造成的系统最大负压值有越大的趋势，坐便器最高安装层为第7层及以上时，均存在突破-400 Pa的情况。本试验中所有排水工况造成的系统最大正压值均在+400 Pa以下。系统最大负压值与坐便器排水高度间存在线性关系。

2.4.2排水高度与系统内汇合流量的关系

在15层排水系统中，如图5所示，随着坐便器排水高度的增加，其立管底部汇合流量均大致呈现递减的趋势。表明随着立管高度的增加，水流动距离也增加，瞬时排水的汇合流量越来越小。

图5 不同坐便器排水高度排水时系统最大汇合流量值

在33层系统中，采用5个坐便器排水。在不同高度排水时，排水系统末端最大汇合流量与出现时间如表1所示。

由表1可知，在瞬间流情况下，当排水流量相同，而排水高度不同时，排水系统末端最大汇合流量有很大差别。当排水高度越高时，排水系统末端最大汇合流量越小。

2.5 汇合流量测试方法

汇合流量测试方法：①排水立管系统伸顶通气。排水立管自顶端每一层都安装一根横支管。排水立管自顶端每一层都安装一根支管。排水立管底部流体排入测量筒内。②在排水立管顶部采用1~n层横支管上每层安装一个坐便器进行排水，排水层下各层横支管上安装压力传感器测量排水层下各层压力。当系统内压力刚好破封时，记录此时坐便器个数n。③用测量筒测量两处汇合流量，一处位于排水层直下层，另一处位于排水系统末端。

（1）使用测量筒测量汇合流量。图6展示了排水立管汇合流量测量装置示意图（已获得专利）。包括④推车和放置在推车上的测量筒；所述测量筒的外侧壁下部位置上设有②压力传感器，测量筒的外侧壁上还设有与测量筒内侧相通的竖向连通管，并且竖向连通管内放置有③投入式液位计；所述测量筒的筒内中心位置固定设置有⑤支撑架，支撑架的上端固定设置有一个①整流圆盘，整流圆盘的上表面中心位置设有一个圆锥头。

（2）在立管内，最大负压值与最大流量并非同步出现。试验采用dn110 PVC-U单立管系统，每层的横支管使用90°顺水三通连接。楼层高度为3 m，从第1层到第15层共安装有15根横支管。立管采用伸顶通气方式。实验采用4个坐便器排水，每层安装1个。试验开始时，坐便器最高安装层为第15层，即在第12~15层安装有坐便器；最高层坐便器安装在第14层时，即第11~14层安装有坐便器，伸顶通气管同时下移一层；以此类推，直至最高层坐便器安装在第5层。坐便器以下各层横支管安装压力传感器，压力传感器安装在距立管中心500 mm的横支管上部。

如图7所示，在排水管道系统中，系统最大汇合流量出现的楼层与系统最大负压值出现的楼层不一样。因此，在使用瞬时流量作为管道排水能力的测试手段时，需要先测出压力刚好破封时坐便器个数，再通过试验得出在该坐便器个数时，系统内最大汇合流量。

（3）当采用多个坐便器进行瞬间流测试时，立管内最大汇合流量出现在排水楼层的直下层，最小汇合流量为排水立管末端的流量。实验采用dn110 PVC-U单立管系统，每层的横支管使用90°顺水三通连接。楼层高度为3 m，试验装置共7层，每层一根横支管。立管采用伸顶通气方式。试验中，当进行5个坐便器的试验时，先将5个坐便器安装在3~7层，8层伸顶通气，在1层立管底部测量汇合流量即为排水下三层汇合流量；之后将5个坐便器安装在2~6层，7层伸顶通气，在1层立管底部测量汇合流量即为排水下二层汇合流量；最后将5个坐便器安装在1~5层，6层伸顶通气，在1层立管底部测量汇合流量即为排水下一层汇合流量。1~4个坐便器的测量方法依次类推。

根据试验结果发现，当采用多个坐便器进行瞬间流测试时，立管内最大汇合出现在排水楼层的直下层，如图8所示。

3 两种方法的比较

3.1 测试步骤

瞬间流试验步骤：1在立管顶部采用1~n个坐便器排水，测量排水层下各层压力。当压力刚好破封时，记录此时坐便器个数n。2在两处标定n个坐便器的最大汇合流量大小，一处位于排水坐便器的直下层，另一处位于排水系统末端。

定流量试验步骤：在立管顶部由小流量至大流量排水，记录排水楼层下各层的压力。当系统压力刚好破封时，读出系统排水流量大小，则为该系统通水能力。

3.2 测试系统图（见图9、图10）

3.3 测试结果

3.3.1在相同负压下，定流量要比瞬间流对器具水封造成更大的损失

采用33层dn160的PVC-U伸顶通气排水立管。采用定流量排水方式时，在32、33层采用自控电磁阀和电磁流量计相互配合控制流量，进行恒定流量排水，流量范围是0~5L/s，测试层为第2层和第31层进行试验。采用瞬间流排水方式时，瞬间流排水层为26~30层，采用坐便器组合排水的方式，测试层为第2层和第20层，其它层进行封堵。排水层的排水方式均采用正排水的排水方式，即按照时间间隔从上往下排或同时排，组合的方式主要通过改变排水层数、高度和时间间隔来实现。通过不同的组合方式排水，在排水立管内产生不同的压力变化值，测量其对器具产生的水封损失。

如图11所示，对于坐便器来说，相同压力下，定流量排水对器具水封造成的损失明显比瞬间流要大。由此我们认为，在相同负压下，定流量要比瞬间流对器具水封造成的损失更大。

3.3.2定流量与瞬间流实验得出的通水能力严格度比较

在33层dn160的PVC-U排水系统中，采用瞬间流与定流量排水两种方式就排水系统的通水能力进行了比较。在排水系统顶部排水，当排水系统内压力正好达到破封条件时记录下此时排水系统末端的汇合流量，如图12所示。

由图12可知，无论在何排水高度下，定流量排水方式在排水系统末端测得的汇合流量都要大于瞬间流排水方式在排水系统末端测得的汇合流量值。因此，如果采用在排水系统末端测试汇合流量的方法，瞬间流试验得出的通水能力数值比定流量试验得出的通水能力数值要小，通水能力判定较为严格。

3.3.3测试重现性比较

定流量与瞬间流这两种排水方式标准偏差的计算公式如下：

式中S——标准偏差；

N——实验次数；

——压力均值；

X_i——第i次实验的压力值。

计算离散系数的公式如下：

式中CV——离散系数；

S——标准偏差；

——压力均值。

将3组实验数据取数值接近的两组求得压力均值、标准偏差，并计算得到的离散系数。如图13、图14所示。

由图13、图14可以看出，定流量排水试验的重现性比瞬间流排水试验好。

3.3.4还需深入研究的装置

瞬间流试验中采用坐便器作为排水装置。而不同坐便器型式其出流曲线型式差异很大，且峰值流量差异也非常大，如图15所示。因此在今后的试验中，将会研发一种坐便器排水模拟装置，以保证每次排水的排水曲线以及峰值流量一致。

4 结语

测试系统排水能力，应以系统内最不利工况下、系统压力达到破坏标准为依据设计测试方法，但由于现有的技术手段，无法在实际工程中开展使用实态的跟踪监测，所以在我国排水系统的实际使用情况下，到底是定流量排水还是瞬间流排水更可能产生最不利工况，尚无法判定；测试出的排水能力和《建筑给水排水设计规范》规定的设计秒流量如何关联，还有待进一步研究。

感谢试验塔上同事们的辛勤工作，感谢编制组各位成员的通力合作，感谢各位专家中肯的建议和指正，感谢《给水排水》杂志社设置专栏将试验成果介绍给业界。400多天，9 000余次试验，我们对定流量排水测试方法进行了完善、对瞬间流排水测试方法进行了的验证和研发，可喜的是，我们已经具备了操作这两种方法的检测能力，直接跨入了国际领先的检测研究领域。关键的下一步是怎样把这些测试方法使用好，为行业的产品研发、性能测试提供科学、公正、可比对的统一标准，切实提高我国排水系统的技术水平，保障居民室内环境的安全卫生。（参考文献略）

附：住宅排水系统排水能力测试专栏目录

 

☆住宅排水系统性能现状与试验研究展望——住宅排水系统排水能力测试专栏开栏语（2013年8期）

☆伸顶通气排水系统瞬间流量测试方法初探（2013年8期）

☆器具排水瞬间流量的测量装置研究（2013年9期）

☆特殊气象条件下的建筑内排水系统研究初探（2013年9期）

☆特殊气象条件下的建筑内排水系统研究（一）风对超高层建筑排水系统内压力的影响（2013年10期）

☆建筑排水管道流态分析初探（2013年10期）

☆器具排水瞬间流量分析初探（2013年11期）

☆特殊单立管系统器具汇合流量测试研究（2013年11期）

☆专用通气系统器具汇合流量测试研究（2013年12期）

☆特殊气象条件下的建筑内排水系统研究（二）采用风机模拟大风条件的试验研究（2013年12期）

☆伸顶通气系统器具汇合流量测试研究（2014年1期）

☆瞬时排水方式确定排水立管通水能力的试验研究（2014年1期）

☆伸顶通气管道系统中瞬间流排水特性的影响因素研究（一）坐便器排水高度对排水管道系统压力的影响（2014年2期）

☆负压瞬间抽吸坐便器水封的探索性试验研究（2014年2期）

☆特殊气象条件下的建筑内排水系统研究（三）风机模拟大风条件不同通气流量的试验（2014年3期）

☆伸顶通气管道系统中瞬间流排水特性的影响因素研究（二）坐便器排水高度对管道内汇合流量的影响（2014年3期）

☆伸顶通气管道系统中瞬间流排水特性的影响因素研究（三）瞬间流量在伸顶通气排水系统中流量与压力的关系探讨（2014年4期）

☆高层建筑物卫生间返臭问题试验研究初探（一）关于底层返臭的若干项试验研究（2014年4期）

☆坐便器排水口流量特性及分析（2014年5期）

☆特殊气象条件下的建筑内排水系统研究（四）用风机模拟大风条件的瞬间流试验研究（2014年5期）

☆定常流条件下不同形式排水立管压力波动机理探讨（2014年7期）

☆定流量与瞬间流排水对不同卫生器具水封损失影响的试验研究（2014年7期）

☆伸顶通气排水系统定流量与瞬间流量排水方式的不同区域汇合流量对比（2014年8期）

☆住宅排水系统排水能力测试方法总结（2014年8期）