第二章 文獻回顧與排水設計理論探討
第二節 國內外規範與計算理論探討
計規範或基準。各國應用普遍的排水通氣系統設計規範則有 National Plumbing Code 、 International Plumbing Code(1995.01) 、 給 排 水 衛 生 設 備 規 準 ‧ 同 解 說
市面產品已全面更新為省水器具，為瞭解省水器具對於排水系統搬送性能之影響，
須從其性能評估方法加以釐清，省水標章馬桶器具規範項目摘述如表2.4 所示：
國內標準試驗以國家標準為依據，CNS3220 中明定水洗馬桶適用範圍、坯體 材質、種類、沖水量、形狀及尺度、外觀品質及性能、標示、檢驗各項目，其各項 Test for Drainage of Equipment Units for
Dwellings）
1980.08.13 CNS 5957
A3107 住宅用設備組件之振動試驗法（Method of Test for Oscillation of Equipment Units for
Dwellings）
1980.08.13 CNS 5957
A3108 住宅用設備組件之強度及耐久性試驗法
（Method of Test for Strength and Durability of Equipment Unit for Dwellings）
1980.08.13 CNS 5957
A3110 住宅用設備組件之保溫及隔熱試驗法（Method of Test for Heat Insulation of Equipment Units
for Dwellings）
1983.07.11 CNS 5957
A3112 住宅用衛生設備組件之耐濕及防水試驗法
（Method of Test for Moisture - proof and Water - proof of Sanitary Unit for Dwellings）
1980.08.21 CNS 4439
A1021 住宅用衛生設備組件模矩尺度（Modular Co-ordinating Sizes of Sanitary Units for
Dwellings）
1991.03.15
表 2.4 省水標章馬桶器具規範項目摘錄說明[10]
表 2.5 CNS3220 各規範列表[10]
形狀及尺度 馬桶排污口中心至牆距離 D=0,240,260,280,300,320,340,400(mm) 洗淨性 污染代用品完全排出，染料痕跡 完全消失
第 三 節 排 水 系 統 設 計 理 論 及 其 演 變
歐美給排水系統研究在設計規範方面，起步較日本早，而其排水通氣系統理 論，則由國家給排水配管規範 NPC（National Plumbing Code）收錄整合，成為世界 上重要的參考資料。早期設計理論是依據 1928 年的胡佛規範（Hoover Code）為標 準，此規範在 1940 年參考 Hunter 與 Wyly 的部分研究成果做為修訂依據，並於 1955 年頒佈後施行至今。[1] [2] [4] [10] [11] [12] [13] [14] [15]
早期排水系統設計方式是以限制排水管容許流量上限做設計，參照理論做計算 的模擬與檢討。在美國是以排水器具單位（Fixture Unit）進行預測排水流量以決定 排水管應設計多大管徑。排水管容許流量設計時檢討的管路包括水平橫管、垂直立 管、通氣立管等。在水平橫管與垂直立管理論方面，最早為 Dawson-Kalinske(1939) 引 用 曼 寧 (Manning) 的 公 式 推 導 出 計 算 模 式 ， 而 後 垂 直 立 管 計 算 理 論 再 由
1.排水立管排水流速測定
依據 Pink、Schlag 之理論及解析後，相關研究對於通氣流量計測便有了充分之 掌控，故其後的齋藤、大塚等在 1988 年建立 30 公尺之實體模型，以及實際量測出
國內建立實尺寸的排水實驗設施以來，逐年針對建築排水立管的性能、排水橫 B.J.Pink (1973)
以實驗方法或理論嘗試推導排水立管排水流下
Pink(1973)
Schlag(1974) 以熱線風速計，量測排水通氣管內之空氣流速。
齋藤、大塚(1988) 提出通氣流量與管內空氣壓力變動之關係。 L.Galowin (1990)
排水橫管最小必要流速之探討。
根據上述相關排水性能理論，當排水負荷層之高度大幅增加時，對於通氣管內 之空氣壓力變化與相關樓層衛生器具存水彎之影響，以及包括振動噪音與反複作用
應力對於整體排水通氣系統之影響等，都須透過調查與其他方式獲得進一步瞭解。
排水橫管污物搬送能力
本研究之實驗課題，係針對排水系統之橫主管之污物搬送能力進行實驗與分 析，比較不同排水系統、負荷樓層及橫主管轉折與否，對於污物通過排水橫管距離 的影響程度，並嘗試探求較為可行之設計對策。
第 四 節 排 水 系 統 流 體 相 關 理 論
美國給排水設計規範(National Plumbing Codes) 設計指針中部份被應用於設定 排水系統容許流量之依據，以作為指引建築排水系統設計之規範。[3]參照日本於 1970 年代制定完成給排水衛生設備規準．同解說(HASS 203)所建立的理論基礎，定 流量實驗方法已經被併用於執行法令規範之參考以及性能評估技術中。自 1990 年
水立管空氣壓力分布係以一定時間內定流量排水達到穩態情形所引起的空氣壓力 生水跳現象(Hydraulic Jump)，而使立管內空氣呈現正壓的部位。D 區亦受空氣阻抗 影響，可利用阻抗係數來計算 D 區的空氣壓力分布。
圖 2.1 建築排水立管內排水流體現象概念圖[1] [2] [8] [13][17]
Flow feature Interaction Mechanism Invert model
Pipe with only air volume
Lateral drainage inlet
Terminal fall flow zone
Main drain A ZORE
Resistance invert ξA
ξA
Due to stack length
Qa
Water inlet from lateral drain
Interaction Qa
Resistance invert ξB
ξB
Due to discharge flow rate and joint character
Qa Water mixes with air
Interaction
Gravity
CB
Power dominated by gravity and mechanism like fan machine constant pressure
gradient invert CB Qa
Main horizontal drain Hydraulic jump
Resistance invert ξD
Due to discharge flow rate and joint character ξD
Negative pressure Positive pressure
Peak negative pressure
Discharge height
Negative pressure
Positive pressure
Atmospheric pressure
L
Ventilation stack with no water
Inlet of discharge, accelerating range
Falling water with constant velocity
Main horizontal pipe, hydraulic range Drainage stack
第 五 節 建 築 排 水 通 氣 系 統 與 器 具 性 能 相 關 課 題[6]
國內目前建置完成的整合衛生管路實驗設備，可針對目前亟待建立的排水設計 計算基礎，進行各項實尺寸設施性能實驗，包括以下各項：
1.排水立管壓力變動的比較與因子分析。
2.排水立管壓力變動對於器具排水的影響。
3.衛生器具的設計排水流量及設計性能評估研究。
4.器具排水的排水速率與立管內空氣壓力變動之相關性分析。
5.排水立管與橫管內排水流體現象觀測與解析。
6.通氣配管對排水立管內空氣壓力變動的影響及理論探討。
7.浴廁空間地板落水器具排水速率與洩水坡度之相關研究。
8.洗衣機加壓排水對排水立管內空氣壓力變動及衛生器具水封之影響研究。
9.洗劑泡沫排水對於建築排水系統排水性能變動之研究。
10.建築物排水管路污物搬運能力之理論探討。
本實驗設施之建置與研發，除可積極提升本土建築排水系統設計水準外，並能 強化設計整合與產品研發能力，擴大培育並累積專業研發人才，逐步建構優良的健 康環境設計與評估體系。
第三章 實驗設施與試驗方法
整體衛浴組藉由移動平台的平移，可分別與三組不同立管連結，進行不同排水 實驗之組合，整體衛浴系統包含之衛生器具有馬桶、面盆、浴缸、淋浴蓮蓬頭及其 地板落水頭；同時，各層移動平台上排水型式亦區分為器具排水及定流量排水二種 方式；器具排水係針對個別衛生器具的單次排流進行實驗觀測，而定流量排水則採 取排水時，最嚴苛之定常流量排水進行系統性能實驗分析，可分別控制排水流量於 1.0 公升/秒至 4.0 公升/秒。如圖 3.3 至圖 3.5 所示。
圖 3.3 量測儀器構成圖
給水流量計 流量計 電磁給水閥
手動閥
電動閥 超音波水位計
電磁排水閥 排水管
給水管
器具流量計 定流排水控制閥
電動閥
器具排水控制閥
電磁排水閥 超音波水位計 電磁給水閥
圖 3.4 實驗平台設施構造圖
壓力感知器 移動把手
給水軟管
衛生器具 活動台車
軌道
活動平台俯視圖 活動平台仰視圖 三立管接管區
圖 3.5 實驗平台設施照片
五、實驗平台各層設施構造圖
各層排水設施除既有規劃中之器具排水及定流量排水實驗二類外，並於整體衛 浴平台上預留未來可進行器具檢測服務之配管，分別為馬桶及其他器具排水之接管 銜接口；此外，一層實驗平台上，三組立管獨立配置排水橫主管，且直徑均為 ψ125mm 之透明壓克力管，以利實驗觀測，另外平長度約為 19 公尺，可有效對應 污物水平搬送距離實驗之需要，圖3.6 所示。
圖 3.6 實驗平台各層設施構造圖
圖 3.7 實驗設施立管管路正向構造圖
本實驗設施配置於建築設備實驗館內（如圖 3-2-1）最大挑高約 17.6 公尺之室
圖 3.11 衛生管路實驗排水立管系統圖[3] [4] [5] 在負荷層之直下層，超過-35mmAq 的負壓值，二管式排水通氣系統則是保持在 -10mmAq 以內的壓力變動，特殊接頭排水立管系統則可使立管內空氣壓力回復到正 常大氣壓上下的變動規模，單管式排水立管系統的現象是可以被控制與再現。[4] [7]
第 二 節 排 水 橫 管 搬 送 實 驗 設 施 概 要
驗裝置示意如圖 3.14 所示。橫主管部分之模擬污物則是採用符合上述實驗方法所訂 定試體之條狀海綿體（比重約為 1.05），每次二枚，並以隨機方式將模擬污物投入 馬桶，而在馬桶排水後，檢視模擬污物之排流狀況，並逐一確認模擬污物隨排水流 體通過橫主管之距離，以檢核排水橫管系統污物搬送能力，並比較排水流量、排水 樓層高度、排水橫主管管徑及洩水坡度與搬送性能的相關性。
圖 3.12 整體衛生管路系統圖 圖 3.13 局部/整體實驗設施示意圖[10]
圖 3.14 馬桶器具污物搬送能力實驗裝置示意圖[10]
另針對馬桶單體的搬送距離試驗，除了以條狀海綿作為模擬污物外，並採用捲
塔周圍空間，建置局部橫支管路實驗設施，並設置於實驗塔底層及側面走道空間。
已增設完成之實驗設施構成如圖3.16 及 3.17 所示，為配合實驗設計之高變動 性，以及便於觀察量測，在實驗管材之選用方面，採用長度2m 之透明壓克力管，
並以快速接頭或止水帶進行接合，而在污物投入端之馬桶器具側，則是採用附滾輪 之活動台架方式，以便未來管路轉折時，能有效提升實驗性能之機動性。
圖 3.16 排水橫管 45 度轉折修改狀況 [4] [10]
圖 3.17 局部實驗設施構成示意圖
給水軟管
活動台架 排水橫支管 快速接頭
45度排水方式
90度排水方式 0度排水方式
此外，圖3.18 及圖 3.19 為本實驗設置之省水器具横支管路排水系統，由 3D 模擬示意圖中可呈現馬桶器具實驗鐵架、透明壓克力排水橫支管路及回收水箱等，
可試驗並檢測各馬桶器具之排水性能，進一步探討橫支管路之斜率、彎折位置與距 離及排放水量間之相互關係。
圖 3.18 局部實驗設施構成 3D 示意圖[10]
圖 3.19 現有實驗塔之使用範圍[3] [4] [5]
實 驗 平 台 北 向 立 面 圖 S c a l e : 1 / 1 0 0
第 三 節 國 際 間 相 關 試 驗 方 法 與 流 程
目前國際間僅有針對衛生器具污物傑淨能力之相關試驗標準方法可依循，並無
目前國際間僅有針對衛生器具污物傑淨能力之相關試驗標準方法可依循，並無