虹吸雨水排水系统的工作原理是什么？
虹吸系统介绍
1.1虹吸式屋面排水系统的特点
在降雨开始时，屋面雨水高度不超过雨水斗高度的情况下，虹吸排水系统的工作原理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。通过控制进入雨水斗的雨水流量，调节流态，减少涡流，从而大大减少进入排水系统的雨水夹带的空气量，使系统中的排水管道处于全流通状态。利用建筑物屋顶的高度和雨水的势能，在雨水不断流入雨水立管下落时形成虹吸效应，管道内出现最大负压。屋面雨水在管道负压的吸引下高速排到室外。
1.2虹吸和重力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是按满流和压力状态设计的，因此虹吸式排水系统中的雨水悬吊管可以无坡度敷设。同时，当虹吸效应发生时，管道中的水流速度很高，因此系统具有良好的自清洗效果。但重力排水设计计算并非按全流量计算，雨水悬吊管的敷设坡度不应小于0.005。
虹吸排水系统排水管的泄流能力远大于重力排水系统相同管径的排水管，也就是说，排除相同的雨水流量，虹吸排水系统排水管的管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，埋管明显减少。
目前该系统在国内的应用才刚刚开始，而在国际上该系统已经使用了近20年，涉及航站楼(戴高乐机场航站楼、香港新机场航站楼、苏黎世机场航站楼)、展览馆(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)、商业中心、停车场、货运仓库、办公楼等建筑。据不完全统计，使用吉博力虹吸排水系统的项目近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汇总
屋面雨水排水系统一般由虹吸雨水斗、无坡度悬吊管、立管和雨水出水管(排放管)组成。
虹吸式屋面雨水排水形成的前提条件是必须有一个带有良好气水分离装置的雨水斗。在设计降雨强度下，雨水斗不与空气混合，在降雨过程中利用雨水斗与室外管道的高度差形成的压力差，通过屋顶内的排水系统从室外排气管排出。在这个过程中，排水管道充满压力流，屋面雨水的排水过程是虹吸作用的结果。因此，这种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过程。
降雨初期，雨量一般较小，悬管内有带自由面的波流。根据降雨量的不同，在某些情况下，初始阶段不能形成虹吸，是以重力流为主的流态。随着降雨量的增加，管内逐渐出现脉动流和拉流，然后管内出现气泡流和苏打水的混合流，直至出现水的单向流动。
在降雨结束时，雨水量减少，雨水斗前面的水位降低到一定值(取决于不同雨水斗产品的设计)。雨水斗逐渐开始混入空气，排水管内的虹吸作用被破坏，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，随着降雨量的增减，悬管内的压力和水流状态会反复变化。
与悬吊管类似，立管内的水流会从附壁流逐渐过渡到泡状流和气水浮流，最后形成虹吸时接近单向流。
2.2雨水斗
总的来说，雨水斗的设计是整个虹吸系统能否按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就越低，其整体性能就越好。
标准雨斗，由雨斗底座(PE材质)、圆盘(ASA)和格栅顶盖(PE)组成。此外，我们可以根据需要提供通用绝缘底座、固定件、法兰件、焊接件、防火帽、微型加热线圈和其他附件。
压力流(虹吸)雨水斗由HDPE、铸铁或不锈钢制成。它的各个部分具有不同的结构功能。雨水斗放置在屋顶层，上部覆盖有进水格栅。降雨时，雨水通过格栅罩侧面进入雨水斗。当屋面集水达到一定高度时，雨水斗内的防涡装置会阻挡空气从外面进入，同时消除漩涡状态，使雨水顺利漫溢，排入排水管。虹吸式雨斗最大限度地减少了天沟的积水深度，最大限度地减少了屋面承受的雨水荷载，提高了雨斗的额定流量。
目前主导产品可以部分通用。它的最大优点在于对不同功能和材料的屋顶系统的广泛适用性。换句话说，一种雨斗可以通过相应配件的组合，适用于不同的屋顶，如混凝土屋顶、金属屋顶、木质屋顶、考虑人行走或绿化的屋顶、凹凸不平的梯形结构屋顶等。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来说，最重要的是防止空气通过雨水斗进入整个系统。如果空气直接进入雨斗，会在管道内形成气团，大大降低系统的排水效率，最终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的具有防涡功能的盖子，以防止空气通过雨水斗入口处的水流带入整个系统，并有助于在斗前水位上升到一定程度时形成水封，完全阻挡空气进入。
对于雨水斗的设计和安装也有一些严格的要求:
(1)雨水斗离墙至少1米。
(2)雨斗间距一般不大于20m。
(3)如果是平屋顶上的砾石层，雨水斗格栅顶盖周围的砾石厚度不应大于60mm，最小粒径应为15 mm..
(4)如果雨水斗安装在天沟内并采用焊接件，则天沟的宽度至少为350毫米，雨水斗在天沟内的安装开口为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顶表面，则屋顶厚度至少应为160毫米。
(6)连续梯形截面的屋面雨水斗开口必须为280mm × 280mm，以便安装固定件。如果开口大于300mm ×300mm，则需要对屋顶进行加固。
(7)若屋面为混凝土，雨水斗下方连接的雨水管直径至少为35mm(采用电焊管箍接头连接)，对应屋面厚度为180mm至190mm。
(8)带保温层的屋面保温层厚度至少为40毫米。如果隔离层的厚度大于180mm，则雨水斗的底座必须伸出适当的长度，以便与直径为56 mm的连接管连接
2.3系统管道
管道作为虹吸式屋面雨水排水系统最重要的组成部分，必须保证系统安全、可靠、高效、连续运行。虹吸系统作为一种特殊的排水系统，必须保证完全的密封和完备的防火措施，并尽可能地降低噪音，吸收振动，抵抗冲击外力，最大限度地满足温度变化引起的变形。
管道完全防漏并不意味着系统密封性得到满足。总的来说，防渗漏的要求是允许小范围的渗漏，只要有补救措施。但是虹吸系统一旦泄漏，就不容易发现了。当有突然的暴雨时，整个系统可能会立即崩溃。再者，由于屋顶的雨水不能及时排出，超过了屋顶的可承受强度，导致屋顶坍塌。
当然，小小的启封不一定会造成漏气，但足以造成漏气。排水管道中一旦出现气团，虹吸排水的效率就会大大降低，严重的甚至会破坏虹吸效果。
因为虹吸系统利用负压排水，所以管道的管壁必须有相当的承载力。但它不是一个完全刚性的物体。因为虹吸系统的负压一般不大于-0.08Mpa .负压过大会导致管内水流速度过大而产生气蚀，对金属管道或金属接头造成很大的损坏(-0.09Mpa接近气蚀的临界值)。同时，过高的负压也会给系统带来很大的振动，降低系统的使用寿命。
管道和配件必须具备阻燃条件。当建筑物的一部分发生火灾时，该系统可以防止火势迅速蔓延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，整个管道系统的火灾扩散才是最大限度减少灾害损失的关键。
HDPE管承压性能好，管壁在外荷载作用下不会破裂。能抵抗冲击压力，减少水锤冲击破坏，保证系统安全运行，维持彩虹动作负压。
管道连接方式方便灵活。管道的连接可根据需要采用不同的方法，如对焊、电焊管箍连接、法兰连接、螺纹连接、伸缩管接头等。HDPE还可以与钢管、铸铁管、陶瓷管和其他管道连接。只能用专用加热焊机操作。
HDPE管道是在热条件下生产的，在制造过程中已经降低了材料本身的张力，所以成品后可能出现的尺寸微小变化不会造成任何危害，热胀冷缩带来的危害会降到最低。
在理化性能方面，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。管道比金属管更耐磨。耐极端温度为–400°c ~ 1000°c，管材重量轻，施工方便，可提前预制，大大提高了安装效率。
HDPE管作为一种新型节能管材，从我国建筑行业住宅产业化、设计标准化、材料集约化、工厂化建设和科学管理的发展趋势来看，具有巨大的发展潜力。
2.4辅助固定系统
安装和固定系统的主要功能是辅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，管道与方形钢导轨之间的连接管卡(根据管径不同，每隔0.8-1.6米设置管卡)，用于固定钢导轨的吊架和镀锌角钢。安装固定系统还包括管卡配件，可以固定管道的轴向，通过锚固管卡安装在管道的固定点。
在汽水混合流的疏水过程中，有一个很重要的要求，就是关于系统各部分负压的限制，规定负压不得小于-0.8 kg。原因是负压在-0.92 kg左右时，系统内的气泡会在压力下破裂，导致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的使用寿命，还可能导致整个系统的破坏。安装和固定系统的主要功能之一是吸收这些振动，从而避免振动对建筑结构的影响。
由于温度的变化，管道必然会热胀冷缩。系统内部形成张力或压力，作用于管道的连接处。
安装固定系统可以防止刚性安装的排水系统中热胀冷缩阻挡的力对建筑结构的破坏，吸收热胀冷缩引起的管道位移。同时也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，热胀冷缩产生的内力，甚至是悬挂管道承受的重力，都通过连接件传递到方形导轨上，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和传递管道的力，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力。
总之，固定系统虽然是虹吸雨水排水系统的辅助部分，但起着至关重要的保护作用。
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
在流速大于等于0.7m/s的条件下，保证水流方向的连续流动性是维持虹吸效应的关键。特别是当管道转弯角度比较大，甚至90°时，很有可能因为管道内流速的突然下降而破坏虹吸效应。
因此，当水流在90°方向变化时，需要在此处的弯头连接方式中设计一个连接管段，以保证流量不会突然急剧下降，而是保持上升状态，使整个虹吸式屋面雨水排水系统能够正常运行。
当系统中出现90 T型支管时，当水平管中的水流以较快的速度冲向管壁时，突然遇到障碍物，在极短的时间内速度降为零。一方面对管壁冲击大，另一方面水流撞击管壁后在管内迅速形成与初始方向相反速度的回流。这样，两股方向相反的水流在管道内碰撞，容易形成水塞，阻碍排水管的排水，破坏虹吸效果。
所以一定要采用比较大的管径，具体情况可以根据管道的空间和环境条件来选择。水力情况的最佳选择是设计一个接头管段，避免90°变化。
3.2气水混合流的存在
当系统的管道发生虹吸现象时，由于可用管道的直径并不完全是计算的直径，管道内部会有许多溶于水的小气泡，并不是完全理想化的液体单相流动。这些微小的气泡会在流动过程中逐渐释放出来。但气水混合流而非气水两相流的流型仍可视为允许虹吸的状态，不影响虹吸的形成和系统的排水能力。
但是，溶于水的气泡并不代表管道中有气团。如果排水管道中间部分是气团，沿墙部分是水流，这就是传统重力式雨水排水系统中的流态。管道中气团的存在严重影响了虹吸作用下管道中满流状态的形成，管道中水的充满度相当低，大大降低了系统的排水能力。
3.3系统的完整性和密封
为了保证虹吸排水的产生和持续作用，要求从雨水斗到管道系统的整个排水系统必须是整体的，各部分紧密相连。
如果雨水斗有一个完全敞开的入口，在水流的旋转作用下，空气会从入口流出，进入整个雨水排水系统，这样完全不能形成全流的虹吸状态，整个系统就不再是一个高效的虹吸排水系统，实际上一直在作为传统的重力排水系统工作。
但为了达到良好的排水效果，重力排水系统要求安装管道时，悬吊管的最小坡度为2%。而虹吸系统中悬吊管的安装坡度为零，没有重力势能，整个系统无法有效排水。
因此，只有当排水口的入口半开时，才能有效防止空气在任何时候进入系统。当水桶前方水深达到一定要求时，可以形成水封，完全隔绝空气，迅速形成虹吸效应。
除了有效防止空气进入入口外，还要保证没有空气进入系统管道。因此，另一个要求是系统的完全密封，以确保管道无泄漏。
为此，在连接附件时不能使用橡胶密封圈，它们通过套筒连接。这样系统的气密性很难得到有效保证，容易造成管道泄漏。
因为虹吸作用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
只有当屋面水位达到一定程度(根据不同的雨水斗产品有不同的定值)时，整个系统才能真正起到虹吸雨水排水系统的作用。
在一定的连续降雨过程中，初始水位低于虹吸发生的高度。随着水位逐渐升高，系统达到这个特定值后开始形成虹吸。水位持续到屋顶上的雨水量小于虹吸系统的排水能力。
但必须严格控制水位，限制在一定高度，否则屋面的雨水积聚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。毫米的水可以转换成每平方米的雨的重量。
所以，屋顶承受的荷载与毫米级水深的关系。显然，当水位大于55 mm时，会对屋顶结构产生相当大的重量荷载。在设计屋顶或天沟时，必须考虑到这种情况。
尤其是天沟，水位一定不能超过55 mm，否则随着时间的推移，天沟会慢慢变形。对排水系统和整个建筑影响很大。
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然采用重力流技术排水。其优点是设计和施工方便，成本低。但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面的排水要求。
在这种背景下，压力流技术应运而生。
4.2压力流(虹吸)技术
重力压力流
该技术采用下沉式雨水斗，斗前水深；计算的流型是单相流，不考虑气体渗透率。悬吊管水平安装，在管道的连接处即汇流点计算压力平衡，但水头损失计算主要是根据沿途的水头损失。因为雨水立管内压力为零，所以这个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。整个系统只是对雨水斗的要求更高。
由于计算不属于精确计算范畴，虹吸发电效率低，系统对屋顶要求负荷大，工作稳定性低，系统寿命难以保证。属于早期虹吸技术。