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。[2] [3] [5] [10] [11]

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 Wyly-Eaton(1952)推導出立管終端流速理論。^{[3] [5]}立管終端流速理論據便利性但缺乏 對於排水管內之流體特性解析及對管內空氣壓力變動探討。

其後日本所提出的給排水設計規範HASS-206 早期仍以排水器具單位法做管路 設計規劃。爾後則針對排水管內之流體特性及管內空氣壓力變動研究，提出定常流 量法再修訂設計規範。日本所給排水設計規範修正流體特性與同時使用率等問題使 其與器具單位法有所區別。

建築物給排水系統由於是採行重力式排水，在排水立管內的變動是由空氣、水 流、污物等交互作用，是混相的流體現象。由於受到重力的條件限制，在立管方面 的研究多採用實體模型來做實驗。依據文獻指出，排水橫管與排水立管之組合型態

會影響排水立管之排水性能，不當的設計容易引起排水立管內空氣壓力分布之不正 常，更易造成建築物低樓層衛生器具存水彎產生跳水與破封現象，造成居住環境的 衛生問題。而排水橫管之搬送污物能力亦為橫管之主要性能，搬送能力之强弱是橫 管最主要的課題之ㄧ，故橫管須具備滿足良好之搬送污物能力，與不影響立管性能 之兩項要點。而相關水平橫管性能研究文獻，有鎌田於 1986 提出的最小必要流速 探討以及L.Galowin 等在 1990 年後陸續發表於 CIB-W62 的論文，排水系統實驗性 之研究及測試方法方面的研究發展歷程簡述如下，相關內容如表2.1 所示。

1.排水立管排水流速測定

Wyly 於 1961 年提出排水立管內環狀流的理論之後，1972 年日本學者後藤與 1973 年美國學者 B.J.Pink 兩者先後都以實驗或理論等方式來計算排水立管的流速，

然其理論均無法確切的推算出論點^{[4] [5]}。之後，日本學者塚越等於1981 年採用將鹽 水注入排水立管，並在立管兩點間設置細微的電極感知器，以鹽水導電的原理嘗試 求出計算立管流速的可能^[5]；而在1994 年日本學者坂上等利用排水立管充灌水來量 測充水速率，並還原推估為排水立管內的流水速度。^[5]

2.通氣流量測定

排水通氣研究中，單獨量測通氣流量較易於排水流體混相流速之量測。1973 年Pink、1974 年 Schlag 等以熱線風速計量測排水通氣管內之空氣流速，其後日本 方面亦沿用此方法量測通氣流量。1988 年齋藤、大塚等提出通氣流量與管內空氣壓 力變動之關係，1996 年鄭政利、鎌田、倉淵等根據實驗，修正齋藤、大塚等提出的 公式，並預測管內平均壓力分布與通氣流量。[2] [10] [11]

3.排水立管內空氣壓力變動測定

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 排水立管管內空氣壓力分布實測圖形並進行解析^{[3] [15]}，此外，日本1990 年於住宅 都市公團實驗場建構108 公尺高的排水實驗塔，進行超高層建築排水立管管內空氣 壓力分布解析研究，鄭政利、鎌田、倉淵等於 1996 年提出排水立管內空氣壓力分 布預測模式^{[14] [15]}；同時，英國學者 J.A.Swaffield 等則針對雙管式系統發表相關立 管管內壓力預測理論模式與實驗解析結果^{[3] [12]}。

4.排水橫管般送污物能力

排水橫管與排水立管之組合型態會影響排水立管之排水性能，不當的設計容易

引起排水立管內空氣壓力分布之不正常，更易造成建築物低樓層衛生器具存水彎產 生跳水與破封現象，造成居住環境的衛生問題。而排水橫管之搬送污物能力為橫管 之主要性能，搬送能力的强弱是橫管最主要的課題之ㄧ，故橫管必須滿足不能影響 立管性能且需有良好的搬送污物能力等兩項要點。而相關水平橫管性能研究文獻，

有鎌田於1986 提出的最小必要流速探討以及 L.Galowin 等在 1990 年後陸續發表於 CIB-W62 的論文[7] [13] [17][18]。

5.建築污水排水立管性能實驗研究

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 管的污物搬送性能等進行實驗研究；以單管排水立管系統為基礎，延伸探討台灣普 遍應用的排水通氣二立管系統性能，前階段之研究工作重點將是探討實體模型排水 試驗方法，以及不同排水立管系統的垂直立管壓力分佈，並檢討可能造成衛生器具 存水彎水封破壞的壓力規模與發生位置，確立未來設計查核的重要項目，規劃性能 測試之標準作業程序﹔此外，並利用排水實驗量測記錄排水橫主管在不同管徑、不 同洩水坡度與是否有水平彎管設計的水平橫管污物搬送能力，以比較分析配管管 徑、洩水坡度等對於排水掃流能力的影響[2] [3] [4] [5][7]

。建築給排水設備是建築物重 要設備，也是綠建築省資源及提升環境品質的基礎發展課題，評估可行之排水系統 性能試驗程序，將可擴大提升整體設計水準與使用機能。

表2.1 建築排水系統性能理論研究之演變

研究主題 研究人員 主要研究內容

後藤(1972) B.J.Pink (1973)

以實驗方法或理論嘗試推導排水立管排水流下 速度。

塚越(1981) 鹽水投入於立管兩點間之微小電極感知器測定 排水流速。

排 水 立 管 流 速

坂上(1994) 利用立管內充水率之測定推算排水流速。

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。

通氣流量

鄭政利、鎌田、倉 淵等(1996)

根據實驗修正公式，預測管內平均壓力分布與通 氣流量。

排 水 立 管 內 空 氣 壓 力 變 動

齋藤、大塚(1988)

建立 30 公尺左右之實體模型，量測出立管管內 壓力分布實測圖形及解析與探討。

1990 年建造 108 公尺排水實驗塔，測試解析超 高層建築排水立管之壓力分布。

鄭政利、鎌田、倉 淵等(1996)、

J.A.Swaffield(1996 )

根據實驗解析結果，提出立管內空氣壓力分布預 測模式。

立管內壓力預測理論模式與實驗解析結果。

呂文弘、鄭政利、

沈明德(2005)

根據中高層排水通氣立管之組合實驗，以半經驗 模式建立二管式排水立管內空氣壓力變動預測 模式。

排 水 橫 管 搬 送污物能力

鎌田(1986) 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。