Nguyên tắc cơ bản của hệ thống thoát nước mái Siphonic
Được phát triển bởi các kỹ sư ở Phần Lan, hệ thống thoát nước mái Siphon lần đầu tiên xuất hiện ở châu Âu vào năm 1968. Không giống như các hệ thống thoát nước mái nhà truyền thống, hệ thống siphonic được thiết kế để vận hành với đường ống được nạp đầy nước khi có mưa và xuất hiện lưu lượng lớn.
Ống thoát nước trên mái - Phễu thu siphonic có một tấm chắn đặc biệt hoạt động như một vách ngăn không khí và cánh chống xoáy sao cho chỉ có nước được hút ra khỏi mái nhà chứ không phải không khí. Một số ống thoát nước này buộc vào một bộ thu ngang được định tuyến đến một điểm thuận tiện, nơi nó chuyển thành một “ống xả” thẳng đứng. Ống xả này, sau khi chạm đất, được dẫn đến hố ga thông hơi hoặc buồng kiểm tra, nơi nước được xả ở áp suất khí quyển vào cống thoát nước mưa. Cấu tạo này của hệ thống Phễu thu - Đường ống tạo nên một hệ siphon đặc biệt. Khi mực nước trong máng thu vượt quá chiều cao tấm chắn, Hiệu ứng Siphon được kích hoạt. Toàn bộ lượng nước trong máng thu được hút ra nhanh chóng cho đến khi mực nước cạn thấp hơn tấm chắn và không khí được lọt vào ống, phá vỡ si phon. Hiệu ứng này diễn ra rất nhanh ở tốc độ cao, khiến cho nước mưa được rút nhanh hơn so với thu gom truyền thống từ 3-5 lần, vận tốc nước trong ống thu có thể đạt đến 10m/s và đặc biệt, cơ chế hút nước ra khỏi máng hoàn toàn bằng hiện tượng vật lý, không có bất kỳ thành phần chuyển động hoặc động cơ nào.
Để tính toán lưu lượng, khả năng vận hành của hệ thống siphonic, người ta dựa vào các phương trình cơ bản sau
Phương trình 1. Công thức Manning
Trong phương trình 1, V là vận tốc chất lỏng tính bằng feet trên giây hoặc m/s, n là hệ số nhám không thứ nguyên là thuộc tính của bề mặt kênh, Rh là bán kính thủy lực tính bằng feet và S là độ dốc của kênh. Vận tốc nước trong một 4-in. gang (n = 0,012) ống thoát nước trọng lực nghiêng ở độ dốc 1% là 2,34 feet mỗi giây khi chạy đầy một nửa. Nó có thể chảy 44,5 gallon mỗi phút. Công thức này là cơ sở cho các bảng tính toán có trong mã kiểu máy.
Các kỹ sư hệ thống ống nước thiết kế hệ thống ống nước mưa bị hạn chế bởi các quy định về hệ thống ống nước của tiểu bang hoặc địa phương quy định các yêu cầu tối thiểu. Các mã này chỉ định độ cao yêu cầu tối thiểu của đường ống và diện tích mái tối đa có thể được thu thập bằng các đường ống ngang và dọc. Mục đích của các quy tắc này là để bắt buộc áp dụng thống nhất các nguyên tắc cơ bản của dòng kênh hở trong đường ống và đảm bảo an toàn cho kết cấu mái. Tuy nhiên, sự tồn tại của các mã này không loại trừ các thiết kế thay thế nếu được thiết kế phù hợp. Với sự tham gia và hiểu biết của các cơ quan thực thi pháp luật địa phương, có thể sử dụng các hệ thống siphonic.
Hệ thống thoát nước trên mái nhà có cần phải là tự chảy không?
Rõ ràng, việc thoát nước thải thích hợp từ các thiết bị ống nước trong tòa nhà chỉ đạt được nếu áp suất khí quyển được duy trì trong hệ thống đường ống. Các yêu cầu về kích thước đường ống và thông gió trong quy tắc hệ thống ống nước đảm bảo tình trạng này được duy trì để các bẫy cố định không bị hút ra dưới áp suất âm. Các yêu cầu lắp đặt này cũng đảm bảo khí thoát nước không bị thổi qua các miếng đệm bẫy cố định dưới áp suất dương.
Tuy nhiên, với hệ thống thoát nước trên mái nhà, áp suất bên trong đường ống có thể dương hoặc âm do các miếng đệm bẫy không được lắp đặt trong hệ thống thoát nước mưa (ngoài các hệ thống cũ được gắn với hệ thống cống kết hợp). Các hệ thống đường ống cũng có thể chạy quá tải trong điều kiện mưa lớn, điều không mong muốn trong hệ thống xử lý chất thải vệ sinh. Do đó, có thể tăng hiệu quả thoát nước mái bằng cách thiết kế đường ống hoạt động hoàn toàn bằng nước. Tuy nhiên, trong điều kiện này, các giả định khác nhau về thủy lực phải được thực hiện để dự đoán áp suất và lưu lượng của hệ thống.
Các nguyên tắc của hệ thống siphonic
Công thức Manning, được hiển thị dưới dạng Phương trình 1, là dẫn xuất của lý thuyết tổn thất do ma sát tổng quát hơn của Darcy-Weisbach và từ Nguyên lý BernoulliOs. Manning đưa ra giả định về dòng chảy ổn định của kênh mở trong đó bề mặt tự do của nước (tức là đường cấp thủy lực) song song với độ dốc của kênh và ở áp suất khí quyển. Tuy nhiên, nước trong đường ống chảy đầy có thể không đáp ứng các điều kiện này.
Phương trình BernoulliOs là một mối quan hệ cân bằng năng lượng, về cơ bản phát biểu rằng một chất lỏng ở trạng thái nghỉ hoặc chuyển động sở hữu ba dạng năng lượng cơ bản. Một chất lỏng có năng lượng áp suất tĩnh đại diện cho năng lượng làm việc tiêu hao trong việc nén chất lỏng. Nó cũng có động năng do chuyển động. Cuối cùng, nó cũng sở hữu thế năng do độ cao của nó trong trường trọng lực. Theo Bernoulli, tổng tất cả các dạng năng lượng này được cân bằng mặc dù các điều kiện áp suất, vận tốc hoặc thế năng riêng lẻ có thể thay đổi. Ở dạng toán học, lý thuyết BernoulliOs được biểu diễn dưới dạng phương trình 2 ở đây.
Phương trình này giả định rằng chất lỏng vừa không nén được (ví dụ: có mật độ không đổi) vừa không ma sát. Về cơ bản, bất kỳ hai điểm nào trong chất lỏng đều có năng lượng không đổi.
Rõ ràng, giả thiết không có ma sát của Bernoulli được đưa ra để chứng minh một nguyên lý bảo toàn năng lượng cơ bản. Tuy nhiên, dòng chất lỏng thực trong một đường ống bị mất năng lượng do hiệu ứng nhớt, theo Phương trình Darcy-Weisbach thể hiện trong Phương trình 3.
Trong phương trình 3, hf là tổn thất cột áp do ma sát tính bằng ft-pound trên pound chất lỏng, L là chiều dài ống tính bằng feet, D là đường kính trong của ống tính bằng feet, V là vận tốc chất lỏng tính bằng feet trên giây và g là lực hấp dẫn hằng số. Số hạng f là một hệ số ma sát không có thứ nguyên được tìm thấy từ Phương trình Colebrook hoặc Biểu đồ Tâm trạng, và là một hàm của Số Reynolds chất lỏng và độ nhám bề mặt ống. Khi tính đến tổn thất ma sát, phương trình 2 trở thành phương trình 3 ở đây.
Phương trình 4 Bernoulli với tổn thất năng lượng
Xem xét một hệ thống thoát nước mái nhà đơn giản bao gồm một cống đơn trên mái nhà ở độ cao Z1 được kết nối với một đường ống chạy ngang và sau đó hạ xuống mặt bằng ở độ cao Z2 và xả ra một hố ga thông khí. Áp suất chất lỏng ở cả lối vào cống (P1) và điểmg trình 4. Các số hạng còn lại, được sắp xếp lại, như sau trong Phương trình 5.
Phương trình 5 là phương trình quản lý cơ bản của hệ thống thoát nước mái siphon. Nói tóm lại, tổng năng lượng có sẵn cho một hệ thống siphonic bằng với năng lượng tiềm năng từ sự khác biệt về độ cao giữa lối thoát trên mái nhà và điểm xả. Dòng chảy (tức là động năng) được tạo ra trong hệ thống bằng cách chuyển đổi thế năng này dẫn đến tổn thất năng lượng do ma sát bằng với thế năng khả dụng. Sự khác biệt về chiều cao trong Phương trình 5 được gọi là Đầu dùng một lần.
Mọi người thường đưa ra tuyên bố không chính xác rằng hệ thống siphonic không phải là hệ thống trọng lực. Thoát nước trọng lực truyền thống hoạt động ở áp suất khí quyển trong toàn bộ hệ thống đường ống và dựa vào độ dốc vật lý của đường ống nằm ngang để tạo ra dòng chảy. Mặc dù hệ thống xi phông hoạt động trong các điều kiện vật lý khác nhau, nhưng nó vẫn hoạt động dưới tác động của trọng lực, như thuật ngữ Đầu dùng một lần ở phía bên trái của Phương trình 5 cho thấy. Không có trọng lực, một hệ thống siphonic không hoạt động.
Hoạt động của hệ siphonic
Tổng tổn thất do ma sát là tổng tổn thất trong tất cả các bộ phận của hệ thống, bao gồm đường ống, phụ kiện và đầu ra. Bằng cách điều chỉnh đường kính, chiều dài và phụ kiện ống, kỹ sư có thể kiểm soát tốc độ nước thoát ra khỏi mái nhà. Tốc độ dòng chảy này, chia cho tổng diện tích mái nhà được thoát nước, được gọi là Cường độ mưa theo chiều (DRI). Sau khi lắp đặt, hệ thống đường ống và Đầu dùng một lần được cố định và do đó, tốc độ dòng chảy được cố định. Cho dù trời có mưa to như thế nào vượt quá DRI thiết kế, hệ thống vẫn xả với tốc độ bằng DRI. Lượng dư thừa sẽ tích tụ trên mái nhà trừ khi được giải phóng qua cống hoặc đập tràn. Điều cần thiết là hệ thống siphonic (có thể bao gồm hệ thống tràn sơ cấp và thứ cấp) phải có tổng công suất thiết kế vượt quá lượng mưa dự đoán cao nhất trong vòng đời của tòa nhà.
Chìa khóa của một hệ thống xi phông, ngoài ống xả xi phông, là ống xả. Sau khi đường ống được đổ đầy nước, cột nước trong đường ống muốn hạ xuống. Nước trong ống thu ngang được kéo xuống ống xả để thay thế lượng nước này. Kết quả là, áp suất nước trong bộ thu nằm ngang giảm xuống dưới áp suất khí quyển. Nước trên mái nhà thực sự được hút hoặc hút vào các cống được kết nối.
Nếu trời mưa với tốc độ thấp hơn nhiều so với DRI thiết kế, thì hệ thống này chỉ đơn giản hoạt động giống như một hệ thống trọng lực truyền thống với hỗn hợp không khí-nước ở áp suất khí quyển. Tốc độ thoát nước trong ống thu, ngay cả khi đầy một phần và không có độ dốc, là tốt một cách đáng ngạc nhiên. Sau khi hệ thống được mồi hoàn toàn, vận tốc hệ thống sẽ tăng đột ngột để làm sạch hệ thống khỏi bất kỳ mảnh vụn nào có thể đã ăn vào.
Mô hình dòng chảy thoát nước siphonic là một chủ đề của nhiều nghiên cứu chuyên sâu. Tác giả này đã có cơ hội quan sát giàn thử nghiệm lớn nhất thế giới tại Đại học Sheffield ở Vương quốc Anh. Các phần rõ ràng của đường ống trong hệ thống cho phép quan sát trực quan các kiểu dòng chảy.
Lợi ích của hệ siphonic
Hệ thống siphonic là lý tưởng cho các tòa nhà thấp tầng với diện tích rộng lớn. Các tòa nhà như vậy bao gồm nhà ga sân bay, trung tâm mua sắm có mái che, khu phức hợp văn phòng, nhà kho, nhà chứa máy bay, nhà ga, trung tâm hội nghị và nhà máy. Trong các tòa nhà này, một số ống thoát nước trên mái nhà có thể được kết nối với bộ thu ngang có thể được định tuyến mà không cần bước đến chu vi của tòa nhà.
Do áp suất dưới khí quyển được tạo ra ở phía trên cùng của ống dẫn nước xuống tạo ra dòng nước, nên không cần phải tạo độ dốc cho đường ống thu gom nằm ngang. Trên thực tế, đường ống này có thể được lắp đặt hoàn toàn bằng phẳng. Các dòng chảy do nước rơi xuống ống xả gây ra cho phép hệ thống vận hành ở vận tốc dòng chảy cao hơn vận tốc có thể đạt được trong các hệ thống trọng lực khí quyển. Dòng chảy vận tốc cao “đầy lỗ khoan” này cho phép kỹ sư chỉ định đường kính ống nhỏ hơn so với quy định của mã đường ống dẫn nước cho các hệ thống trọng lực truyền thống.
Bởi vì đường ống siphonic không cần phải dốc như hệ thống thoát nước kênh hở truyền thống, hệ thống đường ống không cần nhiều không gian hơn các hệ thống đường ống cơ khí điều áp khác. Điều này giúp dễ dàng hơn trong việc cung cấp hệ thống thoát nước đầy đủ trong các tòa nhà có những hạn chế về kiến trúc đầy thách thức đối với không gian. Ít ống xả hơn có nghĩa là ít cơ hội can thiệp vào kiến trúc hơn. Bởi vì việc định vị các ống xả trong hệ thống siphon linh hoạt hơn nên thiết kế không chỉ đáp ứng nhu cầu về kiến trúc mà còn cả những hạn chế về thoát nước tại chỗ.
Ứng dụng
Các hệ thống siphonic đã được lắp đặt trên khắp châu Âu và đã đến Úc, New Zealand, Singapore, Hàn Quốc, Canada, Mexico, Nga và Trung Đông, chỉ để nêu tên một số. Một hệ thống siphonic hiện đang được thiết kế, với sự chấp thuận của cơ quan có thẩm quyền, cho một dự án lớn ở Hoa Kỳ. Tuy nhiên, sự chấp nhận chung của hệ thống này ở Mỹ đã rất chậm. Như hiện tại, bất kỳ hệ thống siphonic nào được lên kế hoạch cho một dự án ở Hoa Kỳ sẽ yêu cầu sự khác biệt đặc biệt của hội đồng thanh tra hệ thống ống nước địa phương hoặc tiểu bang.
Hệ thống thoát nước trên mái siphon thực sự là một “hệ thống kỹ thuật”. Để thiết kế một hệ thống thoát nước trên mái nhà truyền thống theo mã, các kỹ sư hệ thống ống nước chỉ cần làm theo các hướng dẫn quy định trong mã và đọc các biểu đồ tiêu chuẩn hóa được tính toán trước. Các hệ thống siphonic phải được thiết kế với sự phân tích cẩn thận và chuyên nghiệp, nếu không sẽ không quen thuộc với phần lớn các kỹ sư và nhà thiết kế hệ thống ống nước. Nó cũng đòi hỏi kiến thức và sự hiểu biết về lượng mưa tại địa điểm dự án.
Sự phối hợp giữa kỹ sư hệ thống siphonic, kỹ sư kết cấu và kiến trúc sư là điều cần thiết để đảm bảo cả độ bền của mái và khả năng chống thấm có thể chịu được một lượng đọng nước trên mái. Tuy nhiên, lượng đọng nước này hiếm khi vượt quá tải trọng tuyết quy định phổ biến ở các bang phía bắc. Các hệ thống siphonic, do bản chất hoạt động của chúng, cũng yêu cầu các hệ thống tràn thứ cấp. Tuy nhiên, các hệ thống như vậy hiện đang được hầu hết các mã yêu cầu.
Mức độ chuyên môn kỹ thuật cần thiết từ cả kỹ sư hệ thống ống nước, nhà thầu hệ thống ống nước và thanh tra viên địa phương có thể không khuyến khích việc sử dụng hệ thống siphonic trong quá khứ. Tuy nhiên, tất cả các kỹ sư nên theo kịp các công nghệ mới nhất trên thị trường để phục vụ khách hàng của họ tốt hơn.
Kết luận
Bài viết này chỉ nhằm mục đích giới thiệu các nguyên tắc cơ bản của hệ thống thoát nước mái siphonic. Tác giả không khuyên bất kỳ kỹ sư hệ thống ống nước nào cố gắng thiết kế một hệ thống siphonic mà không hỏi ý kiến chuyên gia. Có nhiều yếu tố cần xem xét và việc sử dụng phần mềm chuyên dụng là cần thiết để phân tích chính xác. Hệ thống thoát nước mái siphonic đưa ra một thách thức kỹ thuật thú vị đối với các kỹ sư hệ thống ống nước đang thực hành. Bởi vì các hệ thống này mang lại những lợi ích to lớn mà các kiến trúc sư có thể muốn sử dụng, các kỹ sư hệ thống ống nước được khuyến khích nắm bắt các nguyên tắc cơ bản về siphonic.
Theo hydrotech.vn