專利名稱：屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計方法、設(shè)計系統(tǒng)以及排水系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于建筑物給水排水領(lǐng)域，具體涉及一種屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計方法和設(shè)計系統(tǒng)，以及依據(jù)該設(shè)計方法或設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計的排水系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著全球能源危機以及原材料價格的上升，建筑物的成本也越來越高，因此，就需要建筑設(shè)計單位盡量減少建筑材料的消耗，以降低建筑成本。屋面雨水排水系統(tǒng)是建筑物整體設(shè)計中不可或缺的部分，其用于將建筑物屋面上的雨水及時排清，以避免因屋面積水而導(dǎo)致屋面漏水等事故。在實際應(yīng)用中，屋面雨水排水系統(tǒng)內(nèi)的各管道的長度和直徑的大小是影響該排水系統(tǒng)建筑成本的重要因素之一，而上述各管道直徑的設(shè)計又與管道內(nèi)雨水的流態(tài)存在著密不可分的關(guān)系。眾所周知，屋面雨水排水系統(tǒng)因雨水量的不同而存在三種不同流態(tài)即，重力流、 兩相流和壓力流。請參閱

圖1，其中示出了屋面雨水排水系統(tǒng)的流態(tài)隨雨水流量變化所發(fā)生的變化，橫坐標表示雨水流量，具體表現(xiàn)為雨水斗單位時間內(nèi)的泄流量qw，單位為1/s ；縱坐標表示雨水斗前水位H1,單位為cm。圖1所示曲線中的O-A'區(qū)間表示重力流區(qū)間，該區(qū)間中的雨水流量較小，并且水流不摻氣形成了水一相重力流；曲線B-C區(qū)間表示壓力流(亦稱虹吸流)區(qū)間，該區(qū)間中的雨水流量較大，并且水流不摻氣形成了水一相壓力流；A' -B區(qū)間表示兩相流區(qū)間，該區(qū)間中的雨水流量介于重力流區(qū)間和壓力流區(qū)間之間，并且水流摻氣形成了重力壓力兩相流。盡管人們已發(fā)現(xiàn)屋面雨水排水因雨水量的不同而存在的三種不同流態(tài)，但是迄今為止還未有人研究出針對前述兩相流的理論模型，因此，現(xiàn)有的屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計方案主要是針對前述重力流或壓力流而提出的。具體地，重力流設(shè)計方案以圖1所示曲線中的O-A丨區(qū)間所表示的流態(tài)為設(shè)計基準，其設(shè)計原理基于水流不摻氣、水體以自身重力作為水體流動的能量；壓力流設(shè)計方案以圖1所示曲線中的B-C區(qū)間所表示的流態(tài)為設(shè)計基準，其設(shè)計原理基于水流不摻氣、水體以管系中產(chǎn)生的負壓作為水體流動的能量，管系中的負壓如圖2屋面雨水排水系統(tǒng)中的壓力分布曲線所示。上述兩種設(shè)計方案各自考慮了排水過程中存在的其中一種能量，沒有考慮兩種能量同時存在的情況，因此，按照上述兩種方案設(shè)計出的排水系統(tǒng)的管道較長、管徑較粗，材料消耗較多，導(dǎo)致排水系統(tǒng)成本增加。而且，較長的管道和較粗的管徑還導(dǎo)致施工量增加，施工周期延長，增加了工程投資。而且，在壓力流設(shè)計方案中，管系中負壓力差能量的產(chǎn)生要求水流中不摻氣且管系全部被水灌滿等條件，因此，只有達到一定降雨強度時才會發(fā)生這種流態(tài)。在實際工程應(yīng)用中，按照排水設(shè)計規(guī)范，滿足壓力流條件的降雨強度每5年甚至10年才可能發(fā)生一次，換句話說，5年內(nèi)甚至10年內(nèi)所出現(xiàn)的絕大多數(shù)降雨過程都不會引起壓力流。因此，在大部分時間內(nèi)，按照壓力流設(shè)計方案而設(shè)計得到的排水系統(tǒng)根本沒有發(fā)揮其應(yīng)有的作用。此外，上述兩種設(shè)計方案都是僅考慮到了水一相流的排水情況，并未考慮出現(xiàn)兩相流時的排水情況。然而，大量統(tǒng)計分析表明在實際降雨過程中，出現(xiàn)重力流、兩相流和壓力流的概率分別為6%、88%和6%，也就是說，在實際降雨過程中出現(xiàn)兩相流的概率遠遠高于重力流或壓力流。而且，即便是在一場降雨過程中屋面雨水排水系統(tǒng)也可能經(jīng)歷上述三種流態(tài)中的兩種或三種。因此，在基于水一相流而設(shè)計屋面排水系統(tǒng)中，當發(fā)生兩相流時，由于水流摻氣，因此，氣體將占據(jù)懸吊管、立管和埋地雨水管的部分過水斷面，導(dǎo)致排水不暢，容易造成屋面積水和/或埋地管檢查井冒水事故。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提供一種屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計方法，該設(shè)計方法以水流摻氣后的質(zhì)量流量為排泄量，在設(shè)計中既考慮了水體的重力能量，又考慮了管系中出現(xiàn)的負壓力差能量，以此設(shè)計出的排水系統(tǒng)的管徑較細和管道較短，從而節(jié)省了管材用量， 降低了排水系統(tǒng)的成本。為解決上述問題，本發(fā)明還提供一種屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)，該設(shè)計系統(tǒng)以水流摻氣后的質(zhì)量流量為排泄量，同時考慮了水體的重力能量和管系中出現(xiàn)的負壓力差能量，利用該設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計的排水系統(tǒng)的管徑較細和管道較短，從而節(jié)省了管材的用量，降低了排水系統(tǒng)的成本。為解決上述問題，本發(fā)明還提供一種屋面雨水排水系統(tǒng)，該排水系統(tǒng)在設(shè)計時以水流摻氣后的質(zhì)量流量為排泄量，同時考慮了水體的重力能量和管系中出現(xiàn)的負壓力差能量，因此，該排水系統(tǒng)管徑較細和管道較短，節(jié)約了材料的用量，從而降低了排水系統(tǒng)的工程投資。為此，本發(fā)明提供一種屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計方法，包括以下步驟10)計算雨水斗內(nèi)流過的水的體積流量qw ；20)基于水的體積流量qw而計算水流摻氣后的質(zhì)量流量Qm ；30)基于水流摻氣后的質(zhì)量流量Qm而計算各段管路的壓力損失；40)計算懸吊管和立管在懸吊管末端與立管頂端的交界點處各自的負壓力值；50)判斷步驟40)中得到的懸吊管和立管在懸吊管末端與立管頂端的交界點處各負壓力值是否大于該處的負壓閾值，若是，則重新設(shè)定各管段的管徑值并使其大于前一次設(shè)定的相應(yīng)管徑值，而后轉(zhuǎn)到步驟30)；若否，則表明各段管徑滿足設(shè)計要求，并結(jié)束設(shè)計流程。其中，在所述步驟20)中，水流摻氣后的質(zhì)量流量Qm的計算步驟具體包括100)根據(jù)公式伐=0.503巧°、_° ；4以及步驟10)所得到的水的體積流量qw，計算雨水斗前水位H1 ；200)根據(jù)公式t =0.166~(#)—4 45以及步驟100)所得到的雨水斗前水位H1，計
Y
算雨水斗摻氣量qa ；300)根據(jù)所述水的體積流量qw、雨水斗摻氣量qa以及公式Qm = Swqw+Saqa,計算水流摻氣后的質(zhì)量流量Qm;上述公式中H1-雨水斗前水位m
Dr-雨水斗排出口管徑mg_重力加速度m/s2qw-水的體積流量m7sqa-空氣的體積流量m3/SQffl-水流摻氣后的質(zhì)量流量kg/sSw-水體質(zhì)量密度kg/m3Sa-空氣質(zhì)量密度kg/m3。其中，在所述步驟30)中，利用公式V =4204".4 ^";^^1氣以及步驟20)中獲得的水流摻氣后的質(zhì)量流量Qm計算立管或連接管的壓力損失，利用公式
權(quán)利要求
1.一種屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟 10)計算雨水斗內(nèi)流過的水的體積流量qw;20)基于水的體積流量qw而計算水流摻氣后的質(zhì)量流量Qm ； 30)基于水流摻氣后的質(zhì)量流量Qm而計算各段管路的壓力損失； 40)計算懸吊管和立管在懸吊管末端與立管頂端的交界點處各自的負壓力值； 50)判斷步驟40)中得到的各負壓力值是否大于該處的負壓閾值，若是，則重新設(shè)定各管段的管徑值并使其大于前一次設(shè)定的相應(yīng)管徑值，而后轉(zhuǎn)到步驟30)；若否，則表明各段管徑滿足設(shè)計要求，并結(jié)束設(shè)計流程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計方法，其特征在于，在所述步驟20) 中，水流摻氣后的質(zhì)量流量Qm的計算步驟具體包括100)根據(jù)公式/Z1 = 0.503巧°、以及步驟10)所得到的水的體積流量qw，計算雨水斗前水位H1 ；H200)根據(jù)公式t =0.166‘(#)_445以及步驟100)所得到的雨水斗前水位H1,計算雨水斗摻氣量qa ；300)根據(jù)所述水的體積流量qw、雨水斗摻氣量qa以及公式Qm = Swqw+Saqa，計算水流摻氣后的質(zhì)量流量Qm; 上述公式中 H1-雨水斗前水位m Dr-雨水斗排出口管徑m g-重力加速度m/s2 qw_水的體積流量m3/s qa_空氣的體積流量m3/s Qffl-水流摻氣后的質(zhì)量流量kg/s Sw-水體質(zhì)量密度kg/m3 Sa-空氣質(zhì)量密度kg/m3。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計方法，其特征在于，在所述步驟30) 中，利用公式心=4204+4 :34 ^66/^%以及步驟20)中獲得的水流摻氣后的質(zhì)量流量Qm 計算立管或連接管的壓力損失，利用公式hw2 = 9X IO-3Qffl1'0545Uffl-0-0545D-2'5545Ln以及步驟20) 中獲得的水流摻氣后的質(zhì)量流量Qm計算懸吊管或排出管的壓力損失，式中hwl_垂直管(立管或連接管)的壓力損失HiH2O hw2_水平管(懸吊管或排出管)的壓力損失HiH2O Qffl-水流摻氣后的質(zhì)量流量kg/s Uffl-水流摻氣后的動力粘度kg-s/m2 D-管徑mη-管材的相對粗糙度 L-管道長度m。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計方法，其特征在于，在所述步驟40)中，立管在交界點處的負壓力值等于立管中從壓力零點位置到其頂端的壓力損失；懸吊管在交界點處的負壓力值等于雨水斗排出口處的負壓力值壓以及連接管和懸吊管的壓力損失的和，所述雨水斗排出口處的負壓力值壓的計算步驟具體包括410)根據(jù)公式伐=0.503巧°、_°_2義4以及步驟10)所得到的水的體積流量qw，計算雨水斗前水位H1 ；420)根據(jù)公式t =0.W6《w(|)_4 45以及步驟100)所得到的雨水斗前水位H1,計算雨水斗摻氣量qa ；430)根據(jù)所述水的體積流量91 、雨水斗摻氣量^、雨水斗前水位H1以及公式-Kiqa + qw) = Q.^D^2gSw(Hx+H2)，計算雨水斗排出口處的負壓力值H2 ；上述公式中H1-雨水斗前水位mH2-雨水斗排出口處的負壓力值HiH2ODr-雨水斗排出口管徑mg-重力加速度m/s2qw_水的體積流量m3/sqa_空氣的體積流量m3/sSffl-水流摻氣后的流體質(zhì)量密度kg/m3Sw-水體質(zhì)量密度kg/m3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計方法，其特征在于，在所述步驟50) 中，所述的負壓閾值為-8mH20。
6.一種屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)，其特征在于包括水的體積流量獲取模塊，其用于計算雨水斗內(nèi)流過的水的體積流量qw ； 水流摻氣后的質(zhì)量流量獲取模塊，其用于根據(jù)水的體積流量qw來計算水流摻氣后的質(zhì)量流量Qm ；壓力損失獲取模塊，其用于根據(jù)水流摻氣后的質(zhì)量流量Qm計算各段管路的壓力損失； 交界點負壓力值獲取模塊，其用于計算懸吊管和立管在懸吊管末端與立管頂端的交界點處各自的負壓力值；判斷模塊，其用于判斷交界點負壓力值獲取模塊獲得的負壓力值是否大于該處的負壓閾值，若是，則重新設(shè)定各管徑值并使其大于前一次設(shè)定的相應(yīng)管徑值，而后再由壓力損失獲取模塊重新計算各段管路的壓力損失；若否，則表明各段管徑滿足設(shè)計要求，并結(jié)束設(shè)計流程。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)，其特征在于，所述水流摻氣后的質(zhì)量流量獲取模塊具體包括雨水斗前水位獲取子模塊，其基于公式孖，=0.503/),7°、_°2乂4以及水的體積流量qw而計算雨水斗前水位H1，其中 H1-雨水斗前水位m Dr-雨水斗排出口管徑mg-重力加速度m/s2 qw_水的體積流量m3/s ；雨水斗摻氣量獲取子模塊，其基于公式1
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)，其特征在于，所述壓力損失獲取模塊包括垂直管壓力損失獲取子模塊，其基于公式心=4204^ ;^4^^^-1%以及由水流摻氣后的質(zhì)量流量獲取模塊中得到的水流摻氣后的質(zhì)量流量Qm，計算出立管或各連接管的壓力損失；水平管壓力損失獲取子模塊，其基于公式hw2 = 9X IO-3Qffl1'0545Uffl-0-0545D-2'5545Ln以及由水流摻氣后的質(zhì)量流量獲取模塊中得到的水流摻氣后的質(zhì)量流量O1計算出水平管的壓力損失 hW2' 式中hwl_垂直管(立管或連接管)的壓力損失HiH2O hw2_水平管(懸吊管或排出管)的壓力損失HiH2O Qffl-水流摻氣后的質(zhì)量流量kg/s Uffl-水流摻氣后的動力粘度kg-s/m2 D-管徑mη-管材的相對粗糙度 L-管道長度m。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)，其特征在于，所述交界點負壓力值獲取模塊包括立管負壓力值獲取子模塊，其基于立管中從壓力零點位置到其頂端的壓力損失而得到立管在懸吊管末端與立管頂端的交界點處的負壓力值；懸吊管負壓力值獲取子模塊，其基于懸吊管的壓力損失、連接管的壓力損失以及雨水斗排出口處的負壓力值H2的和而計算懸吊管在交界點處的負壓力值，所述雨水斗排出口處的負壓力值H2基于公式X(禮+ O =+ H2)以及水的體積流量qw、雨水斗摻氣量qa和雨水斗前水位H1而計算得到， 上述公式中 H1-雨水斗前水位m H2-雨水斗排出口處的負壓力值HiH2O Dr-雨水斗排出口管徑m g-重力加速度m/s2 qw_水的體積流量m3/s qa_空氣的體積流量m3/s Sffl-水流摻氣后的流體質(zhì)量密度kg/m3 Sw-水體質(zhì)量密度kg/m3。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計系統(tǒng)，其特征在于，所述判斷模塊中，所述的負壓閾值為-8mH20。
11.一種屋面雨水排水系統(tǒng)，包括雨水斗(1)、連接管O)、懸吊管(3)、立管以及排出管(5)，所述雨水斗(1)通過所述連接管( 與所述懸吊管C3)連接，所述立管(4) 一端與所述懸吊管C3)連接，另一端與所述排出管( 連接，所述排出管( 與檢查井(8)連通，其特征在于，所述雨水斗(1)、連接管O)、懸吊管(3)、立管以及排出管(5)的管徑尺寸按照權(quán)利要求1所述的屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計方法計算獲得。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的屋面雨水排水系統(tǒng)，其特征在于，在所述排出管( 上設(shè)有排氣裝置(6)，所述排氣裝置(6)為中空的管，其一端與所述排出管( 連通，另一端通向檢查井內(nèi)且接近檢查井井口的位置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計方法，包括計算雨水斗內(nèi)流過的水的體積流量；計算水流摻氣后的質(zhì)量流量；基于水流摻氣后的質(zhì)量流量計算各段管路的壓力損失；計算懸吊管和立管在懸吊管末端與立管頂端的交界點處的負壓力值；判斷懸吊管與立管在交界點處的負壓力值是否符合管系設(shè)計要求，若符合，則結(jié)束設(shè)計流程；若不符合，則需重新設(shè)定各管徑值，之后再重新計算。因此，根據(jù)本發(fā)明提供的屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計出的排水系統(tǒng)以及提供的排水系統(tǒng)的管徑要細且管道長度要短，可以減少管材的用量以及施工量，從而降低整個排水系統(tǒng)的成本。同時，該排水系統(tǒng)增加了排氣裝置，從而可以避免屋面雨水積水、漏水以及檢查井冒水的隱患。
文檔編號E04D13/04GK102235060SQ20101015782
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者趙雨舟 申請人:中國中元國際工程公司