住宅建筑雨水的回收再利用系统

住宅建筑雨水的回收再利用系统

设计者：朱力，闫佳奇，虢再红，张亚晖

指导教师：张洪雨，陈岩

（哈尔滨工程大学船舶工程学院黑龙江哈尔滨150001）

作品内容简介

雨水对调节和补充城市水资源量，通过合理的规划和设计，采取相应的设备装置，可将城市雨水加以充分利用。

本作品是利用屋面收集雨水，改装雨水排水管道，在与用水设备衔接的每段管道处，接入雨水转接器，此处的另一端由输入水管与过滤水箱相接。使下落的雨水由雨水转接器顺利进入输入水管，经过过滤并进入收集水箱，供家庭居民厕所冲水、浇花，拖地等使用。

该系统制作安装简单，造价低廉，维护和检修方便，具有非常广泛的应用前景。

关键字：雨水，雨水转接器，排水管。

1.研究背景：

我国的雨水收集在古代就已经开始，早在秦汉时期就有修建池塘拦蓄雨水用于生活的记录，而西北地区水窖的修筑已有几百年的历史。国外发达城市的雨水收集已有几十年的历史，而真正现代意义上的城市雨水的收集利用是从20世纪80年代到90年代约20年时间里发展起来。随着城市规模的扩大和人口急剧增长，城市缺水的矛盾也进一步加深，环境与生态问题也同步扩展，有专家指出到2030年，我国将缺水400至500亿立方米。

城市居民的所有用水都是来自自来水公司，每年的用水费额是一笔不菲的开支。现在水污染事件频繁发生，给城市居民的生活用水带来了严重的影响。2005年11月13日中石油吉林石化分公司双苯厂发生爆炸事故，造成约100吨苯类物质流入松花江，引发了松花江严重污染，沿岸数百万居民的生活受到影响；2009年2月20日，江苏盐城市标新化工有限公司将30吨危险液体废物高浓度含酚钾盐废水排入厂区外河沟，造成盐城市自来水污染事件，30万市民经历了近三天的“水危机”。停水带来了难以预料的麻烦：用以供水的一辆辆消防车在水厂和小区、学校、医院门前排起了长队；人们纷纷涌入超市抢购瓶装矿泉水、纯净水。

图1 江苏盐城居民排队等候消防车供水图2 航拍受污染的松花江

为了解决缺水、环境、生态等一联串的矛盾，我们把注意力放到城市雨水的收集和利用。国外对这一课题的研究起步较早，而我国在城市住宅收集利用雨水的问题上并没有引起足够的重视。试想如果家庭有一套住宅建筑雨水的回收再利用系统，在自来水受到化学等试剂污

染时，可以利用自家回收的雨水，除了厕所冲水、浇花外，再买一台净水机，就可以直接当做生活用水饮用，免除了断水的烦恼。因此本作品在国内有一定的推广应用价值，该领域有很大的发展空间。

2.设计原理

2.1设计思路

本作品中设计的雨水转接器是由两个圆柱圈套而成，两圆柱底部相联，内圆柱低于外圆柱，此时，水箱和雨水转接器构成连通器，根据连通器原理，当雨水淹没雨水转接器的内圆柱时，雨水停止注入水箱，由雨水排水管排下，进入下一楼层的储水工作中，工作原理同上一楼层。这样，雨水实现逐层的收集，至此，实现各楼层雨水的收集。设备整体方案设计图如图3。

图3 设备整体方案设计图

2.2结构设计

（1）集水装置的设计

对于集水装置的要求主要考虑到以下几个方面：

①不能影响正常建筑物的使用，不占用居民过大空间；

②对原有管道的改装尽可能小，以节省开支；

③不能影响建筑物的防水功能；

基于以上要求的限制，采用了在现有楼房排水管内增加雨水连接器装置，并在排水管进水口处增加过滤网，实现雨水的简单净化及自动收集功能。

其基本原理如下：雨水经过楼顶过滤网的简单净化进入楼房的排水管内，然后经由一个雨水连接器进入输入水管，将收集到的雨水输送到屋内的集水箱内，集水箱内有二次过滤设备。其构造如图4和图5：

图4 集水装置示意图图5 过滤集水装箱

（2）雨水连接器结构的设计

在集水装置中，主要构件为雨水连接器，将其放大结构图如图6。其主要工作原理为：雨水在排水管内下流时多为沿管壁下流，经过雨水连接器时，被截留进入输入管内，输送至屋内的水箱，当水箱液面超过雨水连接器的内管管顶时，根据连通器原理，自动停止集水。至此，本楼层的收集工作完成，雨水进入下一楼层的雨水连接器进行下一楼层的收集，雨水逐层收集，直至最终完成。

图6 雨水连接器结构及原理示意图

此设计的优势在于：

①其突破了传统的屋顶修建蓄水池的方式的局限，用雨水转接器代替屋顶蓄水池，在实现了集水功能的同时，避免了对屋顶空间资源的占用，保证了屋顶正常的使用；

②在两层管道之间用雨水转接器链接，并运用连通器原理，实现水位的自动控制；

③此设计结构简单，可以在不改变现有楼体构造的条件下实现雨水的收集；

（3）蓄水装置的设计

在小区每户家庭中安装蓄水池，收集和储存从管道中和过滤过滤集水装箱流下的雨水。蓄水池的另一端可以直接与马桶等设施联接，或者直接从蓄水池取用雨水浇花等使用。每户家庭可以根据自己家庭的需要改装蓄水池的用途。在江河发生水污染事件时，可以从蓄水池取水再利用净水机净化当做紧急生活用水。定期在蓄水池中加入消毒剂，对雨水进行简单消毒。

2.3方案成本估算：

2.4工作原理及性能分析

（1）工作原理

雨水从楼顶经雨水排水管到达雨水转接器，下雨时，打开居民房屋内部水箱的进水开关1，由输入水管将雨水储存在水箱中，水箱的另一侧连接座便器。当需要冲洗座便器时，打开开关2，水箱中的水流入座便器内达到冲洗的目的。

（2）性能分析

图7为利用雨水的建筑中水系统工艺流程示意图。其主要工作原理为：利用屋面收集雨水后，通过雨水排水管输送至地下的雨水调节池，当降雨量较大时，多余的雨水便排入小区的雨水管网。雨水调节池的雨水经简单的处理后送入中水池，与建筑排水的中水处理水相混合，通过中水供水系统送至用户，用于生活用水及洗厕洗车、浇洒绿地等。

图7利用雨水的建筑中水系统工艺流程示意图

这种设计目前技术已经比较完善，英国泰晤士河水公司设计的世纪圆顶工程和中国的北京朝阳公园的雨水利用系统原理即与此相似，这种设计能够节省自来水用量，缓解城市水资源的供应矛盾，并可有效减少城市地面水径流量延滞汇流时间，减轻排水设备的负担，但将其用于普通的城市工民建就暴漏了许多不足：

①此种设计的传统雨水利用装置需在楼顶修建水箱蓄水，这样的设计增加了楼顶尾面的荷载，必须充分考虑屋面强度要求并注意防渗防漏，以免造成建筑物损坏或给居民生活带来不便，此外这样的设计占据了楼顶的大块面积，很有可能因设计与使用的矛盾对屋顶正常设备如居民的太阳能热水器等造成影响；

而本装置的设计，将蓄水装置分割为多个分布于不同楼层的水箱，避免了传统设计带来的种种不便；

②这种传统设计需在地下修建多个处理池，造成的后果首先就是不经济，其次处理不当容易造成地基沉降，对建筑物正常使用构成威胁；

而本设计则不存在类似问题，可以在不改变原有建筑构造的条件下即可实现雨水的收集利用。综上分析得出，在普通工民建高层建筑中，较之于传统的雨水收集利用装置我们的所设计的高层雨水收集与利用装置在节能、经济、方便、实用方面有明显优势。

3.创新特色

（1）利用普遍作为废水的雨水作为取水来源，节约资源；

（2）将蓄水装置分割为多个分布于不同楼层的水箱，避免了传统设计带来的种种不便；

（3）克服传统设计需在地下修建多个处理池，造成不经济、容易导致地基沉降的威胁；

（4）可以在不改变原有建筑构造的条件下即可实现雨水的收集利用。

4.应用前景

从工程投资发面来看，雨水利用设施造价普遍偏低，只需要国家投入一小部分资金，其

余可以由小区自身支付，有的根本不需要投资，经济支出较小。所以建设雨水利用工程在经济上比较可行。

从发展趋势上看，现在世界各国都充分认识到雨水蕴含能量的重要意义，并且致力于研究雨水利用，这样一套有关雨水收集利用的装置，可以将雨水的收集利用应用于日常生活中，在不改变房屋现有构造的情况下实现雨水的自动收集和利用，整个过程完全自动化，不需要人工操作，达到绿色节能的目的。

从绿色节水方面，目前，国家标准化委员会发布的《6升水便器配套系统标准》是国家强制性标准，要求产品每次冲洗周期大便冲洗用水量不大于6升。我们每户居民每天用厕频率都很高，将这样大的一部分水节约下来，能够实现绿色节能的目的。

每户家庭可以根据自己家庭的需要改装蓄水池的用途。在江河发生水污染事件时，可以从蓄水池取水再利用净水机净化当做紧急生活用水。

从以上分析可看出，本作品具有良好的普及和推广性，可以实现一次投资，长期回报，具有广阔的市场前景。

参考文献

[1] 邢丽贞.给排水管道设计与施工[M].北京：化学工业出版社，2009．

[2] 丁启圣，王维一.新型实用过滤技术[M].北京：冶金工业出版社，2005．

[3] 吴桐.雨水收集装置[P].中国专利：CN1752357，2006-03-29．

图8 装置全景照片