省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討

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(1)省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 內政部建築研究所協同研究報告中華民國 95 年 12 月.

(2) 095301070000G3405. 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 計畫主持人：陳組長瑞鈴協同主持人：鄭教授政利研. 究. 員：呂文弘. 研究助理：嚴佳茹、何昆錡王瑞婷、廖婉茹李維倫. 內政部建築研究所協同研究報告中華民國 95 年 12 月.

(3) ARCHITECTURE & BUILDING RESEARCH INSTITUTE MINISTRY OF INTERIOR RESEARCH PROJECT REPORT. Experimental of lower volume closet in the drainage system performance Sub-project I: Experimental of lower volume closet in the drainage system performance. BY JUI LING CHEN CHENG LI CHENG WEN HUNG LU CHIA JU YEN KUEN CHI HO WAN JR WANG WAU RU LIAO WEI LUN LI DECEMBER 20, 2006.

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(5) 目次. 目次表次....................................................................................Ⅲ 圖次....................................................................................Ⅳ 摘要....................................................................................Ⅸ 第一章緒論..................................................................01 第一節研究動機與背景............................................01 第二節研究目的與範圍............................................03 第三節研究方法與流程............................................06 第二章文獻與相關理論回顧............................................11 第一節國內外排水系統相關理論與規範探討...........12 第二節國內省水器具相關理論與規範探討...............18 第三節國內省水氣具發展趨勢.................................21 第四節污物搬送性能理論基礎.................................23 第五節三維電腦軟體模擬之理論基礎......................32 第三章排水橫主管路性能實驗與解析.............................35 第一節實驗設施簡介...............................................35 第二節實驗對象簡介...............................................40 第三節實驗程序說明...............................................43 第四節實驗結果分析...............................................44 第五節小節.............................................................59 第四章污物搬送性能預測式建立與驗證.........................61 第一節污物搬送性能之流體現象及理論..................62 I.

(6) 目次. 第二節預測式之建立...............................................64 第三節預測式之驗證與試算....................................73 第四節國內排水相關條文增訂編修建議..................84 第五節小節.............. ..............................................86 第五章軟體模擬排水系統..............................................87 第一節模擬軟體之簡介與概念................................87 第二節軟體運算方式與設定...................................89 第三節電腦軟體模擬運算成果與呈現.....................95 第六章結論與建議.........................................................99 第一節結論.............................................................99 第二節建議............................................................101. 附錄一............................................................................103 附錄二............................................................................104 附錄三............................................................................105 參考書目........................................................................109. Ⅱ.

(7) 表次. 表次表 2. 1 建築排水系統性能理論研究之演變……………….13 表 2. 2 國際排水研討會歷年橫管掃流力理論之研究…….14 表 2. 3 國內外排水系統相關規範一覽表………………….15 表 2. 4 A112.19.2-2003 搬送性能相關規範表..................17 表 2. 5 省水標章省水馬桶規範說明..................................19 表 2. 6 CNS3220 各規範列表………………………………20 表 2. 7 省水馬桶沖水量效益評估表………………………..22 表 3. 1 受測省水馬桶基本資料………………………..……41 表 3. 2 受測試體基本資料表………………………………..42 表 3. 3 實驗操作因子項目一覽表…………………………..44 表 3. 4 橫主管不同馬桶型式污物搬送距離一覽表………..46 表 4. 1 流量與終極流速關係表……………………………..67 表 4. 2 污物搬送距離試算表………………………………..71 表 4. 3 污物搬送預測式驗證參數表………………………..74 表 4. 4 污物搬送預測式-馬桶沖水量試算表……………….77 表 4. 5 污物搬送預測式-馬桶排放點高程試算表………….79 表 4. 6 污物搬送預測式-橫主管管徑試算表……………….81 表 4. 7 污物搬送預測式-管材之摩擦係數試算表………….82 表 4.8. 建議增修條文說明對照說明表…………………….84. 表 4.9. 排水橫管之坡度…………………………………….85. III.

(8) 圖次. 圖次圖 1.1 研究流程圖…………………………………………...09 圖 2.1 第二章研究架構圖……….......................................11 圖 2.2 省水標章圖樣…………….......................................20 圖 2.3 明渠流流體現象斷面概念圖…................................23 圖 2.4 明渠流渠斷面分類圖…….......................................24 圖 2.5 明渠流流體現象概念圖..........................................24 圖 2.6 明渠流流體現象分類圖..........................................27 圖 2.7 明渠流流體現象解析圖..........................................28 圖 2.8 軟體模擬單線界面建構流體之方法與概念圖.........34 圖 3.1 第三章研究架構流程圖………………………..........35 圖 3.2 實驗空間說明與實驗平台位置………………..........36 圖 3.3 實驗設施構成圖………………………………..........37 圖 3.4 實驗平台設施照片……………………………..........38 圖 3.5 實驗平台各層平面與管路位置圖……………..........38 圖 3.6 實驗排水管路配管方式現況圖………………..........39 圖 3.7 排水橫主管路設施現況………………………..........39 Ⅳ.

(9) 圖次. 圖 3.8 實驗平台換裝省水馬桶………………………..........40 圖 3.9. 排水橫主管省水馬桶搬送性能實驗之標準程. 序……………………………………………………………….43 圖 3.10 單管系統-橫主管直通-非省水器具-5F.4F 污物搬送距離分佈圖及比例圖………………………………………….47 圖 3.11 單管系統-橫主管直通-非省水器具-3F.2F 污物搬送距離分佈圖及比例圖………………………………………….48 圖 3.12 單管系統-橫主管直通-非省水器具-2F-5F 污物搬送距離比例圖…………………………………………………….49 圖 3.13 單管系統-橫主管直通-省水器具（T1）-5F.4F 污物搬送距離分佈圖及比例圖…………………………………….50 圖 3.14 單管系統-橫主管直通-省水器具（T1）-3F.2F 污物搬送距離分佈圖及比例圖…………………………………….51 圖 3.15 單管系統-橫主管直通-省水器具（T1）-2F-5F 污物搬送距離比例圖……………………………………………….52. V.

(10) 圖次. 圖 3.16 單管系統-橫主管直通-省水器具（T2）-5F.4F 污物搬送距離分佈圖及比例圖…………………………………….53 圖 3.17 單管系統-橫主管直通-省水器具（T2）-3F.2F 污物搬送距離分佈圖及比例圖…………………………………….54 圖 3.18 單管系統-橫主管直通-省水器具（T2）-2F-5F 污物搬送距離比例圖……………………………………………….55 圖 3.19 單管系統-橫主管直通-省水器具（T3）-5F.4F 污物搬送距離分佈圖及比例圖…………………………………….56 圖 3.20 單管系統-橫主管直通-省水器具（T3）-3F.2F 污物搬送距離分佈圖及比例圖…………………………………….57 圖 3.21 單管系統-橫主管直通-省水器具（T2）-2F-5F 污物搬送距離比例圖……………………………………………….58 圖 4. 1 第四章研究架構圖………………………………….61 圖 4. 2 排水系統內之流體現象圖………………………….63 圖 4. 3 建築排水管路內屋物搬送流體現象概念圖……….64 圖 4. 4 建築排水管路污物搬送流體公式架構圖…….……65. Ⅵ.

(11) 圖次. 圖 4. 5 橫管內水流深度及污物搬送概念圖……………….68 圖 4. 6 馬桶污物搬送性能預測式之操作架構圖……........72 圖 4. 7 馬桶污物搬送性能預測式之驗證架構圖……….....73 圖 4. 8 污物搬送距離之預測值與實測值驗證散佈圖…….75 圖 4. 9 污物搬送預測式預測架構圖……………………….76 圖 4. 10 馬桶沖水量變化圖………………………………...77 圖 4. 11 污物搬送預測式-馬桶沖水量預測值推估圖…..…78 圖 4. 12 污物搬送預測式-馬桶排放點高程預測值推估…..79 圖 4. 13 橫主管管徑-水深變化圖……………………..……80 圖 4. 14 污物搬送預測式-橫管管徑預測值推估圖…..……81 圖 4. 15 污物搬送預測式-管材之摩擦係數預測值推估..…83 圖 5.1 主要模擬對象及後續研究階段…………………...…88 圖 5.2 非結構網格建製之三維數值模型與計算流程概念 ……………………………………………………………...90 圖 5.3 電腦模擬前處理部份之六面體網格設定………...…91. VII.

(12) 圖次. 圖 5.4 非結構網格與六面體結構網格建製之三維數值模型……………………………………………………………….92 圖 5.5 CFD-VIEW 的使用流程圖………………………….94 圖 5.6 單管重力式排水系統三維數值模型模擬示意圖......95 圖 5.7 軟體結購網格之三維數值模型與實際排水管路系統……………………………………………………………….96 圖 5.8. 45 度轉接頭連接排水橫之管與排水立管模擬成. 果………………………………………………………………97 圖 5.9 排水立管排水負荷流至排水橫主管造成之水跳現象模擬成果…………………………………………………………97 圖 5.10 模擬排水系統之排水負荷情形……………………98. Ⅷ.

(13) 摘要. 摘要關鍵詞：省水馬桶、排水管路性能、污物搬送能力. 一、研究緣起目前國內省水器具規範依據經濟部水利署省水標章作業要點(九十二年十二月十二日修正)，省水標章各項產品皆須通過試驗且領有省水標章圖樣，其中產品規格包含洗衣機、一段式省水馬桶、兩段式省水馬桶、兩段式沖水器、一般水龍頭、感應式水龍頭、自閉式水龍頭、蓮蓬頭、省水器材配件、小便斗自動沖水器共計十項目，針對本研究範圍省水馬桶詳細定義為用水量 6L 以下。現階段由於綠建築審查之衛生設備各項產品皆以省水標章為審查依據，是故市面上的產品多全面更新為省水器具，然而，雖然使用省水器具可以對環境減少相當衝擊，但對於排水系統是否能正常運作，並無法由相關文獻中得知，目前日本仍以 8L 為馬桶最低用水量，最主要的考量即為省水馬桶搬送性能對於排水系統是否會產生問題，採取保留的態度。為瞭解省水器具對於排水系統搬送性能之影響，本研究將深入探討其相關性並提出建議條文增訂編修。因省水馬桶最重要的目的除了考量省水、維持洗淨功能外，使整體排水系統功能運作正常其搬送性能的課題更值得令人探討。. 二、研究方法與過程 (一) 文獻回顧與排水系統搬送理論探討本研究首先將透過文獻回顧之方式，掌握國內外省水衛生器具污物搬送能力相關研究成果，並探討現有排水系統污物搬送能力試驗方法與解析理論。包括通氣管部之通氣流量計算、水平橫支管與接頭之流體現象、垂直立管部之流體現象與管內壓力分佈、水平橫主管之搬送理論以及存水彎之水封與壓力變動理論等，在評估相關設計理論之同時，也將比較國外在相關性能試驗與驗證研究方法之經驗，以作為後續實驗解析的工作準則。. IX.

(14) 摘要. (二) 國內外省水器具排水性能規範分析研究在建築排水通氣設備相關之國家標準規範方面，除已普遍商品化之衛生器具，其性能與試驗標準較為周全外，性能評定標準部分，僅有住宅用設備組件之排水試驗法及耐濕與防水試驗法等，但是仍僅屬配管或器具構件部分之規範標準，且標準制定時間亦已久遠，對於建築規劃與設備系統設計、施工及性能驗證需求，並無實質幫助。 (三) 省水衛生器具進行污物排放性能實體模擬試驗本研究將進行省水器具對於排水橫主管排流能力之影響實驗，以模擬單管式排水伸頂通氣系統、立管管徑 100mm、洩水坡度 1/100 的狀況下，探討省水馬桶衛生器具之污物搬送性能與樓層高度在 2 至 5 層樓之關係；另外，對於排水橫支管排流能力之影響實驗，以模擬單管式排水伸頂通氣系統、橫支管管徑 100mm、 75mm 及洩水坡度 1/100、1/200 的狀況下，探討省水馬桶衛生器具之污物搬送性能與橫支管管徑、洩水坡度之關係。 (四) 建立省水馬桶污物搬送性能預測式，預測省水器具之排水性能除進行橫主管與橫支管實體模擬實驗外，也將馬桶衛生器具污物搬送現象以流體理論推導方式，確立省水馬桶污物搬送性能預測式組成因子（排水樓層高度、排水量、橫主管管徑、管壁摩擦係數、洩水坡度）與推導公式，並以實驗數據加以實證預測式之有效性。 (五)電腦模擬計算流體力學本研究建構之 CFD 數值模型包括單管排水系統的三維幾何模型、計算區域的非結構網格、流場之統御方程式與邊界條件。運用此數值模型模擬 4l/s 排水流量於排水管中的管內流場模式，以比較排水流量變化導致管內空氣壓力與排水流速變動的狀況，並與先前實證研究結果進行比對以驗證數值模型的可信度與有效性。不同排水流量會導致相當複雜的管內流場模式變化，而經由電腦計算模擬獲得之詳盡數據有助於排水系統的深度探討，並可將大量數據視覺化以有效地呈現管內流場的複雜現象。. X.

(15) 摘要. 三、重要發現藉由排水理論與省水馬桶文獻回顧之解析，以及國內外相關省水馬桶設計規範與試驗方法之檢討，本研究針對國內衛生器具與省水器具使用現況進行調查作為實驗之基礎，並實際運用衛生管路實驗設施，進行省水馬桶橫主管及橫支管污物搬送性能實驗，探討不同樓層高度、洩水坡度、排水管徑與馬桶型式之研究，比較分析模擬污物於各項實驗操作因子下排水橫主管與橫支管的距離分佈與通過率比較。最後，探討污物搬送流體現象之流體理論，藉由相關理論推導及實驗驗證下建立污物搬送預測式。茲簡要歸納研究成果與結論如下： (一)排水橫主管污物搬送性能測試：（1）本研究就省水與非省水衛生器具進行橫主管污物搬送性能實驗，其操作實驗因子包含馬桶型式（6L 省水馬桶 / 9L 非省水馬桶）、排水系統（橫主管單管系統、橫支管）、排水管徑、排水洩水坡度（1/100、1/200）及排水高程。（2）實驗數據中，可觀察發現在單管系統直通管的實驗條件下，衛生器具排水量的不同對於模擬污物搬送距離有顯著影響，非省水器具模擬污物平均搬送距離在 8.0 (±2.0)公尺，省水馬桶平均搬送距離在 2.6 (±0.66)公尺。主要分布距離差達 4 公尺。同時模擬污物之通過率由 90%(±5%)降低為 60% (±10%)，下降幅度大約為 30%左右，判定排水量對模擬污物通過橫管比例有明顯的影響。 (二)省水馬桶污物搬送性能預測式：（1）本研究配合排水系統管內流體物理現象，進行相關流體理論歸納及彙整，釐清並定義其所屬範圍。將排水系統分區為排水橫支管部、排水力管部、排水橫主管前端部及排水橫主管部四大區。（2）並透過預測式就各參數因子馬桶沖水量、曼寧係數、橫主管洩水坡度及橫主管管徑進行推導，BP 區排水橫支管部中，利用實體模擬實驗所量測之最大瞬時流量 Qmax，經係數修正而求得流量值。（3）VS 區排水垂直立管部中，藉由水量在立管中隨重力加速度下平衡後達到終. XI.

(16) 摘要. 極流速值；由 BP、VS 區所求得之流量值及流速值計算 MF 區排水橫主管前端部水流之水斷面積 A。（4）MB 區排水橫主管部中，水斷面積 A 推導水斷面深度 y 及水力半徑 Rh，利用曼寧公式及一維能量方程式計算水斷面流速 V 及水流自由表面之流速 Vm、水力半徑 Rhm 及斜率 Sm，取得水深 y 及流程 x 之關係值，最後試算出水深 y 至 2.2cm 時污物停滯之污物搬送距離 x。（5）最後透過實證方法，建立污物搬送性能預測模式，且模擬預測結果大致可以再現一般低層單管排水系統污物搬送距離之平均值。故本預測模式亦可提供作為後續整體排水系統評估之參考基礎。四、建議針對上述階段性計畫成果，本研究提出建議如下： (一)在文獻回顧與操作過程中發現，國內外相關機構或標準中，仍不斷對於污物搬送性能之各項因子進行研究，以探求合宜的省水器具與試驗材料，不但從實驗試體至各系統間的差異比較，皆能引入新課題，未來應可持續整合相關公共衛生領域研究團隊，以全面提升衛生器具本身與排水系統結合之最佳性能。 (二)目前相關省水單位僅針對省水器具之潔淨度進行各項研究與試驗，而本研究已陸續完成部分省水馬桶於排水系統之污物搬送性能研究，建議可進一步針對其他省水器具對排水系統之性能如支管彎折等更進一步複雜因子作後續研究。 (三)本研究中建立之預測數據是依據前述樓高五層之衛生管路實驗設施，進行模擬實驗所得，目前省水馬桶僅完成部分樓層高與污物搬送性能研究，為確保及提升省水馬桶污物搬送性能預測式之準確度和可靠度，建議後續可於更高樓層數之衛生實驗設施進行省水馬桶搬送性能測試並擴大至各排水系統，更可全面化探討其性能，以達成節省水資源之目標下，並確保整體系統之基本排水性能。 (四)本研究完成搬送性能之初步各項實驗影響因子，其影響因子包含用水量、管徑、橫管長度、洩水坡度，透過大量實驗化與解析後方可作為相關規範之設計準則基礎，尚須擴大研究範圍與實驗操作因子，得以確立各項影響因子之搬送性能。依. XII.

(17) 摘要. 據研究成果，排水系統之橫支管洩水坡度與橫支管之總配置長度應予以適當規範編定。 (五)本研究初步提出原則性之條文規定增訂編修建議，初步訂定建築排水系統橫主管路性能設置規範草案，並增訂第三十二條之六之條文內容說明，待累積後續研究成果後，加以調整修訂，作為日後法制化之參考依據。 (六)將既有之實驗數據資料，彙整、建立成資料庫，以供日後研究人員，擁有大量實驗數據，以利查閱及深入分析、探討。 (七)在電腦模擬方面，可突破現有實驗設施之侷限，並且將流體力學計算之大量數據，加以分析，可深入探討管內流體負荷之流體現象。. XIII.

(18) 摘要. XIV.

(19) 摘要. ABSTRACT Keywords: lower volume closet, performance of drainage system, ordure distance transfer Taiwan has been listed on the lacking of water country by the United Nations. During the period of waterless conditions, the saving water policies has adopted not only by new buildings but also office building and residence house in generally. Obviously, using the lower volume closet had proved effectively. But that may cause other difficulty of ordure transfer performance in drainage system when decreasing flush volume twice as much. This research focus on the lower volume closet transfer performance and the regulation, which was used for 30 years, revised to lead into the lower volume closet. This year research direction and context will follow by step: 1.. Reference of past research and technical application generalize.. 2. Investigation and agenda the lower volume closet practice in real building. 3.. Experiment the lower volume closet transfer performance.. 4. Analyze experiment data and identify the influence factor, which may reduce the transfer distance. 5.. Regulation revised or set up for appliance recommendation. Secondly, this research will hold the international symposium during the year.. 6.. This research addresses the initial criterion idea of regulation, to draw up the performance of main drain of drainage system. Moreover, this research tries to revise and augment the article of number 32-6 of regulation after follow-up research. In addition, the regulation will made final adjustment according to the final result of research. XV.

(20) 摘要. XVI.

(21) 第一章緒論. 第一章緒論第一節. 研究動機與背景. 節省水資源之觀念，近年來在政府各級單位與民間團體之努力下，藉由相關法令規範之編修、電子與平面媒體之宣導、教育政策之提倡以及專題學術研究之成果發表等，一般民眾均已體認節省水資源之重要性［D-2］，而台灣雖然在先天地理位置與氣候環境之條件下，屬於典型海島型雨量充沛區域，但由於河流短促與過度開發等眾多因素，致使水資源無法有效加以利用，加上早期國人對於節省水資源之觀念較為缺乏，造成國內缺水問題一直未能獲得有效改善，使我國成為國際間雨量豐沛卻依然存在水資源匱乏問題之國家。依據既有研究有關針對住宅用水行為之調查結果顯示，衛浴廁所之用水比例極高，約佔總用水量之五成。此一現象顯示若從日常衛浴設備進行節水，將可獲顯著之省水效益，若以馬桶為例，台灣過去採用之馬桶沖水量為 13 公升，而現行省水型馬桶沖水量則為 6 公升（兩段式小便用 3 公升），相差近兩倍以上，若配合採用兩段式沖水形式，將可節省更多的用水量。而經濟部水利署（前水資源局）為全面推動節約用水，於 1998 年 1 月頒訂「省水標章作業要點」，並提倡省水標章制度，期望在不影響原用水習慣之前提之下，達到節約用水之目的，而目前台灣使用之日常生活省水器具，則包括省水馬桶、兩段式沖水器、省水龍頭、蓮蓬頭、小便器等形式。在各類省水器具相繼被開發使用之情形下，省水型馬桶衛生器具，並非如其他器具只有單純用水量之減少，其水量多寡將直接或間接影響建築物排水系統內污物沖洗搬送之能力。雖然水利署所訂定之規格中，已載明省水型馬桶器具沖刷能力之規定【該類產品須通過 CNS 3221 洗淨、漏水、漏氣及排水路性能試驗；另依美國機械工程師協會 ASME A112.19.6-1995 試驗標. 1.

(22) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 準，平均每顆浮球移動距離達 13 公尺以上】。但因其規格只限於產品本身之沖刷能力，其裝設後對於建築物之排水系統污物搬送能力，則有待進一步驗證。截至 2006 年 6 月 22 日止，國內通過水資源局「省水器具」標章認證之馬桶類產品共計 125 件［D-2］（其中一段式省水馬桶 93 件，兩段式省水馬桶 32 件），因各家廠商所設計之馬桶形式及沖水機制各異，也直接影響到省水效果及污物搬送之能力，因此有必要針對國內常用之各類型省水馬桶，進行實驗驗證與相關探討。而在省水型馬桶大幅推廣以致被廣泛換裝使用以來，早期依據非省水型器具所設計之排水系統型式、管徑及洩水坡度等，是否依然能在用水量減少之情形下，順利將污物搬送至污水處理設備，值得進一步分析探討，加上國內目前關於建築排水系統及衛生器具之相關規範，主要依據建築技術規則第二章（給水排水系統及衛生設備）之相關規定，由於該法條已沿用多年而未加以修訂［A-13］，且對於省水型器具於整體建築排水系統所產生之影響亦須加以評估與釐清，因此本研究爲釐清上述課題與疑慮，將利用流體現象及理論進行排水管路污物搬送之預測式推導，並以實驗驗證配合修正污物搬送性能之有效性，期待透過此性能預測式之建立，可作為未來系統設計階段之檢核依據以及既有案例之評估工具，並藉由預測式之組成因子判定，查核可能引發問題之課題點，作為設計階段與既有案例之參考依循，以確保整體排水通氣系統就性能提升與維持，以符合健康、安全、衛生、環保減廢等各項環境需求。. 2.

(23) 第一章緒論. 第二節. 研究目的與範圍. 本研究擬透過文獻回顧之整理，與其他先進國家相關之省水器具規範作歸納彙整，並針對省水器具應用現況與課題進行調查分析，同時配合省水馬桶衛生器具污物搬送之排水流體理論，並就省水馬桶之排水性能進行實驗實測，建立省水馬桶污物搬送性能之預測模式，最後運用 CFD(Computational Fluid Dynamics)電腦模擬軟體，進一步分析管內複雜之流體現象，因此有關本研究之目的可歸納如下： 1.以文獻回顧與現況調查方式，收集彙整國內外省水型馬桶之相關理論及使用現況，作為省水馬桶污物搬送性能預測式組成因子之取樣參考。 2.利用既有衛生管路實驗設施進行省水型馬桶之排水性能進行實驗解析工作，並比較非省水與省水型馬桶之排水性能差異，進一步探討影響變因，作為研擬排水性能改善對策之依據及後續預測模式建立之參考。 3.藉由流體理論之推導及實驗數據驗證，建立省水馬桶污物搬送性能預測式，並嘗試探討不同因子（包括配管管徑、管材及洩水坡度等…）對整體搬送性能之影響等。 4.運用電腦模擬軟體，模擬排水管內有關排水負荷之流體運動與現象，並進一步加以分析其水流狀態及管內壓力分布情形，配合電腦模擬計算產生之數據，運用 3D 動畫呈現管內流體現象。 5.綜合上述研究成果，研議既有建築排水系統與管路設施及設計方法，採用省水馬桶之改善對策。. 3.

(24) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 而有關本研究之範圍方面，可依據研究對象、污物搬送性能預測式及電腦模擬計算流體力學等要項進行界定，簡要分述如下： 1.研究對象界定依據經濟部水利署［D-2］所頒訂「省水標章作業要點」中，對於馬桶類省水衛生器具之定義，一段式省水馬桶每次沖水量須在 6 公升以下（含），及兩段式省水馬桶每次沖水量分為大號須在公升以下（含）及小號須在 3 公升以下（含）。內容包含馬桶衛生器具之沖水量、洗淨力、性能測試等相關規定。因此，本研究對於研究對象之界定，即以國內 3 款符合上述要求之省水馬桶衛生器具為主。. 2.污物搬送性能預測式之研究範圍界定在節約水資源政策之推動下，於建築設計與規劃之過程中，除依據個案使用者需求與衛生器具數量計算外，尚須考量衛生器具規格、排水通氣管路系統類型及配管材質、洩水坡度等條件，相互搭配及整合設計，方能使整體設備系統達成最佳化之目標，因此本研究將針對衛生器具之排水量（6 公升 /9 公升）、排水負荷樓層高度（2 至 5 層樓）、排水橫主管管徑（100mm、75mm）、洩水坡度（1/100、1/200）及配管材質等因素加以探討，而有關系統設計前置階段之使用者需求、設備數量及排水系統類別等，均不在本次研究之討論範圍內。. 3.電腦模擬計算流體力學界定計算流體力學 CFD(Computational Fluid Dynamics)是藉由電腦模擬流體運動過程之一門學問，其內容主要為流體力學、數學、數值方法及電. 4.

(25) 第一章緒論. 腦科技等領域之整合，且應用範圍亦非常廣闊，舉凡航太、汽車、船舶、土木、機械、化工、醫工、電子、材料、大氣與海洋等均包含在內。由於流體運動本身具三維性、時變性與非線性等特質，因此其物理現象非常複雜。此一分析工具除了適於探討參數變化的影響外，其建立之分析資料庫，更可減少實驗所需之工時而縮短設計時程。因此，本研究對於電腦模擬計算流體力學之界定，將運用計算流體力學方法建構單管重力式排水系統之數值模型，進行排水管中定常流之初步模擬分析與模擬結果驗證。另外本數值研究模型之建立，期望可成為後續相關研究之基礎，以進行更完整而有系統之探討，以補充既有足尺模型實證研究之結果，並對於相關排水系統之設計與規範增訂編修提出貢獻。. 5.

(26) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 第三節. 研究方法與流程. 本研究之主要研究目的，為比較探討國內各類型式省水衛生器具之污物搬送性能及其對建築排水系統之影響，研議既有建築排水系統採用省水衛生器具之改善對策。為了達成此一目標，本研究擬以現況調查及實驗驗證兩方面進行研究，將以流體理論推導方式，建立一省水馬桶污物搬送性能預測式。最後，進行電腦模擬計算流體力學，並與先前實證研究結果進行比對以驗證數值模型的可信度與有效性。電腦模擬流體現象可獲得之詳盡數據有助於排水系統的深度探討。本研究之主要研究方法、內容及執行步驟說明如下： 1.文獻回顧與排水系統搬送理論探討本研究首先將透過文獻回顧之方式，掌握國內外省水衛生器具污物搬送能力相關研究成果，並探討現有排水系統污物搬送能力試驗方法與解析理論。包括通氣管部之通氣流量計算、水平橫支管與接頭之流體現象、垂直立管部之流體現象與管內壓力分佈、水平橫主管之搬送理論以及存水彎之水封與壓力變動理論等，在評估相關設計理論之同時，也將比較國外在相關性能試驗與驗證研究方法之經驗，以作為後續實驗解析的工作準則。. 2.國內外省水器具排水性能規範分析研究在建築排水通氣設備相關之國家標準規範方面，除已普遍商品化之衛生器具，其性能與試驗標準較為周全外，性能評定標準部分，僅有住宅用設備組件之排水試驗法及耐濕與防水試驗法［A-16］等，但是仍僅屬配管或器具構件部分之規範標準，且標準制定時間亦已久遠，對於建築規劃與設備系統設計、施工及性能驗證需求，並無實質幫助。. 6.

(27) 第一章緒論. 3.省水衛生器具進行污物排放性能實體模擬試驗本研究將進行省水器具對於排水橫主管排流能力之影響實驗，以模擬單管式排水伸頂通氣系統、立管管徑 100mm、洩水坡度 1/100 的狀況下，探討省水馬桶衛生器具之污物搬送性能與樓層高度在 2 至 5 層樓之關係。. 4.建立省水馬桶污物搬送性能預測式，預測省水器具之排水性能除進行橫主管模擬實驗外，也將馬桶衛生器具污物搬送現象以流體理論推導方式，確立省水馬桶污物搬送性能預測式組成因子（排水樓層高度、排水量、橫主管管徑、管壁摩擦係數、洩水坡度）與推導公式，並以實驗數據加以實證預測式之有效性。 5.電腦模擬計算流體力學本研究建構之 CFD 數值模型包括單管排水系統的三維幾何模型、計算區域的非結構網格、流場之統御方程式與邊界條件。運用此數值模型模擬 4l/s 排水流量於排水管中的管內流場模式，以比較排水流量變化導致管內空氣壓力與排水流速變動的狀況，並與先前實證研究結果進行比對以驗證數值模型的可信度與有效性。不同排水流量會導致相當複雜的管內流場模式變化，而經由電腦計算模擬獲得之詳盡數據有助於排水系統的深度探討，並可將大量數據視覺化，以有效地呈現管內流場的複雜現象。 6.相關法規檢討及研擬改善方案目前國內對於建築排水系統之相關規定，主要乃依據建築技術規則設計施工篇第二章(如第二章第 32 條中即為針對排水管管徑及坡度之規定)。［A-11］. 此相關規範業已沿用多年. ，制定當初未能考慮省水衛生器具排放性能對. 其所造成之影響，因此對於近年所出現之省水衛生器具之間的對應情形有. 7.

(28) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 待進行進一步的驗證及檢討。本研究將應用前述實驗解析結果，檢討現行建築技術規則部份設計規範內容，以作為推動新基準或規範之基礎，切合設備技術發展之需求。而經由上述針對本研究之方法與程序進行分項簡要說明後，有關整體研究之流程，如圖 1-1 所示. 8.

(29) 第一章緒論. 圖 1.1 研究流程圖. 9.

(30) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 10.

(31) 第二章文獻回顧. 第二章. 文獻與相關理論回顧. 經由前述針對研究背景動機、目的範圍及方法流程進行説明後，本章節將持續探討既有排水系統與橫管掃流能力之相關理論，以及整理歸納國內外既有規範、標章之規範內容，其後探討污物般送之理論基礎，並簡要分析三維電腦模擬之理論基礎，本章整體架構如圖 2.1 所示: 相關理論文獻彙整. 排水系統整體性能研究. 排水橫管掃流能力研究相關規範探討. 國外規範彙整. 國內規範彙整國內省水器具相關規範彙整. 水利署省水標章. 中華民國國家標準國內省水器具發展趨勢. 省水馬桶發展與現況. 省水馬桶效益評估. 污物搬送理論基礎. 明渠流流體理論. 三維電腦軟體模擬分析. 相關理論基礎. 圖 2.1 第二章研究架構圖. 11.

(32) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 第一節. 國內外排水系統相關理論與規範探討. 1.相關理論文獻排水橫管與排水立管之組合型態會影響排水系統之排水性能，不當的設計容易引起排水立管內空氣壓力分布之異常，且易造成建築物衛生器具存水彎產生破封現象，造成居住環境之衛生問題，而排水橫管之搬送污物能力亦為橫管之主要功用之ㄧ，搬送能力之强弱亦直接影響橫管之性能，故橫管須具備滿足良好之搬送污物能力，以及不影響立管性能之兩項要點。而本研究整理排水系統之既有文獻，匯整相關內容如表 2.1 所示。而有關水平橫管性能之研究文獻，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 之論文［A-14］，依據國際建築給排水研討會 CIB-W62 發表之橫管掃流力、搬移距離與合理基準設計相關理論回顧整理如表 2.2 相關省水馬桶橫管掃流力之文獻回顧，本研究整理 CIB-W62 自 1975 年創立起，針對橫管掃流力於排水管內之搬移模式透過理論、操作實驗等方式進行驗證之研究。由表可看出橫管掃流力之研究仍有陸續重要課題。而國際間之研究主要由 J.A.Swaffield 理論模擬開始，因 1992 年美國能源政策法案（Energy Policy Act,EPAct）因應低流速馬桶之法規要求，而進一步由 L.Galowin 開始進行器具與橫管掃流力之實驗驗證［A-7］。. 12.

(33) 第二章文獻回顧. 表 2.1 建築排水系統性能理論研究之演變[A-3] [A-4] [A-5] [B-1] 研究主題. 排水立管流速. 通氣流量. 研究人員主要研究內容以實驗方法或理論嘗試推導排水立管排水流下速度。後藤(1972) B.J.Pink (1973) 塚越(1981) 坂上(1994) Pink(1973) Schlag(1974) 齋藤、大塚(1988) 鄭政利、鎌田、倉淵等(1996). 鹽水投入於立管兩點間之微小電極感知器測定排水流速。利用立管內充水率之測定推算排水流速。以熱線風速計，量測排水通氣管內之空氣流速。提出通氣流量與管內空氣壓力變動之關係。. 根據實驗修正公式，預測管內平均壓力分布與通氣流量。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。齋藤、大塚(1988) 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。排水立管內空. 氣壓力變動鄭政利、鎌田、倉淵等(1996)、 J.A.Swaffield(19 96) 排水橫管搬送鎌田(1986) 污物能力 L.Galowin(1990). 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。排水橫管最小必要流速之探討。. 13.

(34) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 表 2.2 國際排水研討會歷年橫管掃流力理論之研究[B-2] [B-3] 年代 19 70. 發表人. N.sukashi& 省水馬桶污物搬移離之性能研究 Y.Matsuo. 19 77 19 81 19 85. 排水管內污物之分析. JA Swaffield. 污物搬送性能影響在不穩定流速下之研究 Y.yamamoto 水平橫管流速數值預測理論 & Y.Matsuo Eskil Olsson 瑞典搬送性能要求之流速. 19 92. 污物搬送距離之排水管徑與低流速裝置之簡介建築排水系統內污物研究低流速沖水馬桶對污物搬送之限制調查低流速馬桶，污物測試與搬送沖水馬桶排放之量變曲線. 19 93 19 94 19 96. 橫管排水性能水波動形式電腦輔助分析排水系統之不穩定流速. 19 88 19 89. 研究主題. L.Galowin. 檢測抽水馬桶之掃流力表現要求. 19 97. 以果膠材質污物來看抽水馬桶掃流力之標準需求. 19 98. 標準化模型檢測抽水馬桶掃流力. 19 99. 排水設計污物搬送之合理基準設計. 20 04. 14. J. Dirksen. 排水管內污物搬移距離實驗.

(35) 第二章文獻回顧. 2.相關規範探討目前國內既有建築技術規則設備編雖然明文記載給排水通氣系統之相關規範，然而既有條文內容已多年未加以增訂編修，且內容大多參照歐美及日本等國之規範標準，可能無法滿足現今建築高層化與複雜化之發展，亦可能無法作為專業設計人員之設計參考依循，國內雖然於 1987 年訂定給排水衛生設備技術規範，且內容針對給排水系統有較為詳盡之說明，但該規範僅止於草案階段而未通過立法實行，故無法提供予專業設計者參考依［A-15］. 循之用。本研究整理歐美與日本以及我國現有規範後發現. ，國內相關專. 業技術人員除依既有相關建築管理法令執行設計業務外，亦參考沿用美日等先進國家之規範。而各國普遍採用之排水通氣系統設計規範計有（NPC） National Plumbing Code、（IPC）International Plumbing Code(1995.01)、給排水衛生設備規準‧同解說 HASS-206 (2000)等，如表 2.3 所示：. 表 2.3 國內外排水系統相關規範一覽表［A-14］國外相關規範 N.P.C. 名稱年份章節. 美國給排水標準 1955 第 23 章. 基本原則用語定義衛生器具. 第 10 章. 存水彎給水系統熱水系統排水系統. 第9章第 12 章第6章. 通氣系統. 第8章. 國內相關規範給排水衛生設 I.P.C HASS 206 建築技術規則備技術規範（草國際給排水給排水設設備編案）標準備規準 1995 1967 1974 1987 第 13 章第 10 章共2章6節共 6 編 35 章設備編第二章第1章第 1 編第 2 章第1節第2章第 1 編第 4 章設備編第二章第4章第7章第 2 編第 5 章第2節第 10 章設備編第二章第1節第6章第4章第 2 編第 1 章第5章第5章設備編第四章第 7~8 章第 2 編第 2 章設備編第6章第二章第 1 節第 2 編第 3 章第9章. 15.

(36) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 本研究後續將探討美國國家標準學會之相關規定，如後續內容所示：（1）美國國家標準學會 ANSI (American National Standards Institute) /美國機械工程師協會 ASME（American Society of Mechanical Engineers）美國國家標準學會是非營利性質的民間標準化團體，但它實際上已成為美國國家標準化中心，美國各界標準化活動都圍繞它進行，使政府有關系統和民間系統相互配合，發揮到了政府和民間標準化系統之間的橋梁作用［B-2］， ANSI 協調並指導美國全國的標準化活動，給標準制定、研究和使用單位以幫助，提供國內外標準化情報。同時，又具有行政管理機關的作用。ASME 是 ANSI 五個發起單位之一。ANSI 的機械類標準，主要由它協助提出，並代表美國國家標準委員會技術顧問小組，參加 ISO 的活動。 ASME-A112.19.2-2003 規範主要以陶瓷馬桶器具與搬送性能為規範，範疇包含通則、陶瓷器材質、形狀尺度、沖水器、洗淨性能、製造安裝、材質試驗、馬桶測試、浴廁溢流測試、小便器測試。規範中針對搬送性能測試如下表 2.4 所示：. 16.

(37) 第二章文獻回顧. 表 2.4. A112.19.2-2003 搬送性能相關規範表 ASME-A112.19.2-2003 搬送性能相關規範. 要求項目. 測試項目. 規範要求. 質量：65g，2500 顆粒之 HDPE 直徑：3.8±0.25mm 厚度：2.64±0.38mm 洗淨性能. 少於 125 顆（5％）殘留於便盆. 密度：940-950kg/m³ 質量：15-16g，100 顆粒之尼龍球直徑：6(0.25mm. 少於 5 顆（5％）殘留於便盆. 密度：1.15-1.19kg/m³. 搬送距離. 質量：298(10g，100 顆粒之保利龍球直徑：19(0.4mm. 平均搬移距離 12.2m 以上. 密度：827-849kg/m³. 17.

(38) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 第二節. 國內省水器具相關理論與規範探討. 我國建築排水設備系統之設計，主要是以建築技術規則建築設備編第二章第一節給水排水系統（條文第二十六條至第三十六條）為法令依據［A-11］。建築技術規則對於建築給排水通氣系統相關規定管制內容包括：設計通則、施工試驗、配管材料（應符合國家標準）、排水管管徑及洩水坡度、管路配置之注意事項、排水負荷之器具單位負荷計算標準、排水管路清潔口、存水彎之設置位置、通氣管之型式與設計管徑之計算及排水中固體或污染物之截留或清除裝置等。然前述現行規定自民國 63.2.15 發布施行，迄今已逾三十多餘年尚未修正更新，對應新技術、新設備的快速發展，實已無法滿足現況之需求，同時亦缺乏相關之設計規範或基準。現階段由於綠建築審查之衛生設備各項產品皆以省水標章為審查依據，因此市面上之衛生產品幾乎全面更新為省水器具，因此有必要進一步瞭解省水器具對於排水系統搬送性能之影響，相關標章規範如下： 1.省水標章目前國內省水器具規範以經濟部水利署省水標章［D-2］作業要點(九十二年十二月十二日修正)，省水標章各項產品皆須通過試驗且領有省水標章圖樣（如圖 2.2 所示），其中產品規格包含洗衣機、一段式省水馬桶、兩段式省水馬桶、兩段式沖水器、一般水龍頭、感應式水龍頭、自閉式水龍頭、蓮蓬頭、省水器材配件、小便斗自動沖水器共計十項目，其針對本研究範圍省水馬桶詳細說明列表於表 2.5。. 18.

(39) 第二章文獻回顧. 表 2.5 省水標章省水馬桶規範說明［D-2］規範說明產品規格. 一段式省水馬桶. 兩段式省水馬桶. 產品包含馬桶本體、水箱、水箱配件及沖水器 1.一段式省水馬桶每次沖水量須在6公升以下(含)。 2.馬桶尿液殘留測試之稀釋倍數須在100倍以上。 3.產品須符合CNS3220及CNS3220-1國家標準之品質相關規定。 4.產品須通過CNS3221洗淨、漏水、漏氣、排水路性能試驗；及依美國機械工程師協會 ASME-A112.19.6-1995驗標準，平均每顆浮球移動距離達13公尺以上。 5.產品型錄上應清楚標示該產品馬桶本體、水箱及水箱零件之型號、適用之建築條件與明確之施工說明。 6.若產品僅外觀、顏色等差異而不影響省水功能及品質者，經提供產品差異分析，視為同一系列產品。 1.兩段式省水馬桶每次沖水量大號須在6公升以下(含)，小號須在3公升以下(含)。 2.大號時尿液殘留測試之稀釋倍數須在100倍以上，小號時尿液殘留測試之稀釋倍數須在20倍以上。 3.產品須符合CNS3220及CNS3220-1國家標準品質相關規定。 4.產品須通過CNS3221洗淨、漏水、漏氣、排水路性能試驗；及依美國機械工程師協會 ASME-A112.19.6-1995試驗標準，平均每顆浮球移動距離達13公尺以上 5.產品型錄上應清楚標示該產品馬桶本體、水箱及水箱零件之型號、適用之建築條件與明確之施工說明。 6.若產品僅外觀、顏色等差異而不影響省水功能及品質者，經提供產品差異分析，可視為同一系列產品. 19.

(40) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 圖 2.2. 省水標章圖樣. 2.國家標準（ CNS）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，其各項目列表如下：. 表 2.6. CNS3220 各規範列表. 規範項目. 規範內容. 適用範圍坯體材質. 陶瓷製水洗馬桶以長石、矽石、黏土為主要成分，經高溫燒製而成使用方式 1.坐式 2.蹲式水箱配置 1.單體式 2.雙件式水洗方式 1.沖水式 2.虹吸式 3.噴射式 4.漩渦虹吸式一般水洗馬桶之一次沖水量應在 9 L 以下。若具分一般水洗馬桶段沖水裝置時，小段沖水量應在 4.5 L 以下。省水水洗馬桶之一次沖水量應在 6L 以下。若具分省水水洗馬桶段沖水裝置時，小段沖水量應在 3L 以下。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，染料痕跡完全消失排水性規定木質球能通過馬桶之排水路漏氣性最少需能抵住25mm 水柱之空氣壓力漏水性水量消失不得大於自然蒸發率製造廠商名稱或其商標、種類名稱（或代號）、沖水量、製造年月 CNS 3221（衛生陶瓷器檢驗法）. 種類. 沖水量形狀及尺度外觀品質及性能標示檢驗. 20.

(41) 第二章文獻回顧. 第三節. 國內省水器具發展趨勢. 水利署為配合政府推動節約用水政策，特別研擬自發性鼓勵制度「省水標章」，目的在於藉由消費行為引導市場機能，鼓勵消費者選用驗證合格且產品或包裝上印有易辨圖樣之省水器材，進而激勵廠商生產相關產品，藉此制度使節約用水觀念深植人心，並融入日常生活，共同創造高品質之節水型社會，為國家日漸匱乏之水資源盡一份心力。（1）省水馬桶定義與發展及使用現況［D-2］依照經濟部水利署省水標章作業要點規定為用水量 6L 以下，然而省水馬桶最重要的目的除了使用較一般馬桶少的水量，需要考量省水、維持洗淨功能及搬送性能的三大功能。目前一般非省水馬桶沖水量約在 12～14 公升，我國現有環保標章省水馬桶的規格標準為每次水量不得大於 6 公升，每次沖水的省水效益為 6 公升，則省水效益約為百分之五十。由於水資源的缺乏及水價調高趨勢，節水觀念日受重視。電光、和成、德久(台鷹)、莊頭北、台灣東陶、隆昌、American Standard 及德國 Villerory & Boch 等均有獲環保標章肯定的省水馬桶製品。國外現有省水馬桶沖水量一般在 6 公升，依其沖水量大約可分成二大類，一為 6 公升以下一段式的省水馬桶，如美國、德國等。另一為 9 公升以下並輔以二段式（6 公升及 3 公升），如英國、日本、新加坡、澳洲及中華民國等，澳洲沖水量最少為 6 公升及 3 公升。目前產品通過種類繁多，舉凡省水洗衣機、一段及二段式省水馬桶及各式省水水龍頭等，截至民國九十五年十一月止，符合省水標章之省水器具使用數量已累積達六百多萬枚。 (2)省水馬桶效益評估［A-3］使用省水器具所節約用水量可由溫子文（2004）以住宅作為評估對象所做效益評估表（表 2.7）看出，若未使用省水馬桶，用水量 12L 作計算，每日五次沖廁，包含一次大便與四次小便作為沖廁數，一戶以四人計算，每日沖水量即為 240L，若全國 400 萬戶一年總沖水量則為 350 百萬頓，用水量相當. 21.

(42) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 23 座明德水庫用量，相當驚人，但若將馬桶更換為省水馬桶時，則可以省下 6～12 座水庫水量，也就是說節水效益至少可達 50％以上，所節省的水量不可小覷。[A-6] 然而，雖然使用省水器具可以對環境減少相當衝擊，但對於排水系統是否能正常運作，並無法由相關文獻中得知，因此省水馬桶在用水量減少之情形下，搬送性能對於整體建築排水系統是否產生問題，值得進一步加以探討。. 表 2.7 省水馬桶沖水量效益評估表型式. 沖水量/日每戶日沖. 400 萬戶每年總. 節水效益. 節水水庫當量. 次數（L）. 水量(L). 沖水量(百萬噸). [E](％). (明德水)(A*E/15). 240. 350[A]. --. --. 180. 263[B]. 120. 175[C]. 108. 158[D]. 12 公升. 12/4. (一段式). 12/1. 9 公升. 9/4. (一段式). 9/1. 6 公升. 6/4. (一段式). 6/1. 9/4.5 公升. 4.5/4. (二段式). 9/1. 註：1.明德水庫總容量約 15 百萬噸 2.沖水次數假設每日 5 次(1 次大號，4 次小號) 3.每戶假設為 4 人. 22. [A-6]. 25 [(A-B)/A] 50 [(A-C)/A] 55 [(A-D)/A]. 6 12 12.8.

(43) 第二章文獻回顧. 第四節污物搬送性能理論基礎經由本研究前述針對既有文獻之整理，以及國內外相關規範進行探討，並分析國內省水馬桶之發展與使用現況後發現，受到綠建築與節省水資源觀念之影響，新建建築或既有建築，採用或換裝省水馬桶之比例已日漸增加，然而既有排水系統與傳統排水管路設計方式，在省水馬桶用水量大幅減少之情形下，是否依然能將污物順利搬送至處理設備，則需進一步探討。有鑑於此，本研究將於文獻回顧章節，初步彙整與排水橫主管污物搬送相關之流體理論，相關內容與理論公式推導如後，而污物搬送在排水系統內之流體現象，本研究所引用之流體相關理論，係參考明渠流（Open Channel Flow），其包括天然河流、人工渠道及衛生下水道等［A-8］，主要是用於解析斷面未封閉之渠道流體理論。而相關內容如下所示： (1)明渠流（Open Channel Flow）之定義依據流體理論對明渠流之定義，如圖 2.3 所示，其定義包括所有在渠道或未完全充滿單一流體的導管中之流體流動現象，主要的特徵除了在流體流動與上方的流體（通常為大氣）間存在一自由表面外，另外則是其主要驅動力為流體之重量，重力致使流體間向下流動［A-9］。適用對象包括河川、溪流等自然河道，以及衛生下水道、排水橫管等人工渠道兩類。此外，大多數的明渠流相關數據都是經由模型或全尺寸實驗獲得。. a. 上方流體（大氣）自由表面流動流體（水） a’. 圖 2.3 明渠流流體現象斷面概念圖［A-8］ 23.

(44) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. (2)明渠流之斷面概述明渠流包括天然河流、人工渠道、衛生下水道及本研究之排水系統管路橫管部等，因渠道斷面形狀的不同，如下圖 2.4 所示，分為梯形、三角形、矩形、寬平板及圓形五種類別，而本研究之建築排水系統橫主管部則屬於” 第五類圓形”，方以計算其水斷面積及斷面水深等。. 圖 2.4 明渠流渠道斷面分類圖［A-8］圖 2.3 中截斷面 a –a’可觀察實際的明渠流渠道內流體流動現象，另如圖 2.5 所示，流體與大氣壓的介面乃為自由表面，其自由表面波呈永久變化的狀態。渠道截斷面中流體截面積為 A，而流體截面與渠道接觸的長度即為濕周長 P (wetted perimeter)。至於自由表面部分之長度並不包含在濕周長 P 中，其流體截面水深為 y，本研究中即定義此渠道水深 y 決定污物所能搬送之距離 x，藉由污物搬送距離 x 的長短來判定整體排水系統之優劣。. 上方流體（大氣）. 截面積 A. 自由表面. 濕周長 P (wetted perimeter). 流動流體（水）. 水深 y. 圖 2.5 明渠流流體現象概念圖［A-8］. 24.

(45) 第二章文獻回顧. (3) 明渠流之流況類型 A、依時間之變化性分為： a.定量流（steady flow）：在渠道上任一斷面之渠流流量 Q、流速 v 及水深 y 不因時間而改變者。 b.變量流（unsteady flow）：在渠道上任一斷面之渠流流量 Q、流速 v 及水深 y 隨時間而改變者。 B、依空間之變化性分為： a.等速流（uniform flow）：沿渠道方向各斷面之流速 v 或水深 y 均相同，流線平行者。 b.變速流（non-uniform flow）：渠流流速 v 或水深 y 沿渠道方向各斷面改變，流線不平行者。依時間及空間之變化性分為： a.定量等速流（steady uniform flow）：渠流之流量 Q 及流速 v 沿渠流各斷面均相同，不因時間 t 及流程 x 而改變者。 b.定量變速流（steady non-uniform flow）：渠流之流量 Q 及流速 v 不因時間 t 而變，但隨流程 x 而改變者。 c.變量等速流（unsteady uniform flow）：渠流之流量 Q 及流速 v 不因流程 x 而變，但隨時間 t 而改變者。此種水流於渠道中或天然水道屬罕見。 d.變量變速流（unsteady non-uniform flow）：渠流之流量 Q 及流速 v 隨時間 t 及流程 x 而改變者。. 25.

(46) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 由上述明渠流各流況類型之定義得知，本研究中馬桶衛生器具排水時，水箱內固定之水量 v 由馬桶衛生器具排出後，經橫支管至排水立管，最後進入橫主管內，因水流非定常流，依據前述流況類型之「時間」及「空間」的變化性定義［A-8］，管內流量 Q 及流速 v 隨時間 t 及流程 x 而改變，而且呈不穩定的流體現象。故如圖 2.6 所示，本研究中污物自馬桶排放後於排水系統管路內排水流體現象屬於「變量變速流（unsteady non-uniform flow）」。. 26.

(47) 第二章文獻回顧. 物理現象. 流體類型. 變化性. 流況種類. 研究範圍. 定量流（steady flow）時間變量流（unsteady flow）. 污物搬送流體現象. 變量變速流. 明渠流. （unsteady non-uniform flow）. 等速流（uniform flow）空間變速流（non-uniform flow）. 圖 2.6 明渠流流體現象分類圖［A-8］ (4)明渠流之相關理論 A、連續方程式(continuity equation). Q = v∗ A. …………………………………………………………(3-4-1). m 式中 Q ：流量(. v ：流速(. 3. m. sec ) sec ). A ：斷面積( m ) 2. B、能量方程式(energy equation). ［A-9］. 典型的明渠流形式如圖 2.7 所示，渠底斜率（ Bottom Slope ） S O = ( z1 − z 2 ) / l ，假設在圖示的區段中保持定值。在任兩截面中的流體深度與速度分別如圖所示的 y1 、 y 2 和 v1 、 v2 。以下公式 4-1-2 至 4-1-7 為原一維能量方程式 4-1-2 轉換為水深 y 與流程 x 關係式 4-1-7 之過程。. 27.

(48) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. Sf. 1. hL v1. 2. y1 1. 能量線. 2g. v1. v2. 斜率 = S f. 2. 2g. y2. v2. (1). So. 斜率 = S o. (2). z1. l. z2. x 水平基準線. 圖 2.7 明渠流流體現象解析圖［A-8］. 其流動的一維能量方程式為. p1. 2. 2. v p v + 1 + z1 = 2 + 2 + z 2 + hL ……………………………(2-4-2) γ 2g γ 2g kgf. 式中 P ：靜水壓力（. γ ：水的單位重（. m2. ）. kgf m3. ）. m. v ：流速（ sec ）. g ：重力加速度（ m sec 2 ） z ：渠道底部與水平基準線之差值（ m ） hL ：截面(1)與(2)間的頭損（ m ）. 其中 hL 為截面(1)與(2)間黏性效應導致壓力水頭（head，或稱之為”揚程” z1 − z 2 = S o l 。由於在任意截面的液體靜壓相當重或是”落差”）的損失，而且 p1 p2 = y1 = y2 且 γ 。故前式 2-4-2 可重新整理成要，再由推導可得 γ 2. 2. v v y1 + 1 + S o l = y 2 + 2 + hL 2g 2g. 28. ……………………………………(2-4-3).

(49) 第二章文獻回顧. kgf. 式中 P ：靜水壓力（. m2. γ ：水的單位重（. ）. kgf m3. ）. m. v ：流速（ sec ）. g ：重力加速度（ m sec 2 ）. z ：渠道底部與水平基準線之差值（ m ） hL ：截面(1)與(2)間的頭損（ m ） y ：渠流斷面水深（ m ）. S o ：渠道底部之斜率 (比例) 另外將頭損以能量線的斜率表示成. S f = hL. l ［一般稱為摩擦斜率(friction. slope) ］p及能量線即為高度頭 z（elevation head，由基準線至渠道底部之距離）、 v2 壓力頭 γ （pressure head，產生 P 所需之流體柱高度）與速度頭 2 g（velocity head，流體由靜止自由落下達到速度 v 的垂直距離）的總和值［A-9］。因此可將公式 2-4-3 轉換為. (v − v1 ) y1 − y 2 = 2 + ( S f − S o )l …………………………………(2-4-4) 2g 2. 2. 式中 y ：渠流斷面水深（ m ） m. v ：流速（ sec ） m. 2 g ：重力加速度（ sec ）. hL ：截面(1)與(2)間的頭損（ m ）. S f ：能量線之斜率 (比例) S o ：渠道底部之斜率 (比例). E= y+v. 2. 2 g ，其能量方程式可藉由比能 E 比能(specific energy)的定義為 E = E2 + ( S f − So )l 表示成 1 。由比能的觀念可瞭解明渠流中渠流深度隨渠道流 2 動方向改變情形，在渠道中任一截面的總水頭為 H = v 2 g + y + z ，故能量方. 程式可轉變為 H1 = H 2 + hL ，其中 hL 為截面(1)與(2)間的頭損。而能量線的斜. 29.

(50) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. dH dx = dhL dx = S f. 率為. ，而渠道底部的斜率則是 dz dx = So 。由此可得到. 2 dy dz dH = d ⎡ v + y + z ⎤ = v dv + + ⎢ ⎥ dx dx ⎣ 2 g dx dx ⎦ g dx ……………………(2-4-5) . . dh L v dv dy = + + So g dx dx dx v dv + dy = S f − S o …………………………………………(2-4-6) g dx dx . . . . . . . . . . . . . ……………………………………………(2-4-7) 式中 H ：任一截面之總水頭（ m ） x ：渠流之流程（ m ）. y ：渠流斷面水深（ m ） m. v ：流速（ sec ） m. 2 g ：重力加速度（ sec ）. hL ：截面(1)與(2)間的頭損（ m ）. S f ：能量線之斜率 (比例) S o ：渠道底部之斜率 (比例). 由式中可了解流體深度 y 的變化量. dy. dx 端視渠道底部的局部斜率 S 0 、能. 量線斜率 S f 而定。 C、曼寧方程式(Manning equation). ［A-9］. 曼寧方程式(Manning equation)為流體力學理論中，利用渠道斷面之水力半徑 Rh、渠道洩水坡度 Sb 和渠道阻力係數 n 計算渠道斷面流體流速 v，其中渠道阻力係數稱為曼寧阻力係數 n (Manning resistance coefficient)。而曼寧阻力係數是與渠道濕周邊的表面材質有關，且係數必須藉由實驗獲得，其單位為— (時間)/(長度)1/3。. 30.

(51) 第二章文獻回顧. 23. v=. Rh S o n. 12. …………………………………………………(2-4-8). m. 式中 v ：流速 ( sec ). Rh ：水力半徑 ( m ) S o ：渠道洩水坡度 (比例) n ：曼寧係數 (時間)/(長度)1/3. 本研究中排水系統使用之管材為 PC 管，所使用的曼寧係數 n 為鋼（光滑）類，可查附錄二曼寧係數表中鋼（光滑）類 n 為 0.012 來進行公式計算求斷面流體流速 v。. 31.

(52) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 第五節三維電腦軟體模擬之理論基礎本研究將於後續章節中，嘗試運用三維電腦軟體模擬排水管路系統，藉以探討排水管內複雜之流體現象，並檢視其未來運用於排水系統之可能性。而本次主要運用電腦模擬之軟體為 CFD-RC（CFD Research Corporation）期待未來可減少實驗之次數與耗費之人力物力及財力，此軟體是由美國 CFD 研究公司所發展出的計算流體力學軟體，可同時分析流體力學、熱傳、化學反應與質傳、電滲透……等多種複雜現象。此套軟體，主要分為三個部份，分別為 CFD-GEOM、CFD-ACE 及 CFD-VIEM。一般而言，水流模擬定義為三維、暫態、等溫、自由表面。基本方程式運用到 Flow Module 以及 Free Surface Module。而 Flow Module 中運用質量守恆方程式及動量守恆方程式：（1）. r ∂ρ + ∇ • ( ρν ) = 0 ∂t. （2）. r ∂ (− p + τ xx ) ∂τ yx ∂τ zx ∂ ( ρu ) + + ∇ • ( ρν u ) = + S Mx + ∂x ∂t ∂z ∂y. （2-1）. （2-2）. Free Surface Module 則運用到 Passive transport equation:. r ∂F （1） + ∇ •ν F = 0 ∂t. 32. . （2-3）.

(53) 第二章文獻回顧. 而在此模擬過程中，使用有限體積法進行微分方程式差分，此種方法結合了有限差分法簡單直覺的特性與有限元素法可填滿任意幾何空間的優點，以控制體積為離散的單位，將計算的變數置於控制體積（control volume）的中心處，以守恆的理為基礎，對系統的守恆方程式離散計算，所得之係數矩陣因其系統方程式的守恆性質，ㄧ般擁有弱主軸優勢（weakly diagonal dominant）的形態，而經由部分鬆弛（under relax）的處理，更可使係數矩陣達到強主軸優勢（strongly diagonal dominant）的形態，使其更有利於疊代法求解係數矩陣方程式，擁有相當不錯的計算效率，基於這些優點，使得有限體積法被認為相當適合用於三維的分析計算。. 有限體積法為 CFDRC 主要核心運算法則，於統御方程式的守恆理論基礎下，對每一個網格（cell）或控制體積（control volume）中心處之守恆方程式進行離散運算，亦即將微分方程式轉換為代數方程式之矩陣在經由低鬆弛（under relax）處理後，可利於疊代法求解。圖 2.8 為運用上風法在單線界面建構流體之方法，主要說明自由表面模組中，從上風組織到下風組織，有三種建構流體之方法，包括模擬液體、混合流體及氣體，上風組織在模擬液體時，下風組織以流出液體優先，在混合流體時，則流出混合流體，在上風組織流出氣體時，則下風組織以流出氣體優先。流體表面是假定為平行三維模型之網格組織表面，流體之位置是依靠流體的流向，逆流或順流。. 33.

(54) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 圖 2.8 軟體模擬單線界面建構流體之方法與概念經由上述針對三維電腦軟體模擬之理論基礎進行分析，對於該軟體之發展歷程、運算概念、計算方式及應用範圍等，已有初步之概念與掌握，後續章節將更進一步設定模擬用之三維模型，以理解電腦軟體運用於建築排水管路系統之可能性。. 34.

(55) 第三章排水橫主管路性能實驗與解析. 第三章排水橫主管路性能實驗與解析本章節之研究重點著重於實驗設施與對象之簡介，以及實驗程序之訂定與實驗結果分析探討等，相關內容如下圖所示：. 圖 3.1 第三章研究架構流程圖. 第一節實驗設施簡介本研究為了將部分外界氣候條件因素排除，以減少實驗變數，並有效使用國家及實驗設施，特別以內政部建築研究所建置於台南性能實驗群之實驗設施為主要實驗場館，館內平均挑高約為 17.6 公尺，且為室內型實驗場，其內容包含實驗平台與給排水集水槽及其配管、供電配線系統，另設置實驗控制室等，其外觀與內部空間情形如圖 3.2 所示。. 35.

(56) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 性能實驗館. 實驗場. 實驗平台. 水池. 圖 3. 2 實驗空間說明與實驗平台位置. 36.

(57) 第三章排水橫主管路性能實驗與解析. 而在實驗設施方面，包括配置於二層至五層之移動平台與整體衛浴、三組立管系統與橫管配管、給水系統及循環水供給系統等，如圖 3.3 所示：. 送風機活動式台車. 排水實驗塔. 給水管路. 衛生器具. 排水橫支管路. 排水橫主管路. 排水集水槽. 排水立管管路噸水槽. 10 噸水槽. 噸水槽. 揚水馬達. 2 噸水槽. 圖 3.3 實驗設施構成圖. 37.

(58) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 而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，如圖 3.4 所示：. 圖 3.4 實驗平台設施照片 2.實驗管路系統簡介內政部建築研究所位於台南之性能實驗場館中，共有三組排水管路，除特殊接頭排水立管採用快拆接頭外，其他二組排水立管採用傳統膠合方式配管，橫主管部分則全部採用快拆接頭連結，各平台平面與管路位置如圖 3.5 所示，管路配管方式則如圖 3.6 所示：. 頂層實驗平台設施構造圖. UP. UP. DN. DN. 二~五層實驗平台設施構造圖. 圖 3.5 實驗平台各層平面與管路位置圖. 38.

(59) 第三章排水橫主管路性能實驗與解析. 圖 3.6 實驗排水管路配管方式現況圖此外，位於一層實驗平台上，三組立管均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，且水平長度均約為 19 公尺，可有效對應本次污物水平搬送距離實驗之需要，如圖 3.7 所示：. 圖 3.7 排水橫主管路設施現況. 39.

(60) 省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討子計畫一：省水馬桶與排水管路之性能實驗研究及相關法規之檢討. 第二節實驗對象簡介 1.實驗衛生器具簡介為了實際量測省水馬桶對於污物搬送性能之影響，以及理解省水馬桶之排水性能，本研究所採用之三款省水馬桶，均取得省水標章認證，如圖 3-8 所示，以進行省水器具對於排水系統之橫主管污物搬送能力試驗，並比較各型省水馬桶、負荷樓層高度及橫主管洩水坡度等之差異，對於污物及排水橫主管搬送距離之影響程度。. 圖 3- 8 實驗平台換裝省水馬桶另外，有關本研究採用之受測省水馬桶基本資料如表 3-1 所示，本次採用之省水器具均為兩段式省水馬桶，且均通過省水標章之認證，沖水形式則為洗落式與虹吸式兩種。. 40.