CN101144285B - 住宅排水系统模拟实验装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种住宅排水系统模拟实验装置及其检测方法，包括主体建筑结构、循环给排水管路及设备、监控测试系统，主体建筑结构自下至上顺序为低位水箱间层、排水收集层、测试层和排水负荷施加层、高位水箱间层。循环给排水管路及设备在高位水箱底部向下连接给水管，给水管在排水负荷施加层连有洗衣机水龙头和卫生器具的注水口，从高位水箱间层至排水收集层向下延伸有测试立管，测试立管下端伸入集水槽内，集水槽底端出水口与低位水箱之间连接排水管。监控测试系统在各楼层设有楼层控制器，各楼层控制器经网络集线器、核心交换机与监控主机和数据库服务器连接。可准确测试排水部件的性能，解决了排水系统性能和产品性能无法准确评判的问题。

Description

住宅排水系统模拟实验装置及其检测方法

(一)技术领域

本发明涉及一种建筑给排水产品排水系统性能的实验装置及其检测方法。

(二)背景技术

在建筑物中，排水系统由不同的产品、部件、管道而组成，因此，排水系统性能不仅会受到产品、管材本身的性能影响，更会受到其组合使用、多种变化的影响。在产品日益更新的今天，如何评判产品的性能，特别是如何评判其组成系统后的性能，是建筑行业最为困惑的问题之一。缺乏模拟实验研究设备，没有评价标准，使得设计人员在设计选用时不得不以生产企业提供的技术数据为准，不得不在住宅这一最终产品中，根据居民的使用效果来直接进行系统评判，即使发现问题，也难以改造。

目前我国住宅排水系统缺乏专门的科学实验研究、缺乏产品性能及检测标准研究、没有标准的检测装置、没有完善的测试标准，导致工程领域的技术标准落后于住宅发展需求，阻碍了我国住宅厨卫系统研究的进展。反映在工程中，常常会出现排水不畅、返臭气、烟气倒灌、跑、冒、滴、漏等长期困扰居民生活的问题。特别是高层住宅的系统更加复杂，问题更突出。这些问题不仅直接影响了室内环境，妨碍了居民的日常生活；而且“非典”的教训告诉我们，一旦发生恶性传染疾病时，有问题的排水系统还有可能成为病菌的传播途径。

目前现有的住宅排水系统模拟实验方法是采用等比例缩小的模拟系统进行定流量排水模拟实验技术。相对来说，定流量排水操作比较简单化，是在设定某一排水流量的情况下进行实验，管道中为常流水的状态，流量值可按照人们的要求去设定。但这种方式在日常使用中属于极限不利情况，所测得的数据与我国现有规范的排水系统设计参数偏差很大，如果以此方法为基础制定中国的排水系统检测标准，将对我国排水系统产品的性能要求提高很多，并会在实际工程中造成一定的投资浪费。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种住宅排水系统模拟实验装置及其检测方法，要解决住宅排水系统性能无法评判，缺乏有力的研究与验证手段的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

这种住宅排水系统模拟实验装置，包括主体建筑结构、循环给排水管路及设备、监控测试系统，其特征在于：

主体建筑结构：

为高层建筑物，自下至上顺序为低位水箱间层1、排水收集层2、测试层3和排水负荷施加层4、高位水箱间层5，其中，测试层3和排水负荷施加层4为7-50层。

循环给排水管路及设备：

在低位水箱间层1设有低位水箱8，高位水箱间层5设有高位水箱9，在低位水箱8向上至高位水箱9之间连接循环水管6，低位水箱的出水口连接循环水泵7，低位水箱的进水口与市政给水管25连接；高位水箱底部向下连接给水管23，给水管23在排水负荷施加层4连有洗衣机水龙头24和卫生器具的注水口，给水管23在各测试层3均设有洗衣机水龙头24；

从高位水箱间层至排水收集层竖直向下延伸有测试立管12，测试立管顶端设有通风帽29，测试立管在排水负荷施加层4、各测试层3均连有排水横支管14，排水横支管14的端部用管堵13封堵，在排水负荷施加层4的排水横支管上分支连接便器排水管27和洗浴器排水管26，便器排水管27与便器15的排水口连接、洗浴器排水管26与洗浴器16的排水口连接，测试立管下端伸入排水收集层设置的集水槽19内，集水槽底端出水口与低位水箱之间连接排水管20。

监控测试系统：

在低位水箱8内设有液位传感器32和补水控制阀28；

循环水管6与可调控制阀11连接；

给水管23与供水控制阀21连接；

洗浴器排水管26与排水电磁阀17连接；

便器排水管27与自动排水装置18连接；

测试层的各排水横支管14与差压式压力传感器22和液位计31连接；

排水管20连接差压式压力传感器22和流量计33；

测试立管顶端的通风帽29下方设有风速计30；

在低位水箱间层1、排水收集层2、各测试层3和排水负荷施加层4均设有楼层控制器；各楼层控制器由信号采集线分别与其所在楼层的差压式压力传感器22、液位传感器32、流量计33、液位计31、风速计30连接；各楼层控制器由信号控制线分别与所在楼层的洗衣机水龙头24、洗浴器的排水电磁阀17、便器的自动排水装置18和循环水泵7的电动阀连接，各楼层控制器由信号线分别经网络集线器与监控主机和数据库服务器连接。

上述主体建筑结构的地下二层是低位水箱间层1，地下一层是排水收集层2，顶层是高位水箱间层5，排水收集层2以上至高位水箱间层5以下的区间是测试层3和排水负荷施加层4，其中，排水负荷施加层是区间内任意1-8层的组合。

上述给水管在测试层设置减压阀10。

上述卫生器具是便器15和洗浴器16。

上述楼层控制器是PAC可编程自动化控制器或PLC可编程自动化控制器。

上述监控主机包括：

a、用于将采集的压力，液位、流量、风速信号转换为数字信号的模数转换器(A/D)；

b、用于存储控制程序和检测数据的存储器；

c、用于输入控制程序和检测数据的输入设备；

d、用于完成程序中的数据计算、数据统计分析处理的运算器；

e、用于根据运算结果和程序控制程序的走向，并根据指定各部分协调操作的控制器；

f、用于实现检测数据动态显示的显示屏；

g、用于按照人们的需要将处理的结果输出的输出设备；

h、用于将输出的数字信号转换为控制信号的数模转换器(D/A)；

i、用于连接打印机的打印机接口。

一种应用上述住宅排水系统模拟实验装置的住宅排水系统模拟实验的检测方法，其特征在于步骤如下：

(1)、在住宅排水系统模拟实验装置主体建筑结构的测试层安装测试立管，并将测试立管与监控测试系统相连接，按照工程设计的要求，设置卫生器具和排水横支管，管末端用管堵堵上。

(2)、启动监控测试系统，由市政水管向低位水箱中注水，并控制水箱水位。

(3)、循环水泵将低位水箱中的水泵入高位水箱中，并通过给水管向洗衣机水龙头、洗浴器和便器供水，从最高排水负荷施加层开始至排水收集层采用远程控制洗浴器排水电磁阀以及便器自动排水装置的启闭，实现任意层、任意便器和洗浴器的组合排水。

(4)、楼层控制器采集、储存各楼层差压式压力传感器的压力信号值，以及液位传感器、液位计、流量计、风速计的信号值，并将采集的信号经网络集线器传递给监测主机和数据库服务器。

(5)、监测主机分析、统计各层压力变化的最大值和最小值，并判断最大压力或最小压力是否达到了易导致存水弯水封破封的压力值，从而决定测试立管的最大排水流量和排水性能。

(6)、监测主机显示出测试立管的技术参数，储存在数据库服务器中，并由打印机打印出来。

上述的住宅排水系统模拟实验的检测方法，其特征在于：上述差压式压力传感器的采集范围为-5000Pa～5000Pa，应答频率20Hz。

与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：

本发明在排水系统模拟实验中是按1∶1的比例进行系统中的气、水压力变化的研究，模拟各种使用工况的组合进行测试。可以有效掌握排水系统内压力波动规律、建立完善的系统设计方法、开展产品性能认证，从而保证系统性能可靠。

本发明的实验装置及其方法测得的数据与实际运行结果比较接近，实验结果具有很强的说服力，其关键在于保证数据的实时性、准确性和再现性。在实际操作中重点解决了两方面问题：一、通过执行机构确保任意层的卫生器具可以按需启动排水，启动时间误差小于10ms，二、各测试层采集数据的同步性，即使为100米高的排水系统，最高与最低测试层采集数据的时间起点误差小于10ms。

本发明按照卫生器具真实的布置情况，模拟低于50层、任意高度的排水系统，测试系统中的洗浴器和便器可在排水负荷施加层和测试层任意设置，在实际或极限排水使用工况下，测得测试立管内以及各支管内的压力值，绘制系统的压力波动曲线，从而判定排水系统性能，确定排水系统的许可流量。本发明通过模拟大量的实际工程排水工况，掌握真实的住宅排水系统性能，就确定我国住宅排水系统性能的标准检测装置、检测方法和检测标准；使得长期困扰我国工程界的排水系统性能和产品性能无法评判的问题将迎刃而解；从而整体提升住宅排水系统设计水平，可促进新产品的研发。

(四)附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1是主体建筑结构和循环给排水管路及设备的分布示意图。

图2是监控测试系统的原理框图。

附图标记：1-低位水箱间层、2-排水收集层、3-测试层、4-排水负荷施加层、5-高位水箱间层、6-循环水管、7-循环水泵、8-低位水箱、9-高位水箱、10-减压阀、11-可调控制阀、12-测试立管、13-管堵、14-排水横支管、15-便器、16-洗浴器、17-排水电磁阀、18-自动排水装置、19-集水槽、20-排水管、21-供水控制阀、22-差压式压力传感器、23-给水管、24-洗衣机水龙头、25-市政给水管、26-洗浴器排水管、27-便器排水管、28-补水控制阀、29-通风帽、30-风速计、31-液位计、32-液位传感器、33-流量计。

(五)具体实施方式

实施例参见图1-2所示，这种住宅排水系统模拟实验装置，包括主体建筑结构、循环给排水管路及设备、监控测试系统。

主体建筑结构：

为高层建筑物，自下至上顺序为低位水箱间层1、排水收集层2、测试层3和排水负荷施加层4、高位水箱间层5，其中，测试层3和排水负荷施加层4为750层；在实施例中，主体建筑结构的地下二层是低位水箱间层1，地下一层是排水收集层2，顶层是高位水箱间层5，排水收集层2以上至高位水箱间层5以下的区间是测试层3和排水负荷施加层4，其中，排水负荷施加层是区间内任意1-8层的组合。

循环给排水管路及设备：

在低位水箱间层1设有低位水箱8，高位水箱间层5设有高位水箱9，在低位水箱8向上至高位水箱9之间连接循环水管6，低位水箱的出水口连接循环水泵7，低位水箱的进水口与市政给水管25连接；高位水箱底部向下连接给水管23，给水管23在排水负荷施加层4连有洗衣机水龙头24和卫生器具的注水口，上述卫生器具是便器15和洗浴器16。给水管23在各测试层3均设有洗衣机水龙头24。

从高位水箱间层至排水收集层竖直向下延伸有测试立管12，测试立管顶端设有通风帽29，测试立管在排水负荷施加层4、各测试层3均连有排水横支管14，排水横支管14的端部用管堵13封堵，在排水负荷施加层4的排水横支管上分支连接便器排水管27和洗浴器排水管26，便器排水管27与便器15的排水口连接、洗浴器排水管26与洗浴器16的排水口连接，测试立管下端伸入排水收集层设置的集水槽19内，集水槽底端出水口与低位水箱之间连接排水管20。

循环给水管路及设备可为测试系统供水，采用清水供水方式，循环水泵为工频泵，根据高位水箱液位控制启停，两台循环水泵轮流工作，也可联合工作，供水流量分别为5～8L/s，地下低位水箱20m³，高位水箱2.5m³。循环排水管路及设备可控制各层卫生器具组合排水。

监控测试系统参见图2：

在低位水箱8内设有液位传感器32和补水控制阀28，补水控制阀可选浮球阀或其它自动阀门。

循环水管6与可调控制阀11连接；

给水管23与供水控制阀21连接，根据压力计算，上述给水管在测试层适当位置处设置减压阀10。

洗浴器排水管26与排水电磁阀17连接。

便器排水管27与自动排水装置18连接。

测试层的各排水横支管14与差压式压力传感器22和液位计31连接。

排水管20连接差压式压力传感器22和流量计33；

测试立管顶端的通风帽29下方设有风速计30；

在低位水箱间层1、排水收集层2、各测试层3和排水负荷施加层4均设有楼层控制器；各楼层控制器由信号采集线分别与其所在楼层的差压式压力传感器22、液位传感器32、流量计33、液位计31、风速计30连接；各楼层控制器由信号控制线分别与其所在楼层的洗衣机水龙头24、洗浴器的排水电磁阀17、便器的自动排水装置18和循环水泵7的电动阀连接，各楼层控制器由信号线分别经网络集线器与监控主机和数据库服务器连接。

上述楼层控制器是PAC可编程自动化控制器或PLC可编程自动化控制器。

上述监控主机包括：

a、用于将采集的压力，液位、流量、风速信号转换为数字信号的模数转换器(A/D)；

b、用于存储控制程序和检测数据的存储器；

c、用于输入控制程序和检测数据的输入设备；

d、用于完成程序中的数据计算、数据统计分析处理的运算器；

e、用于根据运算结果和程序控制程序的走向，并根据指定各部分协调操作的控制器；

f、用于实现检测数据动态显示的显示屏；

g、用于按照人们的需要将处理的结果输出的输出设备；

h、用于将输出的数字信号转换为控制信号的数模转换器(D/A)；

i、用于连接打印机的打印机接口。

一种应用上述住宅排水系统模拟实验装置的住宅排水系统模拟实验的检测方法，其特征在于步骤如下：

(1)、在住宅排水系统模拟实验装置主体建筑结构的测试层安装测试立管，并将测试立管与监控测试系统相连接。按照工程设计的要求，设置卫生器具和排水支管，管末端用管堵堵上。

(2)、启动监控测试系统，由市政水管向低位水箱中注水，并控制水箱水位。

(3)、循环水泵将低位水箱中的水泵入高位水箱中，并通过给水管向洗衣机水龙头、洗浴器和便器供水，从最高排水负荷施加层开始至排水收集层采用远程控制洗浴器排水电磁阀以及便器自动排水装置的启闭，实现任意层、任意便器和洗浴器的组合排水。从最高排水负荷施加层开始，采用远程控制洗浴器排水电磁阀以及便器自动排水装置的启闭，实现任意层、任意洁具的组合排水。从最高排水负荷施加层开始，施加2.5L/s流量；任意选择最多8层，在未接近判定条件前，依次施加2.5L/s流量；接近后，依次按照0.2L/s施加流量；直至达到判定条件：系统压力范围内400Pa。

(4)、楼层控制器采集、储存各楼层差压式压力传感器的压力信号值，以及液位传感器、液位计、流量计、风速计的信号值，并将采集的信号经网络集线器、核心交换机传递给监测主机和数据库服务器；上述差压式压力传感器的采集范围为-5000Pa～5000Pa，精度5Pa，应答频率20Hz。在1～33的测试层，除排水负荷施加层外，每层均在距测试立管中心500mm的排水横支管的上部，安装差压式压力传感器；通过数据采集、传输系统将各压力值传送至中央监控室。

(5)、监测主机分析、统计各层压力变化的最大值和最小值，并判断最大压力或最小压力是否达到了易导致存水弯水封破封的压力值，从而决定测试立管的最大排水流量和排水性能；监测主机完成测量数据的统计计算和分析处理，以系统内压力波动的范围±400Pa为判定条件，判定测试立管的最大排水能力。在读取压力的同时，测量排出管的排水流量。

(6)、监测主机显示出测试立管的技术参数，储存在数据库服务器中，并由打印机打印出来。

中央监控室内有监控主机和数据库服务器，可以设置在-1层，采用以太网拓扑结构，实现对各测试层的楼层执行器启停的远程控制，并实时纪录、传输测试数据，通过核心交换机及配套计算机进行初步分析。每层设置一套楼层控制器，采用开放性数据接口和协议，具有良好的扩展能力。

监控主机采用户人机交互界面设置测试任务流程。具体内容包括：设定组合排水负荷施加层层数，执行器起始时间，数据采集起始与结束时间，测试内容等。监控主机完成数据分析，可调取数据库数据绘制每层的压力波动曲线，并输出打印，以初步判定排水立管系统的最大排水能力。随后分析、统计各层压力变化的最大值(简称层最大压力)和最小值(简称层最小压力)取出排水系统的最大压力和最小压力，来判断系统的最大压力或最小压力是否达到了易导致存水弯水封破封的压力值，从而决定立管排水系统的最大排水流量。通过比较各个系统的最大排水流量来分析各个系统的排水性能。

每台楼层控制器之间使用晶体管输出输入型I/O模块端子物理连接。晶体管输出输入型I/O模块端子响应时间属us级；每台控制器构造、逻辑相同；上位机输出测试指令到输出触发PAC控制器，该控制器执行输出，触发所有PAC采集控制器输入，以取得记录相对时间基准同步。实现自动同步采集、定时传输数据。模块扫描周期控制在10ms以内，自排水负荷施加层排水开始，同时读取各测试层排水支管内的压力值，每秒读取50个压力值。采集控制器采用中断触发模式，清空数据缓存区，执行数据采集和记录。定时传输数据，各测试层的数据现在本层控制器内存储，根据实验周期长短可最多存储10分钟数据，测试时间结束，数据库服务器采用OPC数据访问接口；读取各PAC控制器累计存取值。

Claims (7)

1.一种住宅排水系统模拟实验装置，包括主体建筑结构、循环给排水管路及设备、监控测试系统，其特征在于：

主体建筑结构：

为高层建筑物，自下至上顺序为低位水箱间层(1)、排水收集层(2)、测试层(3)和排水负荷施加层(4)、高位水箱间层(5)，其中，测试层(3)和排水负荷施加层(4)为7-50层；

循环给排水管路及设备：

在低位水箱间层(1)设有低位水箱(8)，高位水箱间层(5)设有高位水箱(9)，在低位水箱(8)向上至高位水箱(9)之间连接循环水管(6)，低位水箱的出水口连接循环水泵(7)，低位水箱的进水口与市政给水管(25)连接；高位水箱底部向下连接给水管(23)，给水管(23)在排水负荷施加层(4)连有洗衣机水龙头(24)和卫生器具的注水口，给水管(23)在各测试层(3)均设有洗衣机水龙头(24)；

从高位水箱间层至排水收集层竖直向下延伸有测试立管(12)，测试立管顶端设有通风帽(29)，测试立管在排水负荷施加层(4)、各测试层(3)均连有排水横支管(14)，排水横支管(14)的端部用管堵(13)封堵，在排水负荷施加层(4)的排水横支管上分支连接便器排水管(27)和洗浴器排水管(26)，便器排水管(27)与便器(15)的排水口连接、洗浴器排水管(26)与洗浴器(16)的排水口连接，测试立管下端伸入排水收集层设置的集水槽(19)内，集水槽底端出水口与低位水箱之间连接排水管(20)；

监控测试系统：

在低位水箱(8)内设有液位传感器(32)和补水控制阀(28)；

循环水管(6)与可调控制阀(11)连接；

给水管(23)与供水控制阀(21)连接；

洗浴器排水管(26)与排水电磁阀(17)连接；

便器排水管(27)与自动排水装置(18)连接；

测试层的各排水横支管(14)与差压式压力传感器(22)和液位计(31)连接；

排水管(20)连接差压式压力传感器(22)和流量计(33)；

测试立管顶端的通风帽(29)下方设有风速计(30)；

在低位水箱间层(1)、排水收集层(2)、各测试层(3)和排水负荷施加层(4)均设有楼层控制器；各楼层控制器由信号采集线分别与其所在楼层的差压式压力传感器(22)、液位传感器(32)、流量计(33)、液位计(31)、风速计(30)连接；各楼层控制器由信号控制线分别与所在楼层的洗衣机水龙头(24)、洗浴器的排水电磁阀(17)、便器的自动排水装置(18)和循环水泵(7)的电动阀连接，各楼层控制器由信号线分别经网络集线器与监控主机和数据库服务器连接。

2.根据权利要求1所述住宅排水系统模拟实验装置，其特征在于：上述主体建筑结构的地下二层是低位水箱间层(1)，地下一层是排水收集层(2)，顶层是高位水箱间层(5)，排水收集层(2)以上至高位水箱间层(5)以下的区间是测试层(3)和排水负荷施加层(4)，其中，排水负荷施加层是区间内任意1-8层的组合。

3.根据权利要求1或2所述住宅排水系统模拟实验装置，其特征在于：上述给水管在测试层设置减压阀(10)。

4.根据权利要求1或2所述的住宅排水系统模拟实验装置，其特征在于：上述楼层控制器是PAC可编程自动化控制器或PLC可编程自动化控制器。

5.根据权利要求4所述的住宅排水系统模拟实验装置，其特征在于：上述监控主机包括：

a、用于将采集的压力，液位、流量、风速信号转换为数字信号的模数转换器；

b、用于存储控制程序和检测数据的存储器；

c、用于输入控制程序和检测数据的输入设备；

d、用于完成程序中的数据计算、数据统计分析处理的运算器；

e、用于根据运算结果和程序控制程序的走向，并根据指定各部分协调操作的控制器；

f、用于实现检测数据动态显示的显示屏；

g、用于按照人们的需要将处理的结果输出的输出设备；

h、用于将输出的数字信号转换为控制信号的数模转换器；

i、用于连接打印机的打印机接口。

6.一种应用权利要求1-5任意一项所述住宅排水系统模拟实验装置的住宅排水系统模拟实验的检测方法，其特征在于步骤如下：

(1)、在住宅排水系统模拟实验装置主体建筑结构的测试层安装测试立管，并将测试立管与监控测试系统相连接，按照工程设计的要求，设置卫生器具和排水横支管，管末端用管堵堵上；

(2)、启动监控测试系统，由市政水管向低位水箱中注水，并控制水箱水位；

(3)、循环水泵将低位水箱中的水泵入高位水箱中，并通过给水管向洗衣机水龙头、洗浴器和便器供水，从最高排水负荷施加层开始至排水收集层采用远程控制洗浴器排水电磁阀以及便器自动排水装置的启闭，实现任意层、任意便器和洗浴器的组合排水；

(4)楼层控制器采集、储存各楼层差压式压力传感器的压力信号值，以及液位传感器、液位计、流量计、风速计的信号值，并将采集的信号经网络集线器传递给监测主机和数据库服务器；

(5)、监测主机分析、统计各层压力变化的最大值和最小值，并判断最大压力或最小压力是否达到了易导致存水弯水封破封的压力值，从而决定测试立管的最大排水流量和排水性能；

(6)、监测主机显示出测试立管的技术参数，储存在数据库服务器中，并由打印机打印出来。

7.根据权利要求6所述的住宅排水系统模拟实验的检测方法，其特征在于：上述差压式压力传感器的采集范围为-5000Pa～5000Pa，应答频率20Hz。

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