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高层建筑排水系统中的压力瞬变抑制
葛姆雷米，凯利
英国爱丁堡赫瑞瓦特大学能源，地球科学，基础设施与社会学院
摘要：抑制建筑排水系统中的压力瞬变对于减少病原体传播的交叉污染至关重要。由于在2000年发明了第一个排水专用正压瞬态衰减装置，现在可以更好地理解该主题。本研究解决了高层建筑中一个重大的问题，即气压瞬变的衰减。描述了一种用于衰减大约2000毫米水柱（wg）（20千帕）正气压瞬变的新技术，而在此之前还没有减轻的手段。通过数值模拟和全尺寸试验台实验验证了新技术的性能。全尺寸试验台是一幢44层高的建筑，主排水管道为150毫米。压力波发生器通过大型蓄压器压缩机施加2000毫米水柱的压力瞬变，在10巴压力下输送270升空气。这使2700升空气在大气压力下0.2秒内被输送到系统中。结果表明，使用这种新技术的原型设备能够将施加的压力瞬态降低88％，使其无害，并在几秒钟内使系统恢复正常运行。
关键字：空气污染;建筑排水系统;建筑施工;排水;模型设计;原型测试;公共卫生;高层建筑
1 介绍和背景
由于系统流动条件不可避免的变化，任何流体承载系统都将以瞬态压力或波动的形式承受局部压力升高。建筑排水系统（BDS）压力上升的情况更为常见，因为所有流量都是由卫生设施（如厕所，水槽，浴缸和淋浴）的不稳定流量随机排放汇合而成的。另一个重要因素是系统用于排出建筑物中的废水，而系统的脆弱性取决于其应对由于落入主立管和气流中心的水流之间的剪切力而产生的巨大气流的能力。该剪切力通过伴随的气压状态改变气流。设计师试图在设计阶段避免这些气压波动（Swaffield，2010)。
2 建筑物排水系统内的空气压力波
虽然每次都试图限制BDS设计过程中的气压波动，但瞬态气压波将始终发生并以局部声速（344 m/s）在整个系统中传播。这些气压波的影响可能是毁灭性的：当瞬态波为负（诱导虹吸）时吸出水封内的水，或在瞬态波为正时将水封吹入房间（Swaffield，Campbell，＆Gormley，2005a, 2005b)。这种情况的后果是建筑物内的可居住空间与主要排水管之间的密封缺失，留下了污浊空气进入建筑物的直接途径。
恶臭空气进入建筑物可能令人烦恼和不愉快，但是这种密封破坏的危险性还要大得多。近来的研究表明，BDS水流中的湍流足以雾化细菌，然后细菌可以携带在BDS气流上，并通过过度气压瞬变引起的水封破坏而进入建筑物（Gormley，Aspray，Kelly和Rodriguez，2017;Gormley，Swaffield，Sleigh和Noakes，2012;Gormley，Templeton，Kelly和Hardie，2013; Hung, Chan, Law, Chan, amp; Wong, 2006; White，Gormley and White，2017)。尤其是Gormley等人的工作（2017）证明了在一栋建筑物中可能存在水封破坏的不同地方之间会出现交叉污染。该工作表明，在正常操作条件下，从马桶进入排水系统的不稳定排放足以雾化细菌（恶臭假单胞菌，一种在实验中使用的无害细菌），从而为自然发生的上升气流中的病原体转运创造了合适的条件。该工作还确定了空气压力瞬变造成水封破坏的原因，并提供了它们发生的证据，以及评估疾病传播风险的工具。虽然这项工作与所有建筑物相关，但对于可能存在集中的免疫抑制患者的医院建筑以及气压瞬变风险最大的高层建筑尤为重要。
第一次正气压的发明——2001年专门为BDS设计的瞬态衰减器（Swaffield等，2005a,2005b）为工程师和建筑师应对可能存在的低振幅气压瞬变的限制提供了一个重要的新设计选择。该设备设计用于应对低振幅压力瞬变，峰值正压高达约100mm水柱（wg）（1kPa），可通过串联两个或更多设备来加强水压。值得一提的是，大多数存水弯密封深度为50毫米（厕所深度为75毫米），因此这些存水弯密封件容易受到超过75毫米的气压瞬变。这些低振幅气压瞬变是由于空气通道瞬时阻塞产生的，这是由BDS内的水流汇合或主要排水管的临时附加流量引起的。总的来说，这些改变是短暂的;然而，它们可以产生足够大的低振幅气压瞬变，从而导致存水弯密封遭到破坏。
3 与日俱增的高层建筑
世界各地正在建造的高层建筑数量正在迅速增长。虽然构成“高层建筑”的定义由于其相对高度和与其设定相比的比例，更加偏向主观，但是通常使用高度超过50米（或14层）的建筑物作为下限。高度超过300米（或84层）的建筑被归类为“超高层建筑”，高度超过600米（或168层）作为“超级建筑”（世界高层建筑与都市人居学会（CTBUH）），2016).尽管由于不同建筑物之间楼层高度的变化，楼层的数量会有所不同，但这些在BDS设计方面被当作重要的比较。建筑采取3.6米的层高也被认为与CTBUH归类的高度有关（2016)。在2016年，有128栋200m以上的建筑物建成，其中10个被归类为超高层。现在全世界超过200m的建筑物总数为1168个（与200年相比增加了441％，当时仅存在256个），预计还会每年逐渐增加。
4 国家规范
国家规范为建筑排水系统和通风系统的设计提供了必要的指导，这些系统主要通过水封的设置保证了防止气味进入室内和疾病交叉传播的基本目标。但是，对于高层建筑的BDS设计没有具体的设计指南，因此对于168层建筑和14层建筑物使用一样的规范和方法。一些常用的国家规范包括英国的规范（BSI，2002），澳大利亚和新西兰的规范（澳大利亚标准国际组织，2003），两个美国的规范（IAPMO，2003;国际规范委员会，2003)。这些规范的历史发展（包括它们对流体力学原理的解释和内置的安全程度）决定着这些国家规范之间存在许多设计差异。例如，英国规范允许水封耗尽25％，即50 mm水封的最小保留时间为37.5mm，而澳大利亚和新西兰的水封保留最小25毫米。此外，连接排水立管和通气立管的交叉通气立管的间隔在不同规范之间存在很大差异：一层间隔（英国和澳大利亚/新西兰规范）;五层间隔（美国规范-UPC）;和10层间隔（美国规范- IPC）。这些规范在所覆盖的系统类型和规模上也有所不同，并且大多数不考虑超高层建筑或超大型建筑规模的高层建筑的特定建筑排水设计要求。
表1.不同国家规范允许的最大理论楼层数
|
英国 |
澳大利亚/新西兰 |
美国（UPC） |
英国（IPC） |
|
|---|---|---|---|---|
|
立管直径（DN）（mm） |
200 |
150 |
200 |
250 |
|
通气直径（DN）（mm） |
100 |
150 |
200 |
250 |
|
最大的DU或FU值 |
1521a |
700 |
3600 |
4000 |
|
最大通气立管长度（m） |
- |
300 |
228 |
293b |
|
楼层数 |
241 |
83 |
63 |
81 |
注释：a使用公式（1）计算。
b在规范中表示960英尺（1英尺= 0.3048米）。
IPC即国际管道规范;UPC即统一管道规范
表1比较了每个规范允许的最大理论楼层数。对于每个规范，都假设是传统的改进的单管系统（具有排水立管和与通气立管连接的独立的立管排气通道）。为了进行说明性比较，根据每个规范的设计格式，以两种方式计算理论楼层的最大数量。在英国规范中，系统尺寸的限制因素是每个立管直径的最大液压容量，而其他规范提供最大排放单位（DU）或卫生器具单位（FU）负载以及最大允许通气立管长度。
从英国规范开始，系统中任何一点的预期废水流量由以下因素确定：
(1)
其中Qww 是废水流量（L/s）;K是频率因子; Sigma;DU是连接到系统的每个卫生设备指定的排放单位的总和。为了计算理论楼层的最大数量，首先使等式（1）以允许从最大立管直径的最大液压容量（27.3L/s）计算DU（200mm，具有100mm排放管）。当假设频率因子为0.7（频繁使用，例如医院，学校，餐馆，酒店）时，最大水力容量总共1521DU。除以典型公寓的水龙头数量——脸盆（5.0DU），浴缸（0.8DU），淋浴（0.6DU），厕所（2DU），水槽（0.8DU），洗衣机（0.8DU）和洗碗机（0.8DU）= 6.3DU，则最多可提供241个理论楼层（超过168个楼层的超大楼建筑门槛）。
对于其他每个规范，最大通气立管长度以及相应的最大DU或FU载荷，并与指定的立管和通气立管直径相关联。为了将最大通气立管长度转换为理论楼层的最大数量，将每个通气立管除以上面提到的3.6米的假设楼层高度。这导致澳大利亚和新西兰规范中最大通气立管长度为300米，相当于83层（与超高层建筑最低标准一致但不允许更高），美国（UPC）规范中的228米相当于63层（下降）远远低于超高层建筑门槛），美国（IPC）规范中的293米相当于81层（刚好超出超高层建筑门槛）。有趣的是，与这些系统极值相关的立管和通气立管直径在规范之间也有所不同，从澳大利亚和新西兰规范的150 mm到美国高度的250 mm（IPC）规范。此外，英国规范是唯一一个通气立管推荐直径为立管直径一半的，而其他国家建议通气立管直径与立管直径相同。
需要注意的是，对于美国（IPC）规范，规范中包含3英寸（76毫米）立管的最大通气立管长度为1040英尺（317米）;但是，最大FU负载是限制性的。因此，选择的最大通气立管长度允许最大长度和最大负载。显然没有具体的规范涵盖目前正在设计和建造的建筑物范围，并计划在将来使用。从White等人最近的工作中可以看出这一点（2017），这为公共卫生工程师提供了与在高层建筑设计中使用现有规范相关的问题的观点，特别是那些与屋顶上的通风设施相关的规范。
对规范和标准以及现有文献的分析表明，与高层建筑相关的气压瞬态制度无法单独使用现有的设计实践来处理。除了设计问题之外，越来越多的证据表明高层建筑中出现了非常大的气压波动。中国香港一座高层住宅区的一个具体案例记录了正压力瞬变，足以将卫生间的水从卫生间的空气中吹出2米（Swaffield，2010).这些瞬变是由主要排水管产生大幅度气压瞬变的附加空气引起的，即压力波动足以将卫生间的水从大约2米的空气吹入空气并以当地声速（344米/秒）行进，因此导致住房公寓出现重大问题。而作者收集到的进一步事实证据是压力波动足以提升建筑物附近人孔盖的气压瞬变。与低振幅气压瞬变不同，这些大气压波通常在BDS-排水管界面处产生。其可能的原因是主立管设置位置的偏移，应该在设计中避免。
5 目的和目标
这项研究的目的是提高对高层建筑BDS内气压波动的必要了解，以便开发出一种实用的解决方案，以减轻系统内高压气压瞬变的破坏性影响。通过以下步骤实现了这一目标：
开发一种模拟高层建筑中大气压波动的方法；
使用数值模型建立试验台的最佳设计；
构建一个新的试验台；
评估衰减设备。
6 减弱气压瞬变的理论基础
BDS中的空气压力波是由于可用于空气通道的路径的一些阻塞所引起的气流的突然变化。
因此，环形水流的变化不断产生低振幅气压瞬变，其大小由Joukowsky表达式确定（Jou- kowsky，1900）：
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资料编号：[1098]
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