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典型屋面雨水排水系统的排水效能分析

时间:2020-09-27    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大


典型屋面雨水排水系统的排水效能分析
何 婷 婷
S
史 志 鹏 1 2 , 吴 小 青 3
( 1 .江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 建 筑 设 备 与 市 政 工 程 学 院 ,江 苏 徐 州 221116;
2.西 北 农 林 科 技 大 学 水 利 与 建 筑 工 程 学 院 ,陕 西 杨 凌 712100
3.江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 建 筑 设 计 与 装 饰 学 院 ,江 苏 徐 州 221116)
摘 要 :为 了 进 一 步 给 屋 面 排 水 系 统 选 型 提 供 依 据 ,选 取 重 力 型 、虹 吸 型 和 雨 控 型 屋 面 排 水 系 统
为 研 究 对 象 ,采 用 F L U E N T 软 件 进 行 排 水 过 程 的 模 拟 ,研 究 3 种 系 统 的 排 水 流 量 、管道压力和最
大排水面 积 .结 果 表 明 :雨 控 型 屋 面 排 水 系 统 虽 然 排 水 流 量 小 ,但 是 可 承 担 较 大 的 排 水 面 积 ,节能
减 耗 潜 力 较 大 ;虹 吸 雨 水 系 统 在 立 管 管 段 产 生 的 负 压 范 围 大 ,并 且 最 大 负 压 值 也 最 大 ,可在减小管
径 的 条 件 下 在 很 短 时 间 内 将 雨 水 排 走 ,适合大型建筑和高层建筑使用 .
关 键 词 :屋 面 排 水 ;重 力 型 ;虹 吸 型 ;雨控型
中图分类号 : T U 992 文 献 标 志 码 : A 文 章 编 号 :2095 3550(2017)03 0047 04
Drainage effectiveness analysis of typical roof rainwater drainage system
H E T in g lin g
1 ,
S H I Z hipeng1,2, WU Xiaoqing
6
(1. School of Construction Equipment and Municipal Engineering, Jiangsu Vocational Institute of Architec
tural Technology,Xuzhou, Jiangsu 221116,China;2. College of Water Resources and Architectural Technol
ogy , Northwest A&F
University,Yangling, Shaanxi 712100,China;3. School ofArchitecturalD esign and
Decoration, Jiangsu Vocational Institute of Architectural Technology,Xuzhou, Jiangsu 221116,China )
Abstract : In order to provide a basis for
system selection of roof drainage system , we
select
three
kinds
of
roof drainage system
such
as
the
gravity rainwater drainage
system , siphon roof
rainwater
drainage system
and rain control rainwater
drainage system as
the
research objects, using
F L U E N T software
for
simulating
the drainage process of the
three
kinds
roof drainages
and
study
the
drainage flow , pipe
pressure and
maxi
mum drainage area. The result shows that although the rain control type roof drainage system drainage
flow is sm all, butit can bear larger drainage area and its potential of energy conservation and consumption
reduction is great. The siphon rainwater drainage system has
maximum
negative pressure and
biggett nega
tive pressure range
in vertical
tubes and
the
rainwater can be drained away as soon as possible while its pipe
diameter decreases, which is suitable for large and high-rise buildings.
Key words : roof rainw ater d rainage; gravity system ; siphon system ; rain control system
收 稿 日 期 :2017 06 22
基 金 项 目 :住 房 和 城 乡 建 设 部 2 0 1 6年 科 学 技 术 项 目 :苏北地区屋顶
绿 化 及 雨 水 回 收 利 用 技 术 研 究 (0 1 6 - K 1 - 0 2 8 ) ; 江苏省
住 房 与 城 乡 建 设 厅 20 1 6科 技 项 目 :校园内海绵系统建设
的目标、方 法 与 关 键 技 术 研 究 (016ZD80)
作 者 简 介 :何 婷 婷 ,女 ,陕 西 武 功 人 ,讲 师 ,硕 士 ,主 要 研 究 方
向为节水理论与技术 .
^ - m ail: h tt821002@126. com
随 着 现 代 建 筑 业 的 不 断 发 展 ,“大 面 积 ,大体
量 ”的 建 筑 不 断 涌 现 在 人 们 的 视 野 里 .屋 面 排 水 作
为 建 筑 排 水 的 一 个 重 要 内 容 ,其 造 价 和 排 水 效 能 对
整个排 水 系 统 至 关 重 要 [16]. 以 前 ,我国 的 屋 面 排 水
主 要 以 重 力 流 和 半 有 压 流 系 统 为 主 . 近 年 来 ,虹吸
式 屋 面 排 水 系 统 越 来 越 占 据 主 导 地 位 715 ]. 除此以
外 ,一 些 学 者 还 在 积 极 探 索 新 型 的 排 水 系 统 ,如雨
控 型 屋 面 排 水 系 统 等 [2].这 些 排 水 系 统 排 水 原 理 和4
江苏建筑职业技术学院学报
第 1 7 卷
图 2
雨水斗斗前水深和排水流量关系
Fig. 2 Relationship of rain water depth and drainage
flow for rainwater heads
从 图 2 可 以 看 出 ,在 降 雨 初 期 ,随 着 斗 前 水 深
的 增 加 ,雨 水 斗 的 排 水 流 量 均 在 增 大 ,但 是 同 一 时
间 ,一 个 堰 口 的 雨 控 型 雨 水 斗 的 排 水 能 力 要 低 于 虹
吸 式 雨 水 斗 . 这 是 由 于 在 泄 流 的 初 始 阶 段 ,雨控型
雨 水 斗 的 掺 气 量 较 大 ,泄 流 量 较 小 ,雨 水 在 管 内 呈
附 壁 流 或 膜 状 流 ,当 初 始 条 件 相 同 时 ,雨 控 型 雨 水
斗 的 排 水 流 量 小 ,所 以 排 水 历 时 较 长 . 相 比 于 虹 吸
式 屋 面 排 水 系 统 ,雨 控 型 排 水 系 统 对 于 屋 面 的 承 重
要 求 较 高 ,因 其 在 排 水 过 程 中 ,屋 面 总 是 保 持 一 定
的 水 深 ,因 此 ,对 于 屋 面 防 水 要 求 也 较 高 ,并且要求
屋 面 一 定 要 有 溢 流 设 施 ,防止屋面雨水进入室内 .
2 . 2 排水过程中管道压力的变化
3 种 排 水 系 统 的 组 成 基 本 相 同 ,只 是 雨 水 斗 形
式 分 别 采 用 8 7 雨 水 斗 、虹 吸 雨 水 斗 和 雨 控 型 雨 水
斗 ,雨 水 管 管 径 均 采 用 D N 100,单 斗 单 管 的 形 式 ,当
水 设 计 流 量 一 定 时 ,雨 控 型 屋 面 雨 水 排 水 系 统 可 承
担 的 汇 水 面 积 将 比 较 大 ,排 水 时 间 将 比 较 长 ,因而
对于降低暴雨洪峰流量和调蓄洪水具有比较明显
的作用.
2 头验结果与分析
2 . 1 排水流量比较
为了更好的分析雨水斗的排水流量和斗前水
深 的 关 系 ,选 取 虹 吸 雨 水 斗 和 雨 控 雨 水 斗 为 研 究 对
象 . 在 雨 水 斗 的 上 部 同 样 高 度 设 置 水 箱 ,通过控制
水 箱 的 进 水 流 量 来 控 制 斗 前 水 深 ,雨 水 斗 下 部 连 接
雨 水 管 ,雨 水 管 末 端 连 接 量 水 容 器 .从 实 验 幵 始 ,每
隔一定时间通过量测容器中的水量来计算雨水斗
的 排 水 流 量 ,每 个 斗 前 水 深 值 进 行 3 次 重 复 实 验 ,
取 平 均 值 . 系 统 采 用 单 斗 形 式 ,排 水 管 管 径 均 为
D N 100,长 度 相 同 ,通 过 实 测 资 料 数 据 得 出 ,雨水斗
斗 前 水 深 和 系 统 排 水 流 量 关 系 ,如 图 2 所示.
效 能 各 不 相 同 ,工 程 中 究 竟 选 用 何 种 排 水 系 统 ,既
能 安 全 排 水 ,又 能 降 低 工 程 造 价 和 节 省 能 耗 ,就成
为 研 究 人 员 越 来 越 关 注 的 问 题 [16 18].笔者 选 取 目 前
工 程 中 应 用 较 多 的 3 种 屋 面 排 水 系 统 ,从 排 水 流
量 、排 水 面 积 、管 道 压 力 变 化 和 造 价 等 方 面 进 行 比
较 ,为今后屋面排水系统的选择提供参考依据 .
1 模型的构建与设计
选 取 目 前 较 典 型 的 3 种 屋 面 排 水 系 统 :重力流
屋 面 排 水 系 统 、虹 吸 式 屋 面 排 水 系 统 和 屋 面 雨 水 流
量 控 制 系 统 .排 水 系 统 采 用 单 斗 设 计 ,采 用 C A D 建
模 后 ,利 用 F L U E N T 软件进行排水过程的模拟研
究 ,分 析 排 水 系 统 的 压 力 、流 量 等 的 变 化 ,再和实测
资料进行对比分析.系统除选用的雨水斗形式不同
以 外 ,排 水 管 管 径 、长 度 、布 置 以 及 屋 面 结 构 和 形 式
均 相 同 .屋 面 排 水 系 统 一 般 由 雨 水 斗 、连 接 管 、雨水
悬 吊 管 和 排 水 管 组 成 ,如 图 1 所示.
图 1
排水系统组成示意
Fig. 1 Component diagram of three rainwater drainage systems
采 用 规 范 推 荐 标 准 ,设 计 暴 雨 强 度 和 雨 水 流
量 ,分 别 采 用 下 列 公 式 :
167A (1 + c lg P )
q
(1)
t + b)n
Q = 氄mq F , (2)
式中:P 为设计重现期 , a t 为降雨历时,m i n q 为设
计暴雨强度,
L /s ;氄m 为流量径流系数; Q 为雨水设
计流量,L / ( s • hm2);A 、
b、
c 、
n 均为当地降雨参数;
F 为汇水面积,hm 2.
在 相 同 条 件 下 (地 理 位 置 、汇 水 面 积 、屋 面 形
式 、雨 水 管 管 径 均 相 同 ),3 种 屋 面 排 水 系 统 的 设 计
暴 雨 强 度 应 该 是 相 同 的 ,但 是 研 究 发 现 ,与 其 他 两
种 系 统 相 比 ,雨 控 型 雨 水 排 水 系 统 的 雨 水 斗 具 有 调
蓄雨水的作用.降雨历时 t 可以采用室外雨水管渠
的设计计算公式 t =
t + m t ,其 中 t 和前两种系统
取 值 一 样 ,为 5 m i n t 根据屋面形式和面积大小确
定 ,m 取 值 大 于 1 ,一般雨控型屋面排水系统的降雨
历时^取值大于5 m in. 因 此 ,由式(1 )计算出来的雨
控 型 屋 面 雨 水 排 水 系 统 的 暴 雨 强 度 会 比 较 小 ,当雨
00
60
20
80
40
60
20
3
2
2
1
1
1
8第 3 期
何 婷 婷 ,等 :典 型 屋 面 雨 水 排 水 系 统 的 排 水 效 能 分 析
暋9
压 力 / kPa
(b ) 虹吸雨水排水系统
压 力 / kPa
(a ) 重力流排水系统
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
压 力 / kPa
( c ) 雨控型雨水排水系统
图 3
系统实测值和模拟值比较
Fig. 3 Comparison of measured and simulated
values of drainage systems
另 外 ,当给定流量时,3 种系统的模拟值和实测值
均呈现较好的相关性,变化趋势也基本一致,说明利用
F L U E N T 可以较好的模拟管道排水的过程,其中重力
流排水系统的模拟值和实测值拟合最好,这是因为重
力流排水系统的雨水斗构造简单,因此和所建模型最
为相近,模拟结果可靠度最高 .相比而言,雨控型排水
系统的雨水斗由于有堰口和流量控制罩,构造复杂,利
用 C A D 建模时将其部分构造简化,因此,实测值和模
拟值模拟效果较差.而虹吸雨水排水系统的实测值和
模拟值在悬吊管和立管段拟合度都较好,只是在排出
管段出现了不一致的现象,分析认为系统模拟是在给
定边界条件的理想状态下进行,而实际使用中,排水管
中雨水的流态是非常复杂的,因此会在局部出现二者
的不一致.总体而言,F L U E N T 能够较好的模拟雨水
的排出过程,也能准确描述管道压力的分布和随时间
的变化.
2. 3 最大排水面积
当系统管道均为 D N 100, 系统均为单斗形式 ,
雨控型雨水斗为一个堰口时 ,8 7重力雨水斗 、虹吸
雨水斗和雨控型雨水斗的最大排水面积分别为
800 m2、1 250 m2 和 1 356 m2.不 难 看 出 ,雨控型雨
米 用 8 7 雨 水 斗 的 半 有 压 雨 水 排 水 系 统 时 ,雨水悬
吊 管 采 用 不 小 于 0. 0 0 5 的 坡 度 ,其 余 均 设 置 和 其 他
两 类 系 统 相 同 .通 过 系 统 模 拟 后 发 现 ,给 定 相 同 的
边 界 条 件 ,流 态 稳 定 后 ,在 连 接 管 、悬吊管和立管中
均 出 现 了 不 同 程 度 的 负 压 ,其 中 虹 吸 式 雨 水 排 水 系
统在悬吊管和立管连接处的负压达到最大.
模 拟 雨 水 排 出 过 程 的 具 体 方 法 是 :根据实际雨
水 斗 的 大 小 和 形 式 ,按 照 一 定 的 集 雨 面 积 ,通过简
化 雨 水 斗 的 构 造 建 立 排 水 系 统 的 三 维 模 型 (包括屋
顶 边 界 、雨 水 斗 、悬 吊 管 、立 管 和 排 水 管 )其中悬吊
管 长 度 设 置 为 300 m m ,立 管 为 3 500 m m ,排出管为
1 000 m m ,3 个 模 型 除 了 雨 水 斗 形 式 不 同 ,其余均相
同 .为 了 排 除 相 邻 雨 水 斗 之 间 的 干 扰 和 影 响 ,雨水
斗 全 部 采 用 单 斗 设 计 ,利 用 I C E M 软件进行网格划
分 ,网 格 单 元 数 为 1 6 0 万 个 ;固 体 壁 面 采 用 无 滑 移
的 壁 面 边 界 条 件 ,进 口 条 件 为 流 量 边 界 ,出口设定
为 自 由 出 流 ,空 气 的 进 出 口 边 界 均 为 大 气 压 条 件 ;
按 照 非 稳 态 计 算 ,采 用 有 限 体 积 法 进 行 方 程 求 解 ,
利 用 二 阶 迎 风 格 式 求 解 动 量 方 程 . 同 时 ,为 了 检 验
模 拟 结 果 的 可 靠 性 ,选 择 特 定 流 量 条 件 下 ,3 种系统
同 一 位 置 的 实 测 值 和 模 拟 值 绘 制 成 图 进 行 对 照 ,结
果 如 图 3 所示.
由 于 F L U E N T 模拟时采用简化的二维系统示
意 图 ,因 此 ,模 拟 结 果 和 实 际 结 果 存 在 一 定 的 差 异
性 ,其 中 ,虹 吸 雨 水 系 统 的 排 出 管 段 在 模 拟 过 程 中
局 部 呈 现 负 压 ,从 水 力 学 的 角 度 讲 ,由于水流经由
立 管 后 ,流 速 很 高 ,进 入 排 出 管 时 ,水 流 局 部 震 荡 较
大 ,因 而 产 生 负 压 .相 比 于 重 力 流 系 统 和 雨 控 型 排
7水系统,虹 吸 雨 水 系 统 在 立 管 管 段 产 生 的 负 压 范 围
较 大 ,并 且 最 大 负 压 值 也 最 大 .总 体 而 言 ,压力在管
道 内 的 分 布 规 律 基 本 一 致 ,最 大 负 压 出 现 在 悬 吊 管
和 立 管 连 接 的 地 方 ,在 整 个 立 管 内 ,压 力 逐 渐 由 负
压 转 变 为 正 压 ,在 立 管 底 部 ,正 压 达 到 最 大 ,而在排
出 管 内 ,压 力 则 不 断 减 小 ,到 排 出 管 和 检 查 井 连 接
的 地 方 ,正压几乎为零.
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江苏建筑职业技术学院学报
第 1 7 卷
水 斗 的 排 水 面 积 最 大 ,主 要 原 因 有 :1 )根 据 式 (1 )和
式 (2 ) ,雨 控 型 雨 水 斗 的 排 水 时 间 t 一 般 大 于 5 m in ,
而 其 他 两 类 系 统 的 排 水 时 间 均 选 5 m in ,因 此 ,雨控
型 雨 水 斗 的 设计暴雨强度 9 较 小 ,在 同 样 的 排 水 流
量 条 件 下 ,可 承 担 的 排 水 面 积 较 大 . 2 ) 相 同 条 件
下 ,雨 控 型 雨 水 斗 的 排 水 流 量 较 小 ,对 于 屋 面 雨
水 能 够 起 到 延 长 排 水 历 时 ,削 峰 填 谷 的 作 用 . 因
此 ,可 以 允 许 屋 面 在 较 长 时 间 内 有 一 定 的 积 水 ,
承担较大面积的排水任务.
2. 4 排水系统综合比较
从 工 程 造 价 、系 统 安 装 的 难 易 程 度 和 对 建 筑 物
的影响等几方面综合比较 3 种屋面排水系统的排
水 效 能 ,见 表 1.
表 1
排水系统排水性能综合比较
Tab. 1 Comprehensive comparison of drainage
performance of rainwater drainage systems
系统类别
项目
8 7 型
虹吸型
雨控型
雨水斗
雨水斗
雨水斗
水流形态
气水混合流
水汽
附壁膜流
设计重现期选择
2 a
2 〜 5 a
2 〜 5 a
排水流量
排水面积
排水历时
管道有无压力
无压或
半有压
有压
无压
对管径要求
对悬吊管要求
不小于
0. 0 0 5 坡度
水平
水平
无单独一流
屋面溢流
设 施 ,靠 系
统本身排除
超设计重现
期雨水主要
需要专门设
置溢流设施
超设计重现
期雨水
靠溢流设施
管材用量
排水速度
一般
屋面承重要求
一般
一般
可利用水头要求
无要求
有较大的水头
无要求
可否自清洁
不能
不能
建筑美观影响
影响建筑
美观
不影响
不影响
3 结论
不 同 的 屋 面 排 水 系 统 其 排 水 效 能 差 异 较 大 ,重
力型雨水排水系统,由 于 悬 吊 管 需 要 设 置 坡 度 ,占据
空 间 ,而 且 其 管 径 粗 ,管 材 用 量 多 ,影响建筑美观 .因
此 ,一般大型屋面和建筑美观要求高的建筑应避免使
用 ;虹吸雨水排水系统由于布置灵活,立 管 数 量 少 ,管
径 小 ,不 影 响 建 筑 美 观 ,而 且 其 排 水 流 量 大 ,流 速 高 ,
本身还有自净功能,因 此 ,推荐在大型屋面和高层建
筑 中 使 用 ;雨控型雨水排水系统作为一种较新型的排
水 系 统 ,对于城市屋面洪峰的削减具有不可替代的作
用 ,而且其管径小,对城市排水管网的负担小,在节能
减耗方面具有很大的潜力,但因其对屋面的承重和溢
流要求较高,因此,在 实 际应用中可以在局部规模使
用 ,并且其应用在国外 已 经 比 较 成 熟 ,未来绿色建筑
的发展可以考虑规模化应用.
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(编 辑 :司元雷)

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