屋面集雨新技术研究——雨落管分流集雨装置

郑学琴，吴林键，高 梧，朱 笛，魏文馨，张文敬，李 怡

(重庆交通大学河海学院，重庆 南岸 400074)

雨水综合利用是指通过综合性的技术措施以实现雨水资源的多种目标和功能．其主要包括雨水的收集回用、渗透以回补地下水、排洪减涝、水景、屋顶绿化及太阳能利用等多种技术的综合［1-2］．本文致力于雨水的收集回用，提出一种屋面集雨新技术——雨落管分流集雨装置，以期为解决水资源短缺、减少各地洪涝灾害、改善自然生态环境、实现水资源可持续利用提供参考．

1 雨落管分流集雨装置

1．1 总体介绍

雨落管分流集雨装置如图1所示．该装置主要包含两大部分，左侧是通过雨落管分流器将平顶建筑物屋面汇流的雨水从雨落管中截获并分流出来，经由管道将所得的雨水输送到各层楼用户蓄水箱处，以实现雨水收集回用的装置．右侧为雨水分流装置，其核心构件为雨落管分流器，该部分乃整个雨落管分流集雨装置设计中最为巧妙之处;其二为雨水收集装置，包括PVC水管及蓄水箱．前者在不同平顶建筑物中其组成和构造基本一致，后者将根据建筑结构的不同而略有差异，笔者在下文的实例设计中予以阐述．

图1 雨落管分流集雨装置和雨水分流装置

1．2 雨落管分流器

雨落管分流器(后简称分流器)，是安放在雨落管内部，同雨落管、PVC水管联合使用，采用人工截流的方法以截获雨落管中自上而下的部分雨水，并将其通过PVC水管导入蓄水箱的构件．如图2所示，该构件由分流器身和分流器尾两部分构成，其正常工作的设计角度值为15°．

图2 雨落管分流器

分流器由聚苯乙烯塑料制成．该材料密度小、质量轻、易于成型和加工，便于大批量生产;同时该材料具有较好的耐腐蚀、耐酸碱、耐油、耐冲击性能和较好的机械强度［3］．该构件在设计中最为巧妙的地方是其形状为半圆柱形．由于雨水自上而下流动过程中沿着雨落管内壁向下流动［4］，故分流器将只能截取其中一部分雨水，其余雨水会继续沿管壁向下流．

若在平顶建筑物每层楼雨落管相应部位上安装上该构件，同时通过PVC水管与屋内蓄水箱相连，就可实现每层楼用户均可分得部分雨水，将落至平顶建筑物屋面的雨水收集到各层楼的每家每户．该构件乃整个雨落管分流集雨装置的核心和灵魂所在．

1．3 运行过程

如图3所示，雨水从天而降落至平顶建筑物屋面，雨水在屋面将沿着各种不同的方向汇流(雨水汇流方向如图5所示)进入雨落管中，雨水自雨落管中顺流而下，部分雨水将被安置在雨落管内的分流器所截获，后经由PVC水管导入蓄水箱中，在蓄水箱内对所收集的雨水进行简易过滤净化处理后，可将雨水用于冲洗厕所、浇灌植物等．

图3 雨落管分流集雨装置工作流程

2 实例设计

以重庆地区某高校一栋平顶学生宿舍单元楼(后简称单元楼)作为实例，参照GB 50400-2006《建筑与小区雨水利用工程技术规范》［1］中的相关规定对其进行改造设计．将雨落管分流集雨装置加入其中，按照该地区2年重现期日降雨量100 mm［5］作为设计标准，其目的是将更多的“天外之水”收归己用．

2．1 宿舍单元楼概况

图4为原宿舍单元楼仿真模型示意图．该单元楼的总建筑面积为10 347 m2，其中用地面积为 4 972．5 m2，各层建筑面积为 1 478．15 m2，每个单间的建筑面积大小为34．4 m2(含公用面积)，共301个标间，每层楼层高3 m，共7层，总高度23．4 m．

图4 原宿舍单元楼仿真模型示意图

单元楼屋面使用卷材防水，上面设架空隔热层．屋面为炉渣建筑找坡，坡度均为2%，屋面女儿墙设240×240钢筋混凝土造柱．如图5所示，图中箭头所示方向为屋面的雨水汇流方向，屋面汇水面积约1 346．46 m2．该单元楼共设13根雨落管，具体位置如图中实心圆点所示．

图5 屋面雨水汇流示意图

2．2 雨落管分流集雨装置各构件设计

2．2．1 雨落管分流器

单元楼雨落管内直径为100 mm，如图6所示，为方便分流器与雨落管二者间的尺寸相协调，设计分流器身为一外直径为100 mm、高为10 mm的半圆柱体，在其上开一个内直径为90 mm、深约5 mm的半圆槽，同时在垂直于AB边的方向，位于圆的像限点部位镶接上分流器尾，其主要作用是与PVC水管相连．

图6 雨落管分流器尺寸图

2．2．2 PVC 水管

雨落管分流集雨装置需要用到两种不同规格的PVC水管，设计其一为内直径等于30 mm，外直径为32～35 mm的PVC聚氯乙烯管;选用其二为内直径等于20 mm，外直径为22～25 mm的PVC聚氯乙烯管．前者为使其能够与分流器充分结合;后者可将大直径管中的雨水分至各户的蓄水箱中．

2．2．3 雨落管及其开孔尺寸

雨落管是指将建筑物屋顶或平台上的雨水引到地下排水管道或其他处理手段的安装在室内、外的竖向排水管道［6］．单元楼雨落管总长度约23 m，内径为100 mm，采用PVC硬质聚氯乙烯塑料制成．

为确保分流器身部分能够顺利放入雨落管内，使其边缘能够与雨落管内壁紧密结合使用，同时又要保证分流器尾连接上大直径PVC水管后能够在雨落管上正常固定，根据大直径水管内直径为30 mm，外直径约31～33 mm的特性，在雨落管的外管壁上设计圆形开孔尺寸约为D=32 mm．

如图7所示，由于分流器需通过旋转方式将其装入雨落管中，由此可计算得出理论开孔高度为h=80．62 mm．同时，又由于雨落管自身存在壁厚，故设计开孔的高度H应略大于理论值h，取H=85 mm，尺寸大小如图8(左)所示．

图7 开孔高度h值确定图示

图8 雨落管开孔尺寸示意图

2．2．4 蓄水箱尺寸设计

雨落管分流集雨装置的蓄水箱采用硬质PVC塑料制成．按照重庆地区2年重现期的日降雨量为100 mm的标准来进行设计，单元楼屋面汇水总面积为1 346．46 m2，共13根雨落管，其位置分布如图5所示．

假设屋面雨水汇流进入每一根雨落管的雨水体积均相等，按照标准降雨量降雨历时1 d为准，则屋面所接收的雨水总量为

V=1 346．46 ×0．1=134．646 m3．

设屋面雨水总量将均匀分配到每一根雨落管中，则单根雨落管中所得雨水数量为

假设每层楼所截获的雨水体积相同，又由于在第7层楼上安装有其余设施，只需考虑余下6层楼所截获的雨水．忽略雨水汇流过程中的蒸发和径流损失以及雨水在雨落管中流动时的沿程水头损失和局部水头损失［4］，假设屋面上所汇流的全部雨水都通过雨落管流向下面6层楼中，故每层楼所得到的雨水体积约为

图9 宿舍单元楼区域分布图

根据单元楼的雨落管分布情况(如图9所示)，将每层楼的房间按其所在的地区共分为4个区域(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区)．由图9可知，位于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区域的房间两侧均有2根雨落管，而Ⅰ区域只有1根．按照(3)式，可计算得到1层楼各个区域内每个单间的最大蓄水量w的数值：

式中，w为每层楼各区域内每个房间最大蓄水量，单位为m3;Vm为每层楼所分得的雨水量，取Vm=1．7 m3;n1为各区域紧邻的雨落管数量，单位为根;n2为每层楼各区域内的房间数，单位为间．

计算结果如表1所示．

表1 最大蓄水量及蓄水箱尺寸

从该单元楼所在地区的多年平均降雨量分布规律［5］结合各方面原因分析可知，一般情况下各单间的蓄水总量达不到设计上限值．同时为方便对其进行批量生产，故取其设计值大小为C=0．5 m3，蓄水箱设计尺寸大小为1 300×400×1 000 mm3．同时，为防止空气中的细颗粒粉尘和沙子进入水箱堵塞出水口，特在水箱中加入一尺寸大小为 1．0 ×0．4=0．4 m2的不锈钢过滤网(孔径≤1 mm)用以简单过滤雨水中的固体颗粒杂质．

由图10可知，该单元楼的阳台与厕所之间仅有一墙之隔，故可直接通过一根PVC水管将蓄水箱中收集的雨水直接引入厕所中实现雨水的利用过程，其构造如图11所示．

图10 宿舍单元楼单间平面图

图11 蓄水箱的安装及使用

2．3 雨落管分流集雨装置整体模型

综上所述，将 2．2．1 至2．2．4 中各个构件安装组合起来，即可得到如图1所示的单个雨落管分流集雨装置．如图12所示，可将整套装置按照一定的分布安装到整栋单元楼中，就可得到新型宿舍单元楼，实现对其屋面雨水的收集和利用．

图12 新型宿舍单元楼仿真模型示意图

2．4 材料成本预算

设计将每套雨落管分流集雨装置安装在该单元楼的1～6层楼中每个单间中，该单元楼中共有258个单间，共13根雨落管．

依照GB/T 10002．1-2006《给水用硬聚氯乙烯(PVC-U) 管材》［7］，GB/T 24452-2009《建筑物内排污、废水(高、低温)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种规范，对该装置所用到材料的成本进行大致预算，结果如表2所示．

表2 材料成本预算

上述表2计算得到构件所需的材料总共花费约14 076元，而该单元楼的单层建筑面积为1 478．15 m2，6 层楼的建筑总面积约 8 869 m2，共258个单间，计算得到花费在材料上的成本费用约为55元 /单间，折合为约1．59元/ m2．就材料费用而言，一般的家庭完全能够承受这笔费用．

2．5 经济效益分析

雨水分流集雨装置整体运行费用低廉，直接经济效益突出，可节省市政和居民用水开支，而重庆市当地的自来水费用(含污水处理费)约为3～5元?t(计算时取4元/t)，从该装置运行管理和小区用水费用支出分析，投入收集1 m3雨水的年运行费用不足0．10 元［8］．

按照重庆地区一年的平均降雨量约1 200 mm［5］来计算改宿舍单元楼一年所节省的冲厕水费，屋面汇水总面积值的大小为1 346．46 m2，1年内可得到的雨水总量：

假设不考虑雨水的其他任何损失，1年内该单元楼总共可节约冲厕和浇花等项目的水费为

折合得25元?单间，即用户在约2．2年的时间里可收回该装置的材料成本费用，该装置整体经济效益十分可观．

3 推广应用

雨落管分流集雨装置可真正实现雨水利用资源化、普及范围扩大化以及参与对象个体化．该装置具有整体构造简单，易于对平顶建筑物施工改造;使用材料绿色环保，材料成本费用低廉;其构件制作方式简单，可进行批量生产;同时分流器设计巧妙，可实现每层楼用户均可截获部分雨水等优点，且其直接经济效益十分可观．但该装置的主要对象大多适用于已经建设完成的，且正在投入和使用的建筑物中．

当前，我国建筑雨水收集利用在政策和技术上均已具备一定的基础和发展的条件，且国内各个产业规模的扩大也对其发展提供了富有潜力的市场空间．因此，应先将这一创新思想和实施途径逐步推广到一些中、小型城市当中，逐渐发展成为具有一定规模的城市雨水综合利用系统［2］．这将是一项以我国当前的社会、生态、经济效益并重，且有利于民生发展的良好措施，也是符合“绿色水利”、“资源化水利”和“经济型水利”核心思想的综合项目，故雨落管分流集雨装置在雨水综合利用系统领域内拥有广阔的发展前景．

［1］GB 50400-2006建筑与小区雨水利用工程技术规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2006．

［2］车伍，李俊奇．城市雨水利用技术与管理［M］．北京：中国建筑工业出版社，2006．

［3］甘国成，陈小辉．给水管网工程中的PVC-U管［J］．商品与质量，2009(7)：92-93．

［4］吴持恭．水力学：上册［M］．北京：高等教育出版社，2008．

［5］刘成义．重庆年鉴［M］．重庆：重庆年鉴出版社，2001．

［6］马景峰，陈立君．PVC-U管应用中应注意的几个问题［J］．工程塑料应用，2005(6)：47-48．

［7］GB/T 10002．1-2006给水用硬聚氯乙烯(PVC-U)管材［S］．北京：中国标准出版社，2006．

［8］GB/T 24452-2009建筑物内排污、废水(高、低温)用氯化聚氯乙烯(PVC-C)管材和管件［S］．北京：中国标准出版社，2010．

［9］GB/T 5836．2-2006建筑排水用硬聚氯乙烯(PVCU)管件［S］．北京：中国标准出版社，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：中国标准出版社，2000．