屋面集雨新技術(shù)研究——雨落管分流集雨裝置

鄭學(xué)琴，吳林鍵，高 梧，朱 笛，魏文馨，張文敬，李 怡

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 南岸 400074)

雨水綜合利用是指通過綜合性的技術(shù)措施以實現(xiàn)雨水資源的多種目標(biāo)和功能．其主要包括雨水的收集回用、滲透以回補地下水、排洪減澇、水景、屋頂綠化及太陽能利用等多種技術(shù)的綜合［1-2］．本文致力于雨水的收集回用，提出一種屋面集雨新技術(shù)——雨落管分流集雨裝置，以期為解決水資源短缺、減少各地洪澇災(zāi)害、改善自然生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用提供參考．

1 雨落管分流集雨裝置

1．1 總體介紹

雨落管分流集雨裝置如圖1所示．該裝置主要包含兩大部分，左側(cè)是通過雨落管分流器將平頂建筑物屋面匯流的雨水從雨落管中截獲并分流出來，經(jīng)由管道將所得的雨水輸送到各層樓用戶蓄水箱處，以實現(xiàn)雨水收集回用的裝置．右側(cè)為雨水分流裝置，其核心構(gòu)件為雨落管分流器，該部分乃整個雨落管分流集雨裝置設(shè)計中最為巧妙之處;其二為雨水收集裝置，包括PVC水管及蓄水箱．前者在不同平頂建筑物中其組成和構(gòu)造基本一致，后者將根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的不同而略有差異，筆者在下文的實例設(shè)計中予以闡述．

圖1 雨落管分流集雨裝置和雨水分流裝置

1．2 雨落管分流器

雨落管分流器(后簡稱分流器)，是安放在雨落管內(nèi)部，同雨落管、PVC水管聯(lián)合使用，采用人工截流的方法以截獲雨落管中自上而下的部分雨水，并將其通過PVC水管導(dǎo)入蓄水箱的構(gòu)件．如圖2所示，該構(gòu)件由分流器身和分流器尾兩部分構(gòu)成，其正常工作的設(shè)計角度值為15°．

圖2 雨落管分流器

分流器由聚苯乙烯塑料制成．該材料密度小、質(zhì)量輕、易于成型和加工，便于大批量生產(chǎn);同時該材料具有較好的耐腐蝕、耐酸堿、耐油、耐沖擊性能和較好的機械強度［3］．該構(gòu)件在設(shè)計中最為巧妙的地方是其形狀為半圓柱形．由于雨水自上而下流動過程中沿著雨落管內(nèi)壁向下流動［4］，故分流器將只能截取其中一部分雨水，其余雨水會繼續(xù)沿管壁向下流．

若在平頂建筑物每層樓雨落管相應(yīng)部位上安裝上該構(gòu)件，同時通過PVC水管與屋內(nèi)蓄水箱相連，就可實現(xiàn)每層樓用戶均可分得部分雨水，將落至平頂建筑物屋面的雨水收集到各層樓的每家每戶．該構(gòu)件乃整個雨落管分流集雨裝置的核心和靈魂所在．

1．3 運行過程

如圖3所示，雨水從天而降落至平頂建筑物屋面，雨水在屋面將沿著各種不同的方向匯流(雨水匯流方向如圖5所示)進入雨落管中，雨水自雨落管中順流而下，部分雨水將被安置在雨落管內(nèi)的分流器所截獲，后經(jīng)由PVC水管導(dǎo)入蓄水箱中，在蓄水箱內(nèi)對所收集的雨水進行簡易過濾凈化處理后，可將雨水用于沖洗廁所、澆灌植物等．

圖3 雨落管分流集雨裝置工作流程

2 實例設(shè)計

以重慶地區(qū)某高校一棟平頂學(xué)生宿舍單元樓(后簡稱單元樓)作為實例，參照GB 50400-2006《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》［1］中的相關(guān)規(guī)定對其進行改造設(shè)計．將雨落管分流集雨裝置加入其中，按照該地區(qū)2年重現(xiàn)期日降雨量100 mm［5］作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，其目的是將更多的“天外之水”收歸己用．

2．1 宿舍單元樓概況

圖4為原宿舍單元樓仿真模型示意圖．該單元樓的總建筑面積為10 347 m2，其中用地面積為 4 972．5 m2，各層建筑面積為 1 478．15 m2，每個單間的建筑面積大小為34．4 m2(含公用面積)，共301個標(biāo)間，每層樓層高3 m，共7層，總高度23．4 m．

圖4 原宿舍單元樓仿真模型示意圖

單元樓屋面使用卷材防水，上面設(shè)架空隔熱層．屋面為爐渣建筑找坡，坡度均為2%，屋面女兒墻設(shè)240×240鋼筋混凝土造柱．如圖5所示，圖中箭頭所示方向為屋面的雨水匯流方向，屋面匯水面積約1 346．46 m2．該單元樓共設(shè)13根雨落管，具體位置如圖中實心圓點所示．

圖5 屋面雨水匯流示意圖

2．2 雨落管分流集雨裝置各構(gòu)件設(shè)計

2．2．1 雨落管分流器

單元樓雨落管內(nèi)直徑為100 mm，如圖6所示，為方便分流器與雨落管二者間的尺寸相協(xié)調(diào)，設(shè)計分流器身為一外直徑為100 mm、高為10 mm的半圓柱體，在其上開一個內(nèi)直徑為90 mm、深約5 mm的半圓槽，同時在垂直于AB邊的方向，位于圓的像限點部位鑲接上分流器尾，其主要作用是與PVC水管相連．

圖6 雨落管分流器尺寸圖

2．2．2 PVC 水管

雨落管分流集雨裝置需要用到兩種不同規(guī)格的PVC水管，設(shè)計其一為內(nèi)直徑等于30 mm，外直徑為32～35 mm的PVC聚氯乙烯管;選用其二為內(nèi)直徑等于20 mm，外直徑為22～25 mm的PVC聚氯乙烯管．前者為使其能夠與分流器充分結(jié)合;后者可將大直徑管中的雨水分至各戶的蓄水箱中．

2．2．3 雨落管及其開孔尺寸

雨落管是指將建筑物屋頂或平臺上的雨水引到地下排水管道或其他處理手段的安裝在室內(nèi)、外的豎向排水管道［6］．單元樓雨落管總長度約23 m，內(nèi)徑為100 mm，采用PVC硬質(zhì)聚氯乙烯塑料制成．

為確保分流器身部分能夠順利放入雨落管內(nèi)，使其邊緣能夠與雨落管內(nèi)壁緊密結(jié)合使用，同時又要保證分流器尾連接上大直徑PVC水管后能夠在雨落管上正常固定，根據(jù)大直徑水管內(nèi)直徑為30 mm，外直徑約31～33 mm的特性，在雨落管的外管壁上設(shè)計圓形開孔尺寸約為D=32 mm．

如圖7所示，由于分流器需通過旋轉(zhuǎn)方式將其裝入雨落管中，由此可計算得出理論開孔高度為h=80．62 mm．同時，又由于雨落管自身存在壁厚，故設(shè)計開孔的高度H應(yīng)略大于理論值h，取H=85 mm，尺寸大小如圖8(左)所示．

圖7 開孔高度h值確定圖示

圖8 雨落管開孔尺寸示意圖

2．2．4 蓄水箱尺寸設(shè)計

雨落管分流集雨裝置的蓄水箱采用硬質(zhì)PVC塑料制成．按照重慶地區(qū)2年重現(xiàn)期的日降雨量為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)來進行設(shè)計，單元樓屋面匯水總面積為1 346．46 m2，共13根雨落管，其位置分布如圖5所示．

假設(shè)屋面雨水匯流進入每一根雨落管的雨水體積均相等，按照標(biāo)準(zhǔn)降雨量降雨歷時1 d為準(zhǔn)，則屋面所接收的雨水總量為

V=1 346．46 ×0．1=134．646 m3．

設(shè)屋面雨水總量將均勻分配到每一根雨落管中，則單根雨落管中所得雨水?dāng)?shù)量為

假設(shè)每層樓所截獲的雨水體積相同，又由于在第7層樓上安裝有其余設(shè)施，只需考慮余下6層樓所截獲的雨水．忽略雨水匯流過程中的蒸發(fā)和徑流損失以及雨水在雨落管中流動時的沿程水頭損失和局部水頭損失［4］，假設(shè)屋面上所匯流的全部雨水都通過雨落管流向下面6層樓中，故每層樓所得到的雨水體積約為

圖9 宿舍單元樓區(qū)域分布圖

根據(jù)單元樓的雨落管分布情況(如圖9所示)，將每層樓的房間按其所在的地區(qū)共分為4個區(qū)域(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū))．由圖9可知，位于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)域的房間兩側(cè)均有2根雨落管，而Ⅰ區(qū)域只有1根．按照(3)式，可計算得到1層樓各個區(qū)域內(nèi)每個單間的最大蓄水量w的數(shù)值：

式中，w為每層樓各區(qū)域內(nèi)每個房間最大蓄水量，單位為m3;Vm為每層樓所分得的雨水量，取Vm=1．7 m3;n1為各區(qū)域緊鄰的雨落管數(shù)量，單位為根;n2為每層樓各區(qū)域內(nèi)的房間數(shù)，單位為間．

計算結(jié)果如表1所示．

表1 最大蓄水量及蓄水箱尺寸

從該單元樓所在地區(qū)的多年平均降雨量分布規(guī)律［5］結(jié)合各方面原因分析可知，一般情況下各單間的蓄水總量達不到設(shè)計上限值．同時為方便對其進行批量生產(chǎn)，故取其設(shè)計值大小為C=0．5 m3，蓄水箱設(shè)計尺寸大小為1 300×400×1 000 mm3．同時，為防止空氣中的細(xì)顆粒粉塵和沙子進入水箱堵塞出水口，特在水箱中加入一尺寸大小為 1．0 ×0．4=0．4 m2的不銹鋼過濾網(wǎng)(孔徑≤1 mm)用以簡單過濾雨水中的固體顆粒雜質(zhì)．

由圖10可知，該單元樓的陽臺與廁所之間僅有一墻之隔，故可直接通過一根PVC水管將蓄水箱中收集的雨水直接引入廁所中實現(xiàn)雨水的利用過程，其構(gòu)造如圖11所示．

圖10 宿舍單元樓單間平面圖

圖11 蓄水箱的安裝及使用

2．3 雨落管分流集雨裝置整體模型

綜上所述，將 2．2．1 至2．2．4 中各個構(gòu)件安裝組合起來，即可得到如圖1所示的單個雨落管分流集雨裝置．如圖12所示，可將整套裝置按照一定的分布安裝到整棟單元樓中，就可得到新型宿舍單元樓，實現(xiàn)對其屋面雨水的收集和利用．

圖12 新型宿舍單元樓仿真模型示意圖

2．4 材料成本預(yù)算

設(shè)計將每套雨落管分流集雨裝置安裝在該單元樓的1～6層樓中每個單間中，該單元樓中共有258個單間，共13根雨落管．

依照GB/T 10002．1-2006《給水用硬聚氯乙烯(PVC-U) 管材》［7］，GB/T 24452-2009《建筑物內(nèi)排污、廢水(高、低溫)用氯化聚氯乙烯(PVC-C) 管材和管件》［8］，GB/T 5836．2-2006《建筑排水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管件》［9］以及QB/T 2480-2000《建筑用硬聚氯乙烯(PVC-U)雨落水管材及管件》［10］4種規(guī)范，對該裝置所用到材料的成本進行大致預(yù)算，結(jié)果如表2所示．

表2 材料成本預(yù)算

上述表2計算得到構(gòu)件所需的材料總共花費約14 076元，而該單元樓的單層建筑面積為1 478．15 m2，6 層樓的建筑總面積約 8 869 m2，共258個單間，計算得到花費在材料上的成本費用約為55元 /單間，折合為約1．59元/ m2．就材料費用而言，一般的家庭完全能夠承受這筆費用．

2．5 經(jīng)濟效益分析

雨水分流集雨裝置整體運行費用低廉，直接經(jīng)濟效益突出，可節(jié)省市政和居民用水開支，而重慶市當(dāng)?shù)氐淖詠硭M用(含污水處理費)約為3～5元?t(計算時取4元/t)，從該裝置運行管理和小區(qū)用水費用支出分析，投入收集1 m3雨水的年運行費用不足0．10 元［8］．

按照重慶地區(qū)一年的平均降雨量約1 200 mm［5］來計算改宿舍單元樓一年所節(jié)省的沖廁水費，屋面匯水總面積值的大小為1 346．46 m2，1年內(nèi)可得到的雨水總量：

假設(shè)不考慮雨水的其他任何損失，1年內(nèi)該單元樓總共可節(jié)約沖廁和澆花等項目的水費為

折合得25元?單間，即用戶在約2．2年的時間里可收回該裝置的材料成本費用，該裝置整體經(jīng)濟效益十分可觀．

3 推廣應(yīng)用

雨落管分流集雨裝置可真正實現(xiàn)雨水利用資源化、普及范圍擴大化以及參與對象個體化．該裝置具有整體構(gòu)造簡單，易于對平頂建筑物施工改造;使用材料綠色環(huán)保，材料成本費用低廉;其構(gòu)件制作方式簡單，可進行批量生產(chǎn);同時分流器設(shè)計巧妙，可實現(xiàn)每層樓用戶均可截獲部分雨水等優(yōu)點，且其直接經(jīng)濟效益十分可觀．但該裝置的主要對象大多適用于已經(jīng)建設(shè)完成的，且正在投入和使用的建筑物中．

當(dāng)前，我國建筑雨水收集利用在政策和技術(shù)上均已具備一定的基礎(chǔ)和發(fā)展的條件，且國內(nèi)各個產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴大也對其發(fā)展提供了富有潛力的市場空間．因此，應(yīng)先將這一創(chuàng)新思想和實施途徑逐步推廣到一些中、小型城市當(dāng)中，逐漸發(fā)展成為具有一定規(guī)模的城市雨水綜合利用系統(tǒng)［2］．這將是一項以我國當(dāng)前的社會、生態(tài)、經(jīng)濟效益并重，且有利于民生發(fā)展的良好措施，也是符合“綠色水利”、“資源化水利”和“經(jīng)濟型水利”核心思想的綜合項目，故雨落管分流集雨裝置在雨水綜合利用系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)擁有廣闊的發(fā)展前景．

［1］GB 50400-2006建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006．

［2］車伍，李俊奇．城市雨水利用技術(shù)與管理［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006．

［3］甘國成，陳小輝．給水管網(wǎng)工程中的PVC-U管［J］．商品與質(zhì)量，2009(7)：92-93．

［4］吳持恭．水力學(xué)：上冊［M］．北京：高等教育出版社，2008．

［5］劉成義．重慶年鑒［M］．重慶：重慶年鑒出版社，2001．

［6］馬景峰，陳立君．PVC-U管應(yīng)用中應(yīng)注意的幾個問題［J］．工程塑料應(yīng)用，2005(6)：47-48．

［7］GB/T 10002．1-2006給水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006．

［8］GB/T 24452-2009建筑物內(nèi)排污、廢水(高、低溫)用氯化聚氯乙烯(PVC-C)管材和管件［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010．

［9］GB/T 5836．2-2006建筑排水用硬聚氯乙烯(PVCU)管件［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006．

［10］QB/T 2480-2000建筑用硬聚氯乙烯(PVC-U)雨落水管材及管件［S］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000．