第二章 文獻回顧與排水設計理論探討
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 正式建築排水系統之橫管污物搬送能力試驗方法被提出，以下就各國所採用之測試 方法或程序提出比較說明：
1.日本試驗方法：
選定不同沖水量之馬桶器具作為待測標的，並納入支管不同洩水坡度條件控制 實驗變因，污物部分則選定 P.V.A sponge 為主。
初步解析結果如圖 3.20 至圖 3.23 所示，包括：（1）污物容易在 1.0 重力下被水 帶走（2）當沖水量降低至標準水量 50%以下時，JIS 馬桶型式污物搬送性能亦降低
（3）當洩水坡度與沖水量條件相同下，水平橫管之管徑會使以 75mm 搬遠於 100mm
（4）當管徑相同時，洩水坡度 1/50 會搬移污物較遠於 1/100，因搬移速度較快（5）
當設計管徑小，洩水坡度較大時，能使沖水馬桶有較好的掃流性能。[10]
圖 3.20 橫管架設平面示意圖
圖 3.21 橫管架設與器具裝置
圖 3.22 試體選樣
圖 3.23 污物搬送距離試驗
2.美國試驗方法 J. Dirksen[10] [16]
由 2004 年 CIB 發表之污物搬移距離初步成果，可得知以下結果：（1）測試實 體的本身選定亦可作為研究項目（2）不管測試方法與操作，生鐵和 PVC 管因粗糙 係數對試體搬移距離有影響（3）立管伸頂有無通氣排水系統會影響排水曲線（4）
不同管道系統對污物搬送距離影響低速排水馬桶排水曲線，如圖 3.24 至圖 3.27。
圖 3.24 沖水馬桶架設示意圖
圖 3.25 橫管架設與器具裝置
圖 3.26 試體選樣
試體本身的模擬真實性質量、比重、構成、使用損壞率、
試體種類(膠狀體、紙張 120~250g，75%水、1/3 活菌，
1/3 死菌、不能消化物質質量 250g，密度 70P 立方，直 徑 1.5in，長 4in。
圖 3.27 污物搬送距離試驗
3.美國試驗方法L.Galowin[10] [18]
ASME 美國機械工程師學會/ANSI 美國國家標準學會 A112.19.2(2) &19.6(3)新 修正對於沖水馬桶之相關規定，其中包含（1）A112.19.2 結合材料與污物搬送性能 之要求，刪除（2）ASME/ANSI A112.19.6 沖水馬桶與小便斗之污物搬送性能要求，，
摘要項目如圖 3.28 至圖 3.30，綱要標準更新包括:
1.沖水馬桶排放之模擬污物材料。
2.便盆具有 75%模擬污物之清潔度。
3.依照四種不同類型之建築物有不同程度之污物搬送性能。
4.刪除污物搬送距離測試。
圖 3.28 標準測試材質要求
圖 3.29 試體選樣
圖 3.30 初步試驗結果
第 四 節 我 國 衛 生 器 具 本 體 性 能 檢 測 現 況
我國在建築用衛生器具之性能測定設施建置上，本研究初步蒐集數項可供本案 參據之馬桶器具性能實驗設施，並藉由參訪瞭解其操作程序，對於後續檢討整體排 水系統之污物搬送能力，有明確且寶貴之助益。目前包括：不同污物之清潔能力、
髒污潔淨能力、橫管污物搬送能力、器具結構強度等。
國內器具廠商及國內研發檢測機關一般僅參照國際既有規範標準，針對器具產 品本體性能進行測試，除工研院有開放對外接受檢測服務外，器具廠商則採內部檢 測實驗室（In-House Testing Laborotary.）之性質營運。惟有關衛生器具本體水路構 造之新設計個案並不普遍，且類型寥寥可數，其性能測試評定之委託業務量相對極 少。故目前國內之衛生器具測試實驗設備，多以金屬類或閥類之耐久性或操作次數 檢測為主，以及因應衛生器具爆裂所新增國家標準的結構強度測試項目等為主。目 前國內相關機構所建置之衛生器具設備相關實驗設施，如圖 3.31 所示。
圖 3.31 器具排水實驗平台與橫管污物搬送性能實驗設施
圖 3.31 器具排水實驗平台與橫管污物搬送性能實驗設施