蘭玥瑩 王守榮 裴文韜 王麗娟 高紀(jì)春 武 雪 趙之淇 趙金輝

(南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，江蘇 南京 211800)

1 背景及意義

近幾十年來，建筑的結(jié)構(gòu)安全性、功能性、舒適性和節(jié)能性能等方面日益受到關(guān)注并取得了很大進(jìn)步，建筑設(shè)備配套日趨完備，但對(duì)建筑排水系統(tǒng)關(guān)注度較低，常停留在能否將污水排除的基本功能方面。建筑排水管內(nèi)呈三相混合流態(tài)，排水狀態(tài)下管內(nèi)過大正壓或負(fù)壓變化均可導(dǎo)致水封破壞從而使排水系統(tǒng)中的氣體逸出至室內(nèi)。秦紀(jì)偉等[1]先后對(duì)北京等五個(gè)城市住宅排水進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果表明目前多數(shù)住宅排水系統(tǒng)均存在不同程度返臭氣、漏水、噪聲大和排水不暢等問題。

實(shí)際上，除返臭問題外，建筑排水立管內(nèi)部及衛(wèi)生器具表面，微生物大量繁殖，本身存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)[2]。劉德明等[3]對(duì)高校宿舍排水系統(tǒng)中微生物污染特征研究表明，排水立管管壁上菌落總數(shù)高達(dá)1.58×1010CFU/cm2。Gormley等[4]指出建筑排水系統(tǒng)中，病毒等污染物可能會(huì)隨著氣體流動(dòng)，從而形成病毒的交叉?zhèn)鞑?。在傳播性疾病爆發(fā)的背景下，排水系統(tǒng)由于水封破壞等原因可帶來病原菌隨排水系統(tǒng)擴(kuò)散的不良后果。2003年我國香港淘大花園小區(qū)爆發(fā)的大規(guī)模嚴(yán)重急性呼吸綜合征(SARS，“非典”)事件，其中最直接的原因之一是排水系統(tǒng)的衛(wèi)生器具(主要為地漏)的水封干涸[5，6]。當(dāng)前，2019年年底開始爆發(fā)的新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)疫情仍在持續(xù)，鐘南山院士團(tuán)隊(duì)等相關(guān)研究表明受感染者的糞便及尿液中可檢出具活性病毒，再次引發(fā)公眾對(duì)于病毒是否會(huì)通過排水系統(tǒng)傳播以及該采取哪些措施的關(guān)注。鐘南山院士強(qiáng)調(diào)，防范新冠肺炎，保持下水道暢通極為重要。從基于病原菌風(fēng)險(xiǎn)防控、提升健康安全性角度，對(duì)建筑排水系統(tǒng)水封安全及相應(yīng)應(yīng)對(duì)措施方面尚待深入研究和探索。

我國在建筑排水領(lǐng)域近幾十年來主要從增加管道排水能力和減少氣壓波動(dòng)角度進(jìn)行過較多研究，但從基于病原菌風(fēng)險(xiǎn)防控角度對(duì)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和應(yīng)對(duì)措施以及排水系統(tǒng)病原菌傳播規(guī)律尚缺乏深入試驗(yàn)和實(shí)證研究。在當(dāng)前條件下，亟需基于疫情防控需求開展建筑排水系統(tǒng)安全相關(guān)關(guān)鍵問題研究，貫徹習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)的“要把人民群眾生命安全和身體健康放在第一位”重要指示，目的不僅在于深化我國建筑排水領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)研究，更在于為應(yīng)對(duì)類似SARS以及新冠肺炎情況下防止病原菌通過建筑排水系統(tǒng)傳播提供應(yīng)對(duì)措施，進(jìn)一步提升住宅建筑健康安全性水平，保障人民群眾生命安全與健康。

2 水封破壞的原因及需關(guān)注的關(guān)鍵問題

2.1 水封破壞的原因

長(zhǎng)期以來，對(duì)水封的作用主要認(rèn)為是通過一定高度存水液柱抵抗管網(wǎng)壓力波動(dòng)，避免臭氣進(jìn)入室內(nèi)，相關(guān)規(guī)范明確限制了地漏水封高度。實(shí)際上，隨著近年來研究深入，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到影響水封強(qiáng)度存在多元因素，如水封結(jié)構(gòu)、水封深度、水封比、水封容量、水封固有振蕩頻率等，基于水封安全和病原菌阻隔控制的多維控制參數(shù)優(yōu)化仍需深入探討[7]。此外，水封因產(chǎn)品自身缺陷、設(shè)計(jì)選用不當(dāng)、施工安裝不規(guī)范、日常疏于管理等因素發(fā)生水封破壞的現(xiàn)象常見。從建設(shè)、施工和使用過程分析，水封破環(huán)原因、破壞因素及現(xiàn)象特征總結(jié)分析見表1。

2.2 基于多維參數(shù)控制的關(guān)鍵問題分析

水封裝置(如存水彎)的性能至少可用水封深度和水封強(qiáng)度這兩個(gè)重要指標(biāo)來衡量。其他條件不變情況下，水封深度越大，越不易被破壞。但水封深度太大會(huì)容易導(dǎo)致沉積的雜質(zhì)堵塞，減弱存水彎的自凈能力。故水封深度需有低限值和高限值，一般取50 mm～100 mm。

除了水封深度參數(shù)之外，水封強(qiáng)度是指在水封深度固定不變的前提下，水封裝置的構(gòu)造變化導(dǎo)致的水封性能變化。用水封構(gòu)造尺寸表征的水封比需要用水封強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試及體現(xiàn)。但需注意的是水封強(qiáng)度的提高需同時(shí)滿足水封排水和自凈能力，目前一些新開發(fā)的水封在提高了水封強(qiáng)度的同時(shí)降低了排水和自凈能力，未來需進(jìn)一步基于多維參數(shù)控制需求，結(jié)合CJ/T 186—2018地漏及國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27710—2020地漏優(yōu)化和開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。

水封的誘導(dǎo)虹吸損失除了受負(fù)壓值的影響，還與負(fù)壓的振動(dòng)頻率和水封裝置中的水量或固有振蕩頻率有關(guān)。當(dāng)負(fù)壓的振動(dòng)頻率和水封裝置的固有振蕩頻率發(fā)生諧振時(shí)，水封損失加大。水容量小的水封裝置容易和排水立管中的負(fù)壓發(fā)生諧振，水封損失加大。

表1 水封破壞原因及特征分析

水封損失還與排水持續(xù)時(shí)間及壓力波動(dòng)的作用時(shí)間有關(guān)，排水持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)水封損失越大。有研究表明60 s持續(xù)排水，其水封損失值比5 s超出一倍以上。因此，基于短暫持續(xù)時(shí)間壓力條件下的結(jié)果不能作為水封是否破壞的判斷依據(jù)。

此外，當(dāng)前對(duì)水封排水流量、最小水封容量和水封強(qiáng)度等考慮主要是基于清水測(cè)試的結(jié)果，在水封安全性設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮實(shí)際應(yīng)用條件下水中含有雜質(zhì)及部分堵塞情況下對(duì)水封安全的影響。

3 地漏安全技術(shù)參數(shù)及安全措施

3.1 地漏安全技術(shù)參數(shù)

地漏使用中的問題除安裝因素外，產(chǎn)品本身安全性缺陷是主要的因素。在建筑生活排水系統(tǒng)中，地漏通常是最薄弱的環(huán)節(jié)。受排水系統(tǒng)中氣壓的變化，地漏內(nèi)的水封會(huì)發(fā)生波動(dòng)。提高水封抵抗正、負(fù)氣壓能力，直接關(guān)系到室內(nèi)環(huán)境衛(wèi)生質(zhì)量。

在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 186—2018地漏及國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27710—2020地漏之前，相關(guān)規(guī)范主要明確限制了地漏水封高度，對(duì)地漏其他技術(shù)參數(shù)以及合理選用等并未有較多明確規(guī)定。CJ/T 186—2018地漏對(duì)地漏的水封安全角度提出以下方面：

1)抗動(dòng)態(tài)氣壓能力。有水封的地漏在達(dá)到水封深度時(shí)，當(dāng)排水系統(tǒng)受到正負(fù)壓(±400 Pa±10 Pa)時(shí)，持續(xù)10 s，地漏中的剩余水封深度不應(yīng)小于25 mm；防虹吸式地漏剩余水封深度不應(yīng)小于35 mm。

2)水封深度、水封比、最小水封容量。有水封的地漏水封深度不應(yīng)低于50 mm，水封比不應(yīng)小于1.0；最小水封容量：DN50為160 mL，DN75為400 mL，DN100為860 mL，DN150為1 860 mL。目前市場(chǎng)上銷售的水封芯，其水封容量基本達(dá)不到上述要求。

3)自清能力。針對(duì)有水封地漏的規(guī)定，當(dāng)?shù)芈﹥?nèi)的水封部件不可拆卸清洗時(shí)，其自清能力應(yīng)達(dá)到90%以上，當(dāng)水封部件可拆卸清洗時(shí)，其自清能力應(yīng)能達(dá)到80%以上。

3.2 地漏安全措施與建議

1)科學(xué)合理的選擇地漏。市場(chǎng)上地漏產(chǎn)品種類繁雜，部分廠家玩弄概念，打著“防臭地漏”和“三防地漏”標(biāo)簽，推出的產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用中存在諸多問題[8]。正確的選擇地漏，關(guān)系到民生健康安全，應(yīng)根據(jù)住宅淋浴間、衛(wèi)生間以及公共建筑衛(wèi)生間、公共淋浴間等不同場(chǎng)所，選擇合適的地漏。應(yīng)嚴(yán)格遵守規(guī)范要求，禁止鐘罩式地漏的使用，并嚴(yán)格保證水封高度50 mm，將不合格的產(chǎn)品嚴(yán)格淘汰[9]。

2)加強(qiáng)地漏安全理論和新產(chǎn)品研發(fā)。長(zhǎng)期以來，公眾對(duì)地漏安全重要性認(rèn)識(shí)不足，近年來雖然逐步基于對(duì)地漏的新認(rèn)識(shí)開發(fā)了一些新產(chǎn)品，但由于相關(guān)研究尚不夠系統(tǒng)，部分開發(fā)的產(chǎn)品利用概念包裝或僅強(qiáng)調(diào)了某方面性能。未來應(yīng)進(jìn)一步重視對(duì)于地漏性能的研究，開發(fā)性能良好的適用性產(chǎn)品[9]。

3)加強(qiáng)日常管理。針對(duì)地漏長(zhǎng)期無水補(bǔ)充易導(dǎo)致干涸而造成臭氣外溢等問題，應(yīng)加強(qiáng)日常管理，在無經(jīng)常性地面排水的情況下，每隔一定時(shí)間給地漏補(bǔ)水，也可采用一些新型自動(dòng)補(bǔ)水地漏。公共建筑中物業(yè)管理人員應(yīng)加強(qiáng)日常維護(hù)，定期給地漏補(bǔ)水。

4 基于疫情防控視角的排水系統(tǒng)水封安全研究方向

水封是建筑排水系統(tǒng)中避免臭氣逸出至室內(nèi)的末端關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，也是避免排水系統(tǒng)中病原菌傳播的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。維持排水系統(tǒng)氣壓穩(wěn)定，確保水封功能發(fā)揮正常，需要研究以下幾個(gè)關(guān)鍵問題:

1)水封的多維控制參數(shù)。

包括日本在內(nèi)的一些國家以壓力變化值超過±400 Pa作為水封破壞的判定標(biāo)準(zhǔn)；歐洲規(guī)范中判定水封破壞通常以水封損失25 mm為標(biāo)準(zhǔn)；東京大學(xué)的鐮田教授、明治大學(xué)的坂上教授對(duì)水封損失和壓力變化之間的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)考證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)排水管內(nèi)壓力變化值為-40 mm H2O時(shí)水封損失值約為25 mm[10]。CJJ/T 245—2016住宅生活排水系統(tǒng)立管排水能力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)也以水封損失為25 mm時(shí)的壓力相對(duì)值為壓力判定值，采用瞬間流量法排水測(cè)試時(shí)最大壓力判定值為±300 Pa，定流量法排水時(shí)最大壓力判定值為±400 Pa。在當(dāng)前主要關(guān)注水封高度基礎(chǔ)上，基于水封安全和病原菌阻隔控制的多維控制參數(shù)優(yōu)化仍需深入探討并將相關(guān)研究成果應(yīng)用于工程實(shí)際[7]。

2)排水管設(shè)計(jì)取值的成本控制與安全度考量。

降低最大排水能力限值有利于穩(wěn)定管內(nèi)氣壓波動(dòng)，維持水封工作穩(wěn)定。但是設(shè)計(jì)人員在選用設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，常常以經(jīng)濟(jì)性和不突破規(guī)范的允許量為原則，選用不大于“最大設(shè)計(jì)排水能力”，或者不小于“最小設(shè)計(jì)管徑”等數(shù)值，并沒有過多考慮是否有安全度更高、使用更舒適的選項(xiàng)，不可避免地可能出現(xiàn)負(fù)荷大于基本設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)的不利狀況。此外，管徑選擇的依據(jù)主要基于排水設(shè)計(jì)秒流量，從近年來相關(guān)研究來看，我國現(xiàn)行規(guī)范中采用斯維什尼科夫(平方根法)計(jì)算的結(jié)果偏小，也小于概率法計(jì)算的結(jié)果[11]。因此，應(yīng)加大對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算公式和相關(guān)參數(shù)取值的研究，細(xì)化關(guān)鍵指標(biāo)，提高安全度，避免排水系統(tǒng)不利工況下因負(fù)壓抽吸、正壓噴濺等導(dǎo)致衛(wèi)生器具水封被破壞，造成不利氣體逸出。

3)復(fù)雜工況下的強(qiáng)化通氣措施實(shí)證。

對(duì)于當(dāng)前城市大量的高層住宅建筑而言，排水管內(nèi)氣壓變化更加復(fù)雜，目前主要采取的措施是設(shè)通氣管，按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范選擇確定的排水管和通氣管管徑僅能滿足臨界排水能力，較少關(guān)注排水管系中通氣能力和通氣量。在此基礎(chǔ)上，面對(duì)疫情傳播威脅，基于避免水封破壞和排水系統(tǒng)病原菌交叉?zhèn)鞑ィM(jìn)一步提升健康安全度的需求，有必要開展相關(guān)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證適當(dāng)放大管徑后強(qiáng)化排水系統(tǒng)的通氣功能的效應(yīng)等，以期達(dá)到使住宅建筑排水系統(tǒng)具有更高的健康安全性的目標(biāo)。

4)排水系統(tǒng)不利氣體的安全排放及對(duì)策。

建筑室外排水管以及伸頂通氣管會(huì)向大氣中擴(kuò)散這些不利氣體，也是需要考慮的潛在途徑。在雷神山、火神山醫(yī)院建設(shè)中也采取了對(duì)室外排水管道及伸頂通氣管排出的不利氣體進(jìn)行紫外線消毒的應(yīng)急措施，但相關(guān)針對(duì)性措施及其效果的系統(tǒng)性研究不多，實(shí)踐也不夠成熟，仍有待在研究探索基礎(chǔ)上提出可行的有效應(yīng)對(duì)措施。

5 結(jié)語

建筑排水系統(tǒng)水封安全事關(guān)建筑室內(nèi)環(huán)境舒適性與安全性已為人們所認(rèn)識(shí)，能夠防止排水管道臭氣逸散進(jìn)入室內(nèi)，影響健康和衛(wèi)生。近些年來在關(guān)注水封高度基礎(chǔ)上，已經(jīng)開展了水封和地漏安全多維安全參數(shù)研究，加深了對(duì)于水封破壞的原理和影響因素的認(rèn)知，也開發(fā)出來一些新產(chǎn)品。在疫情防控背景下，水封安全對(duì)于防止病原菌擴(kuò)散，保障人民群眾生命安全和身體健康具有重要意義。亟需從病原菌風(fēng)險(xiǎn)防控角度開展排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化和水封破壞應(yīng)對(duì)措施方面深入和系統(tǒng)研究，進(jìn)一步提升住宅建筑健康安全性水平，保障人民群眾生命安全與健康。