世博文化中心屋面雨水收集利用介绍.pdf

90?给水排水?Vol?36?No?10?2010世博文化中心屋面雨水收集利用介绍谭?奕?蒋?旻?田钢柱(华东建筑设计研究院有限公司,上海?200002)?摘要?介绍了世博文化中心屋面雨水收集利用的设计计算过程,就屋面雨水的收集面积确定、雨水存储池的容积计算及雨水处理工艺作了阐述。根据实际杂用水水量确定收集雨水所需的屋面面积,并通过雨水集蓄效率分析确定合理的储水池容积,采用安全合理的雨水收集处理系统,使设计达到节水、经济、合理的目的。关键词?世博文化中心?雨水存储池?降雨厚度?非传统水源利用?上海世博会?世博文化中心是上海世博园区内的永久性场馆之一。文化中心形似飞碟,?飞碟 主体上、下两片水平向伸展的弧形曲面构成轻盈飘逸的建筑形态。屋面材料为铝合金面板,其弧形屋面为屋面雨水收集提供了良好条件。采用安全合理的雨水收集系统,并根据实际使用的杂用水水量确定合理经济的雨水处理系统是文化中心雨水回收利用的目标。1?雨水回收利用设计计算关键点1.1?降雨重现期的确定由于文化中心的屋面为弧形,雨水不会在屋面长时间聚集,可直接通过屋面泄流,因此计算屋面雨水系统时降雨重现期不需取高值,重现期按10 年考虑。上海市科学技术委员会世博科技专项(08dz0581602)。1.2?用于回收雨水的屋面面积的确定本工程屋面雨水收集处理后作为非传统水源主要回用于绿化灌溉、地面冲洗、道路浇洒,同时作为备用的过渡季节空调冷却塔补水水源。根据需水量计算结果仅需收集约一半的屋面雨水即能满足要求(具体详见计算过程)。同时考虑屋面跨度很大,横向跨度约为 203 m,竖向跨度约为 165 m,若将所有屋面雨水回收并汇集到地下 2 层北侧雨水泵房内的雨水水箱,会增加管道的敷设长度及相应的管材数量、费用,同时也增加了现场管道的敷设难度。因此用于回收的屋面面积取一半的屋面面积,见图 1。世博文化中心的屋面面积为 21 840 m2,取一半面积为10 920 m2。1.3?存储池设计和降雨厚度确定降雨厚度是雨水存储池有效储存容积计算的重支架点焊固定在桁架上,南、北两面约 11 m 大跨度桁架上的水管则另加一根钢索从桁架上将其斜拉住。焊点大小和位置均受控,并经过复核满足管道荷载的要求,见图 9。图 9?现场屋盖内大跨度桁架上的消防水管安装3?结语世博文化中心机电管线的安装和管线综合是文化中心整个设计安装过程中的难点之一。为了能在较短时间内配合现场施工安装,设计院承担了管道综合的工作,并在设计过程中考虑建筑层高的局限对机电管道安装的影响,预先在结构梁上留洞。屋盖内的机电管线安装难度较大,集多方智慧,发挥设计的技术优势,终将机电管线较圆满安装成功。?!通讯处:200002 上海市汉口路 151 号华东建筑设计研究院有限公司电话:[phone]?6519E?mail:yi_tan 收稿日期:2010?05?27给水排水?Vol?36?No?10?201091?图 1?屋面雨水回收部分示意要参数,该参数的取值决定了水池的大小,降雨厚度取大值当然很安全,但相应的存储池容积也很大,存在一个经济和效率的问题。存储池设计是使雨水集蓄工程经济高效的关键环节。天然降雨的不确定性对雨水存储池使用效率影响很大。雨水存储池的容积设计主要受降雨量、降雨历时和降雨间隔的影响。降雨事件的强度和雨量、两场雨之间的间隔千变万化,而雨水集蓄利用工程中存储池的容积是一定的。固定的池容对不同的降雨会有不同的收集效果;一般而言,雨量超过设计调蓄容积越多,集蓄效率越低;两场降雨间隔越大,池内存积的水量越小,雨水的收集效率越高。根据文献 1,通过统计分析上海市近 20 年的降雨资料,获得了独立降雨事件的降雨量、降雨历时和降雨间隔的平均值及各降雨特性参数的概率密度函数,在此基础上运用概率统计法进行雨水存储池集蓄效率的分析计算。通过对概率密度函数的积分,可以获得不同容积下存储池的集蓄效率及相应的年均集蓄水量见表 1(注:年均屋面雨水径流量与年均存储池溢流量之差为集蓄水量,其与年均径流量的比值即为集蓄效率)。表 1?雨水存储池容积及相应集蓄效率降雨厚度/mm5102030405060存储池容积/m33436851 3702 055 2 740 3 425 4 110集蓄效率/%25.38 43.11 64.86 76.64 83.46 87.67 90.43?集蓄水量/万m3/a1.853.134.725.576.076.376.57?注:集蓄效率为扣除弃流及初损水量后的年均屋面雨水集蓄效率。通过图 2 可以看出,在设计容量为 降雨厚度Sa=10 mm 时,可获得最优的经济效益,此时的集蓄效率约为 43%,集蓄水量为 3.13 万 m3/a。从充分利用水资源角度出发,在设计容量为降雨厚度40 mm的条件下,雨水的利用效率 83%。按上述经济分析,工程仍可实现效益费用大于投资费用。图 2?不同规模存储池的雨水集蓄系统费用效益分析2?雨水收集计算过程2.1?雨水量计算2.1.1?可回收的屋面雨水量计算根据对国家气象信息中心中国地面气候资料日值数据集 上海市 1991 2005年日降雨量资料的统计整理,上海年平均降雨量 1 158.8 mm,年平均降雨天数 156.7 d。本项目对屋面雨水进行初期弃流、处理后回用。屋面的面积为 21 840 m2,因考虑屋面跨度较大,同时结合雨水回用的总量要求,故仅收集约 50%的屋面雨水,面积为 10 920 m2。同时考虑建筑屋面为大跨度弧形,会有部分雨水直接溢出屋面,所以可收集的雨水取降雨量的 90%,10%作为雨水收集过程的损耗量,损耗量包括 2 mm 的弃流量,屋面材料为弧形金属曲面(蜂窝铝板),径流系数按 1 取值,则年雨水量为:W=10?hF=10 1.0 1 158.8 10 920 10-4 0.9=11 388.7(m3/a)。2.1.2?实际收集雨水量计算根据 1.3 节内容可编程计算不同存储池容积下的集蓄效率 E 和年集蓄水量,在 Sa为 40 mm时,集蓄效率 E 为 83.46%。按 40 mm 降雨厚度算出存储池的有效容积为:W=10?hF=10 1.0 40 10 920 10-4 0.9=393.12(m3),取 400 m3。根据表 1 推导,得出 400 m3的水池 1 年实际可收集的雨水量约为8 861 m3,雨水处理过程中的损耗92?给水排水?Vol?36?No?10?2010量按照 5%计算,则 1 年 最少可回 用雨水量 为8 418 m3/a。2.2?屋面雨水收集方式文化中心弧形曲面的屋面采用压力流(虹吸式)屋面排水系统。结合室内雨水横管的布置,同时考虑屋面收水的可行性,和建筑师商量后决定在屋面约 28.9 m 处设一圈排水沟,见图 3 图 5。沟内设30 个压力流(虹吸式)雨水斗,共连接 10 根雨水立管形成压力流(虹吸式)排水系统。10 根雨水立管的编号为1 10,其中将编号 1、2、8、9、10 的雨水立管所收集的屋面雨水汇流至雨水处理机房内,屋面排水沟并没有严格措施分割一半的面积,雨水斗沿环向均匀布置,通过排水沟的自然坡降控制将一半的屋面雨水收集。屋面曲面最低处是在屋面最外圈,标高为 26m。标高 28.9 26 m 范围内的雨水通过设在 26 m处的排水管重力排出后直接泄流在周围的草坡结图3?屋面雨水排水沟剖面图4?屋面雨水排水沟大样一构上,并沿阶梯排至车行道上后经透水地面入渗。这些重力管均匀分布在屋面的最外围一圈,管径为DN50,雨水适中时可形成一种水帘的效果。图 5?屋面雨水排水沟大样二给水排水?Vol?36?No?10?201093?屋面溢流可以通过弧形曲面直接排放,防止屋面积水,提高了系统的安全性。2.3?非传统水源利用本项目中收集的屋面雨水经处理后作为非传统水源主要回用于绿化灌溉、地面冲洗、道路浇洒。可采用非传统水源即杂用水的年用水量见表 2。表 2?杂用水(非传统水源)年用水量用途用水量标准/L/(m2#d)用水单位/m2次数时变化系数 K日变化系数杂用水年用水量/m3/d?车库地面冲洗218 09296 d/a113 456绿化浇灌120 0007 月/a114 260道路浇洒25 00096 d/a1?1.2?960合计?8 676?根据表 2 计算,1 年所能收集的屋面雨水量约为 8 418 m3,杂用水总需水量为 8 676 m3,水量不足部分由市政自来水补充。因冷却塔仅作为备用,故冷却水的补水量不考虑在杂用水水量里。2.4?雨水处理系统设计方案2.4.1?雨水水质项目收集的雨水为屋面雨水,水质资料可采用建筑与小区雨水利用工程技术规范%(GB 504002006)中的经验值 2:上海地区屋面径流水质主要指标参考值 CODCr4 280 mg/L、SS 0 80 mg/L、NH3&N 0 14 mg/L、pH 6.1 6.6。屋面雨水初期径流弃流后的水质 CODCr70 110 mg/L、SS 2040 mg/L、色度10 40 度,pH 5.7。本项目按弃流后的雨水水质进行设计。2.4.2?非传统水源用水点水质要求水质需要满足:城市污水再生利用 城市杂用水水质%(GB/T 18920&2002),工业循环冷却水处理设计规范%(GB 50050&2007),且杂用水和补水的水质分别满足建筑与小区雨水利用工程技术规范%(GB50014&2006)的要求。水质指标要求统计见表 3。表 3?水质指标要求统计用途CODCr/mg/LSS/mg/L色度/度浊度/NTUpH绿化灌溉 30 10 30 106 9?道路浇洒、车库地面冲洗 30 10 30 106 9循环冷却水补水 30 5 106 92.4.3?处理工艺流程屋面雨水进入排水沟后,排水沟内雨水中的树叶等杂物被不锈钢格栅初滤后,由雨水斗周边的鹅卵石滤层再次过滤进入压力(虹吸)管道后流经弃流池,弃流的雨水直接排入污水井。弃流后可以收集的雨水进入原水池,原水池内的雨水由水泵提升至泵房内,经加药、絮凝进入全自动过滤设备过滤后进入清水池,由变频杂用水泵从清水池吸水加压后供车库冲洗、道路浇洒和绿化浇灌。整个处理过程中通过传感器自动监测池水中的各项指标,根据指标控制各种设备和阀组的运行,并根据水质情况对过滤后的水在进入清水池前进行pH 调节及消毒。雨水处理工艺流程见图 6。图6?雨水处理工艺流程示意2.4.4?经济性分析雨水处理成本为 0.5 0.6 元/m3,目前上海市非居民用水水价为 2 元/m3,排污费为 1.8 元/m3,回用雨水可节约水费 3.3 元/m3,1 年可节约用水8 418 m3,可节省水费 27 779.4元。3?结语根据实际杂用水量确定所需收集的屋面雨水面积,并通过雨水的集蓄效率分析确定合理的储水池容积,同时通过实际用水水质确定合理的水处理工艺,并通过雨水收集回收处理系统设计达到节水、经济、合理的目的。参考文献1?宁静,李田.上海市降雨特性统计与雨水存储池容积计算.中国给水排水,2006,22(2):48 512?GB 50400&2006?建筑与小区雨水利用工程技术规范?!通讯处:200002 上海市汉口路 151 号 华东建筑设计研究院有限公司电话:[phone]?6519E?mail:yi_tan 收稿日期:2010?05?27