高層建筑雨水收集利用系統(tǒng)
文章通過模型設(shè)計(jì)制作和理論計(jì)算分析，研究高樓雨水的收集方法和利用方式，設(shè)計(jì)出一套收集和利用高樓雨水的系統(tǒng)。結(jié)果表明：高樓雨水收集利用系統(tǒng)可以有效收集樓層表面的雨水，并將雨水的重力勢能通過水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，亦可對發(fā)電后的雨水再次收集，二次利用。在南方降雨充沛的地區(qū)廣泛應(yīng)用此系統(tǒng)，可以充分利用雨水資源，節(jié)約電能和自來水，解決部分城市水資源短缺問題，并可以起到保護(hù)環(huán)境的作用。
我國人均可利用的淡水資源少，被聯(lián)合國列為世界13個(gè)貧水國家之一，水資源的供求矛盾已成為制約我國未來發(fā)展的重要因素，缺水已成為不爭的事實(shí)。收集和利用高樓雨水，不僅可以充分利用雨水資源，緩解我國的缺水問題，而且可以將雨水的重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，節(jié)約電能資源，保護(hù)環(huán)境。
1 工作原理
將落在高樓樓頂?shù)挠晁占?，使其集中落下，通過發(fā)電機(jī)將雨水的重力勢能轉(zhuǎn)為電能。發(fā)電后的雨水匯集到樓底的蓄水池中，可用作非生活用水。
2 系統(tǒng)概述
該系統(tǒng)主要由集雨裝置、過濾器、流通管道、水輪發(fā)電機(jī)、蓄電裝置、蓄水池等部分組成。雨水經(jīng)過濾器匯集到集雨裝置中，當(dāng)水位達(dá)到一定高度時(shí)，浮標(biāo)式閥門開啟，雨水沖擊水輪發(fā)電機(jī)葉片發(fā)電，水位下降到一定高度時(shí)，閥門關(guān)閉，繼續(xù)蓄水。樓底有蓄水池，可將雨水收集，二次利用。
3 方案設(shè)計(jì)
3.1 集雨裝置
樓頂?shù)牡匕逶谠O(shè)計(jì)時(shí)都具有一定的斜度，以便雨水依靠重力流入排水管道，并且裝有多個(gè)排水管道分流。用水管將各個(gè)排水管道連接在一起，再連接一個(gè)大水箱，以便將雨水都匯集到水箱中。在水箱的底部連接流通管道，并在接口處安裝浮標(biāo)式自動(dòng)閥門。當(dāng)水箱中的水位達(dá)到一定高度時(shí)，閥門開啟，雨水流入流通管道;當(dāng)水箱中的水位低于一定高度時(shí)，閥門關(guān)閉，雨水匯集到水箱中。這種集雨裝置不僅能防止雨水較小時(shí)，流通管道中雨水流量小、不連續(xù)而影響發(fā)電效率，而且能防止雨水較大時(shí)，樓頂出現(xiàn)積水，損壞樓頂。
3.2 過濾
雨水過濾是使雨水通過濾料或多孔介質(zhì)，以截留水中的懸浮物質(zhì)，從而使雨水凈化的物理處理法?？梢圆捎帽砻孢^濾中的粗濾方法，利用篩網(wǎng)或類似的帶孔眼材料為過濾介質(zhì)，截留的顆粒約在0.1mm以上，通過的介質(zhì)很小，不會對水輪發(fā)電機(jī)造成損壞。過濾器的成本便宜，可在各排水管道的入口處加裝過濾器。
3.3 流通管道
流通管道可利用高樓原有的排水管道改造，將安裝水輪發(fā)電機(jī)的部分做成可拆卸的，便于發(fā)電機(jī)的安裝和維修，也應(yīng)盡可能選擇內(nèi)壁較光滑的水管，以減小雨水流下時(shí)受到的摩擦阻力，提高發(fā)電效率。
3.4 水輪發(fā)電機(jī)
根據(jù)物理知識可算得雨水自由下落15m時(shí)的速度約為17m/s，若流通管道的直徑為6cm，則根據(jù)流量公式：
式中：
可算得水輪發(fā)電機(jī)處的雨水流量為0.002m3/s，且水頭為15m，所以應(yīng)選擇小流量高水頭水輪發(fā)電機(jī)。又因水輪發(fā)電機(jī)所需功率小、轉(zhuǎn)速低，因此可選擇額定功率為300W、額定轉(zhuǎn)速為300r/min的斜擊式單相永磁同步交流水輪發(fā)電機(jī)。水輪發(fā)電機(jī)在流通管道中每隔15m安裝一臺，以滿足水輪發(fā)電機(jī)的工作要求。
3.5 蓄電裝置
蓄電池具有可多次充電、放電，反復(fù)使用，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)中選擇蓄電池作為蓄電裝置。根據(jù)不同類型蓄電池的特點(diǎn)，可以選擇固定型閥控密封式鉛酸蓄電池，其所需維護(hù)工作量極小，便于安裝，使用壽命5～8年，價(jià)格也便宜。若系統(tǒng)對直流電壓有要求，可將蓄電池串聯(lián);若系統(tǒng)對總電量有要求，可將蓄電池并聯(lián);若系統(tǒng)需要輸出交流電，可用逆變器變換。此外，也可將蓄電池與電壓感應(yīng)開關(guān)連接，當(dāng)蓄電池電壓小于某一值時(shí)，電壓感應(yīng)開關(guān)便會將用電裝置轉(zhuǎn)換到普通供電線路上。
3.6 蓄水池
蓄水池設(shè)置在樓底，可將發(fā)電后的雨水再次收集起來，用來建設(shè)觀賞水景、澆灌花草樹木、沖刷路面等，這樣可以節(jié)約大量的自來水，有利環(huán)保。
4 理論分析
假設(shè)浙江省一座高60m、樓頂面積2000m2的高樓安裝有此系統(tǒng)，根據(jù)浙江省2010年平均年降水量1760.6mm，則該年此雨水收集系統(tǒng)在此樓匯集的雨水總質(zhì)量、雨水總勢能和總發(fā)電量可以表示為：
式中：
經(jīng)計(jì)算可得：m=3.52×106kg，E=2.07×109J，W=362kW·h，即該系統(tǒng)每年可節(jié)約自來水3520m3，可產(chǎn)生電能362kW·h。假設(shè)我國南方地區(qū)有1000座高樓安裝此系統(tǒng)，則每年可發(fā)電362000度，可節(jié)約自來水3520000m3。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析
為驗(yàn)證理論分析的正確性，通過模型對雨水發(fā)電部分進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示：
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，雨水發(fā)電的平均效率為53.04%，低于資料查到的70%。發(fā)電效率低，可能由于模型制造粗糙、小型發(fā)電機(jī)效率低等因素引起，成型產(chǎn)品可以達(dá)到70%的發(fā)電效率。
鋼筋混凝土蓄水池有哪些缺點(diǎn)
鋼筋混凝土蓄水池是以前雨水收集不發(fā)達(dá)時(shí)候采用的一種雨水收集方式，隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在有更新更環(huán)保的雨水收集材料，那么鋼筋混凝土蓄水池有哪些缺點(diǎn)?
劣勢一：如果使用鋼筋混凝土蓄水池進(jìn)行雨水收集，因?yàn)槭┕すに嚨膹?fù)雜，再加上工序的眾多，需要經(jīng)過支模、綁鋼筋、澆筑和養(yǎng)護(hù)等，所以導(dǎo)致施工工期長，還會造成施工受季節(jié)和天氣性影響比較大。
劣勢二：使用鋼筋混凝土蓄水池進(jìn)行雨水收集，由于對結(jié)構(gòu)和施工工藝要求多，因此對相關(guān)施工場地的條件也存有要求。
劣勢三：使用這種設(shè)備進(jìn)行收集雨水，因?yàn)槌孛娉惺芎奢d比較低，所以也就造成無法二次利用情況的發(fā)生。
劣勢四：使用這種設(shè)備進(jìn)行收集雨水，由于自重大所以就會造成容易產(chǎn)生不均勻沉降情況的發(fā)生。
劣勢五：使用這種設(shè)備進(jìn)行收集雨水，還存有抗裂性差和容易產(chǎn)生滲漏的情況發(fā)生。
劣勢六：使用這種設(shè)備當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，如果再進(jìn)行修復(fù)、加固和補(bǔ)強(qiáng)就比較困難了，很多時(shí)候發(fā)生這種情況后，往往會造成設(shè)備的不能再繼續(xù)使用。
劣勢七：使用這種設(shè)備還會造成材料廢棄后不能再進(jìn)行回收，肯定對環(huán)境就造成了二次污染。
