基于管道水輪機(jī)的住宅空氣凈化系統(tǒng)

馬曉杰+王健+趙康成

【摘要】 為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境污染以及能源短缺問題，系統(tǒng)利用高樓生活用水的水勢(shì)能，以及樓頂雨水采集裝置收集的雨水的水勢(shì)能為能量來(lái)源，推動(dòng)水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的電能供空氣凈化器使用，空氣凈化器一方面采用纖維狀活性炭濾網(wǎng)以及靜電濾塵網(wǎng)對(duì)空氣進(jìn)行靜電集塵式凈化，能有效吸附空氣中的懸浮粒子，另一方面采用高壓放電產(chǎn)生負(fù)氧離子對(duì)空氣凈化，能有效殺菌，改善室內(nèi)環(huán)境。本系統(tǒng)開發(fā)利用了高樓住宅的水勢(shì)能，由此產(chǎn)生的電能用來(lái)凈化空氣，將對(duì)節(jié)能減排和環(huán)境凈化產(chǎn)生積極的影響。

【關(guān)鍵詞】 PM2.5 重力勢(shì)能 水力發(fā)電 靜電集塵 負(fù)氧離子

一、研制背景及意義

隨著中國(guó)進(jìn)入高速發(fā)展的機(jī)遇期，高新技術(shù)得到了全面的發(fā)展，人民的生活水平得到了顯著提高。然而隨之也產(chǎn)生了很多問題，最為突出的是環(huán)境污染和能源短缺問題。近年來(lái)，大氣污染日益嚴(yán)重，PM2.5引發(fā)了各種呼吸道疾病，對(duì)人體健康產(chǎn)生了巨大威脅。室外，工業(yè)生產(chǎn)、交通尾氣等成為影響大氣質(zhì)量的主要因素；室內(nèi)硫酸氣體，氯氧化物及各種有機(jī)物質(zhì)的沉淀同樣影響著人體健康。因而，空氣凈化器逐漸得到居民的青睞，然而市場(chǎng)上空氣凈化器價(jià)格昂貴，不適合廣泛推廣。此系統(tǒng)凈化器價(jià)格低廉，又能確保凈化功能，利用高壓進(jìn)行靜電集塵，再經(jīng)過(guò)濾塵網(wǎng)吸附微粒污染物，并且能釋放出負(fù)氧離子，能有效清除空氣中的陽(yáng)離子煙霧，從而保持室內(nèi)空氣干凈而新鮮。當(dāng)前，化石能源仍是主要能源，但因燃燒化石能源導(dǎo)致的全球變暖和空氣污染問題日益嚴(yán)重，為了減少對(duì)環(huán)境的破壞，本系統(tǒng)利用高樓層的水勢(shì)能發(fā)電，不僅有效地利用了能源，更減少了化石能源的燃燒，保護(hù)了環(huán)境。

二、設(shè)計(jì)方案

2.1 工作原理

2.1.1 水力發(fā)電的工作原理[3]

利用高樓層的水勢(shì)能，由水流推動(dòng)水輪機(jī)，水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的電能由蓄電池儲(chǔ)蓄，存儲(chǔ)的電能將為空氣凈化系統(tǒng)提供電能。

2.1.2 靜電除塵的工作原理[4]

利用發(fā)電部分的能源，在逆變器作用下將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，再通過(guò)高壓包產(chǎn)生6000V～8000V高壓電，使放電極金屬尖端處于高壓狀態(tài)，產(chǎn)生強(qiáng)大的靜電場(chǎng)，空中微塵被靜電場(chǎng)極化，在電場(chǎng)和風(fēng)扇作用下作定向移動(dòng)，再在其移動(dòng)的路徑中放一薄膜，過(guò)濾被吸附的微塵，從而達(dá)到除塵作用。

2.1.3 負(fù)氧離子凈化的工作原理[4]

本設(shè)計(jì)利用高壓進(jìn)行靜電集塵的同時(shí)，又能釋放出負(fù)氧離子，負(fù)氧離子具有十分活潑的化學(xué)特性，它能迅速與空氣中其它化合物結(jié)合，使其形成新形態(tài)的氧化物，進(jìn)而使某些氣態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)物達(dá)到凈化空氣目的。本產(chǎn)品在將有害臭氧轉(zhuǎn)化成陰離子氧氣的過(guò)程中能產(chǎn)生水，因而本產(chǎn)品又有調(diào)節(jié)濕度的功能。

2.2 系統(tǒng)方案

2.2.1 系統(tǒng)流程圖，如圖1所示

2.2.2 空氣凈化器原理圖[1，2]，如圖2所示

2.3 理論計(jì)算

2.3.1 前述

北京的降水量： （1）北京的氣候?yàn)榈湫偷呐瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。年平均降雨量644毫米，日均1.82毫米，為華北地區(qū)降雨最多的地區(qū)之一，山前迎風(fēng)坡可達(dá)700毫米以上。（2）降水季節(jié)分配很不均勻，全年降水的集中在夏季，7、8月常有暴雨。北京夏季（6-8月）降水量最大，占全年的70%～75%以上，冬季雨雪很少，降水量占全年2%，春季次少，占到8%～10%，秋季占全年的13%～16%。

2.3.2 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)部分

以北京為例，以下是對(duì)北京各小區(qū)用水量以及降水量的調(diào)查表[5]：

表1反映了小區(qū)性質(zhì)和小區(qū)戶數(shù)。

表2反映了人們?cè)诓煌瑫r(shí)期用水量的差異，根據(jù)此差異可調(diào)整發(fā)電機(jī)工作時(shí)間，使發(fā)電機(jī)的工作效率達(dá)到最大，達(dá)到充分利用水勢(shì)能產(chǎn)生的電能。

表3反映了小區(qū)內(nèi)人均用水量，也反映了北京的人均用水量，根據(jù)此表可大致算出高樓內(nèi)生活剩水的總勢(shì)能，以及其產(chǎn)生的電能。

表4反映了從1988年到2005年北京年降水量數(shù)據(jù)表，可由此計(jì)算出降水的質(zhì)量。

2.3.3 計(jì)算

由數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)部分的表格可知，小區(qū)居民日均用水量為0.32T每天每戶。調(diào)查住宅樓平均為9層，則樓高的一半為15m。

那么，每天生活用水可產(chǎn)生的重力勢(shì)能為：

W重=m×g×h=47040J

按每棟樓2*9戶人家計(jì)算，則整棟樓的總的水勢(shì)能為：

W總=W重×18=846720J

則一年可產(chǎn)生的總能量為：

W年=W總×365=309052800J

又從上可知，北京日降雨量為1.82mm，北京居民樓一層平均為400m2，則降水的體積和質(zhì)量分別為：

V=L×S=546L

M=0.546T

雨水總勢(shì)能為：

W雨水重=m雨水×g×h=16024J

一年雨水產(chǎn)生的能量為

W雨水年=W雨水重×365=5848760J

總能量為

W總=W雨水年+W年=314901560J

忽略其他能量損耗，總能量可讓20W，效率為0.8一年中工作的時(shí)間為

t=■=3498.9h

三、總結(jié)

該系統(tǒng)開發(fā)利用了高樓生活用水以及樓頂雨水的重力勢(shì)能來(lái)發(fā)電，體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的理念，并對(duì)空氣凈化器進(jìn)行了必要的改進(jìn)，使其能夠高效的凈化空氣。若能將該系統(tǒng)應(yīng)用于更高樓層，增大發(fā)電機(jī)的功率，將獲得可觀的電能，本系統(tǒng)的深入研究將為可持續(xù)發(fā)展和空氣凈化探索一條革新之路。

【摘要】 為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境污染以及能源短缺問題，系統(tǒng)利用高樓生活用水的水勢(shì)能，以及樓頂雨水采集裝置收集的雨水的水勢(shì)能為能量來(lái)源，推動(dòng)水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的電能供空氣凈化器使用，空氣凈化器一方面采用纖維狀活性炭濾網(wǎng)以及靜電濾塵網(wǎng)對(duì)空氣進(jìn)行靜電集塵式凈化，能有效吸附空氣中的懸浮粒子，另一方面采用高壓放電產(chǎn)生負(fù)氧離子對(duì)空氣凈化，能有效殺菌，改善室內(nèi)環(huán)境。本系統(tǒng)開發(fā)利用了高樓住宅的水勢(shì)能，由此產(chǎn)生的電能用來(lái)凈化空氣，將對(duì)節(jié)能減排和環(huán)境凈化產(chǎn)生積極的影響。

【關(guān)鍵詞】 PM2.5 重力勢(shì)能 水力發(fā)電 靜電集塵 負(fù)氧離子

一、研制背景及意義

隨著中國(guó)進(jìn)入高速發(fā)展的機(jī)遇期，高新技術(shù)得到了全面的發(fā)展，人民的生活水平得到了顯著提高。然而隨之也產(chǎn)生了很多問題，最為突出的是環(huán)境污染和能源短缺問題。近年來(lái)，大氣污染日益嚴(yán)重，PM2.5引發(fā)了各種呼吸道疾病，對(duì)人體健康產(chǎn)生了巨大威脅。室外，工業(yè)生產(chǎn)、交通尾氣等成為影響大氣質(zhì)量的主要因素；室內(nèi)硫酸氣體，氯氧化物及各種有機(jī)物質(zhì)的沉淀同樣影響著人體健康。因而，空氣凈化器逐漸得到居民的青睞，然而市場(chǎng)上空氣凈化器價(jià)格昂貴，不適合廣泛推廣。此系統(tǒng)凈化器價(jià)格低廉，又能確保凈化功能，利用高壓進(jìn)行靜電集塵，再經(jīng)過(guò)濾塵網(wǎng)吸附微粒污染物，并且能釋放出負(fù)氧離子，能有效清除空氣中的陽(yáng)離子煙霧，從而保持室內(nèi)空氣干凈而新鮮。當(dāng)前，化石能源仍是主要能源，但因燃燒化石能源導(dǎo)致的全球變暖和空氣污染問題日益嚴(yán)重，為了減少對(duì)環(huán)境的破壞，本系統(tǒng)利用高樓層的水勢(shì)能發(fā)電，不僅有效地利用了能源，更減少了化石能源的燃燒，保護(hù)了環(huán)境。

二、設(shè)計(jì)方案

2.1 工作原理

2.1.1 水力發(fā)電的工作原理[3]

利用高樓層的水勢(shì)能，由水流推動(dòng)水輪機(jī)，水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的電能由蓄電池儲(chǔ)蓄，存儲(chǔ)的電能將為空氣凈化系統(tǒng)提供電能。

2.1.2 靜電除塵的工作原理[4]

利用發(fā)電部分的能源，在逆變器作用下將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，再通過(guò)高壓包產(chǎn)生6000V～8000V高壓電，使放電極金屬尖端處于高壓狀態(tài)，產(chǎn)生強(qiáng)大的靜電場(chǎng)，空中微塵被靜電場(chǎng)極化，在電場(chǎng)和風(fēng)扇作用下作定向移動(dòng)，再在其移動(dòng)的路徑中放一薄膜，過(guò)濾被吸附的微塵，從而達(dá)到除塵作用。

2.1.3 負(fù)氧離子凈化的工作原理[4]

本設(shè)計(jì)利用高壓進(jìn)行靜電集塵的同時(shí)，又能釋放出負(fù)氧離子，負(fù)氧離子具有十分活潑的化學(xué)特性，它能迅速與空氣中其它化合物結(jié)合，使其形成新形態(tài)的氧化物，進(jìn)而使某些氣態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)物達(dá)到凈化空氣目的。本產(chǎn)品在將有害臭氧轉(zhuǎn)化成陰離子氧氣的過(guò)程中能產(chǎn)生水，因而本產(chǎn)品又有調(diào)節(jié)濕度的功能。

2.2 系統(tǒng)方案

2.2.1 系統(tǒng)流程圖，如圖1所示

2.2.2 空氣凈化器原理圖[1，2]，如圖2所示

2.3 理論計(jì)算

2.3.1 前述

北京的降水量： （1）北京的氣候?yàn)榈湫偷呐瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。年平均降雨量644毫米，日均1.82毫米，為華北地區(qū)降雨最多的地區(qū)之一，山前迎風(fēng)坡可達(dá)700毫米以上。（2）降水季節(jié)分配很不均勻，全年降水的集中在夏季，7、8月常有暴雨。北京夏季（6-8月）降水量最大，占全年的70%～75%以上，冬季雨雪很少，降水量占全年2%，春季次少，占到8%～10%，秋季占全年的13%～16%。

2.3.2 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)部分

以北京為例，以下是對(duì)北京各小區(qū)用水量以及降水量的調(diào)查表[5]：

表1反映了小區(qū)性質(zhì)和小區(qū)戶數(shù)。

表2反映了人們?cè)诓煌瑫r(shí)期用水量的差異，根據(jù)此差異可調(diào)整發(fā)電機(jī)工作時(shí)間，使發(fā)電機(jī)的工作效率達(dá)到最大，達(dá)到充分利用水勢(shì)能產(chǎn)生的電能。

表3反映了小區(qū)內(nèi)人均用水量，也反映了北京的人均用水量，根據(jù)此表可大致算出高樓內(nèi)生活剩水的總勢(shì)能，以及其產(chǎn)生的電能。

表4反映了從1988年到2005年北京年降水量數(shù)據(jù)表，可由此計(jì)算出降水的質(zhì)量。

2.3.3 計(jì)算

由數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)部分的表格可知，小區(qū)居民日均用水量為0.32T每天每戶。調(diào)查住宅樓平均為9層，則樓高的一半為15m。

那么，每天生活用水可產(chǎn)生的重力勢(shì)能為：

W重=m×g×h=47040J

按每棟樓2*9戶人家計(jì)算，則整棟樓的總的水勢(shì)能為：

W總=W重×18=846720J

則一年可產(chǎn)生的總能量為：

W年=W總×365=309052800J

又從上可知，北京日降雨量為1.82mm，北京居民樓一層平均為400m2，則降水的體積和質(zhì)量分別為：

V=L×S=546L

M=0.546T

雨水總勢(shì)能為：

W雨水重=m雨水×g×h=16024J

一年雨水產(chǎn)生的能量為

W雨水年=W雨水重×365=5848760J

總能量為

W總=W雨水年+W年=314901560J

忽略其他能量損耗，總能量可讓20W，效率為0.8一年中工作的時(shí)間為

t=■=3498.9h

三、總結(jié)

該系統(tǒng)開發(fā)利用了高樓生活用水以及樓頂雨水的重力勢(shì)能來(lái)發(fā)電，體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的理念，并對(duì)空氣凈化器進(jìn)行了必要的改進(jìn)，使其能夠高效的凈化空氣。若能將該系統(tǒng)應(yīng)用于更高樓層，增大發(fā)電機(jī)的功率，將獲得可觀的電能，本系統(tǒng)的深入研究將為可持續(xù)發(fā)展和空氣凈化探索一條革新之路。

【摘要】 為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的環(huán)境污染以及能源短缺問題，系統(tǒng)利用高樓生活用水的水勢(shì)能，以及樓頂雨水采集裝置收集的雨水的水勢(shì)能為能量來(lái)源，推動(dòng)水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的電能供空氣凈化器使用，空氣凈化器一方面采用纖維狀活性炭濾網(wǎng)以及靜電濾塵網(wǎng)對(duì)空氣進(jìn)行靜電集塵式凈化，能有效吸附空氣中的懸浮粒子，另一方面采用高壓放電產(chǎn)生負(fù)氧離子對(duì)空氣凈化，能有效殺菌，改善室內(nèi)環(huán)境。本系統(tǒng)開發(fā)利用了高樓住宅的水勢(shì)能，由此產(chǎn)生的電能用來(lái)凈化空氣，將對(duì)節(jié)能減排和環(huán)境凈化產(chǎn)生積極的影響。

【關(guān)鍵詞】 PM2.5 重力勢(shì)能 水力發(fā)電 靜電集塵 負(fù)氧離子

一、研制背景及意義

隨著中國(guó)進(jìn)入高速發(fā)展的機(jī)遇期，高新技術(shù)得到了全面的發(fā)展，人民的生活水平得到了顯著提高。然而隨之也產(chǎn)生了很多問題，最為突出的是環(huán)境污染和能源短缺問題。近年來(lái)，大氣污染日益嚴(yán)重，PM2.5引發(fā)了各種呼吸道疾病，對(duì)人體健康產(chǎn)生了巨大威脅。室外，工業(yè)生產(chǎn)、交通尾氣等成為影響大氣質(zhì)量的主要因素；室內(nèi)硫酸氣體，氯氧化物及各種有機(jī)物質(zhì)的沉淀同樣影響著人體健康。因而，空氣凈化器逐漸得到居民的青睞，然而市場(chǎng)上空氣凈化器價(jià)格昂貴，不適合廣泛推廣。此系統(tǒng)凈化器價(jià)格低廉，又能確保凈化功能，利用高壓進(jìn)行靜電集塵，再經(jīng)過(guò)濾塵網(wǎng)吸附微粒污染物，并且能釋放出負(fù)氧離子，能有效清除空氣中的陽(yáng)離子煙霧，從而保持室內(nèi)空氣干凈而新鮮。當(dāng)前，化石能源仍是主要能源，但因燃燒化石能源導(dǎo)致的全球變暖和空氣污染問題日益嚴(yán)重，為了減少對(duì)環(huán)境的破壞，本系統(tǒng)利用高樓層的水勢(shì)能發(fā)電，不僅有效地利用了能源，更減少了化石能源的燃燒，保護(hù)了環(huán)境。

二、設(shè)計(jì)方案

2.1 工作原理

2.1.1 水力發(fā)電的工作原理[3]

利用高樓層的水勢(shì)能，由水流推動(dòng)水輪機(jī)，水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生的電能由蓄電池儲(chǔ)蓄，存儲(chǔ)的電能將為空氣凈化系統(tǒng)提供電能。

2.1.2 靜電除塵的工作原理[4]

利用發(fā)電部分的能源，在逆變器作用下將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，再通過(guò)高壓包產(chǎn)生6000V～8000V高壓電，使放電極金屬尖端處于高壓狀態(tài)，產(chǎn)生強(qiáng)大的靜電場(chǎng)，空中微塵被靜電場(chǎng)極化，在電場(chǎng)和風(fēng)扇作用下作定向移動(dòng)，再在其移動(dòng)的路徑中放一薄膜，過(guò)濾被吸附的微塵，從而達(dá)到除塵作用。

2.1.3 負(fù)氧離子凈化的工作原理[4]

本設(shè)計(jì)利用高壓進(jìn)行靜電集塵的同時(shí)，又能釋放出負(fù)氧離子，負(fù)氧離子具有十分活潑的化學(xué)特性，它能迅速與空氣中其它化合物結(jié)合，使其形成新形態(tài)的氧化物，進(jìn)而使某些氣態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為晶態(tài)物達(dá)到凈化空氣目的。本產(chǎn)品在將有害臭氧轉(zhuǎn)化成陰離子氧氣的過(guò)程中能產(chǎn)生水，因而本產(chǎn)品又有調(diào)節(jié)濕度的功能。

2.2 系統(tǒng)方案

2.2.1 系統(tǒng)流程圖，如圖1所示

2.2.2 空氣凈化器原理圖[1，2]，如圖2所示

2.3 理論計(jì)算

2.3.1 前述

北京的降水量： （1）北京的氣候?yàn)榈湫偷呐瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。年平均降雨量644毫米，日均1.82毫米，為華北地區(qū)降雨最多的地區(qū)之一，山前迎風(fēng)坡可達(dá)700毫米以上。（2）降水季節(jié)分配很不均勻，全年降水的集中在夏季，7、8月常有暴雨。北京夏季（6-8月）降水量最大，占全年的70%～75%以上，冬季雨雪很少，降水量占全年2%，春季次少，占到8%～10%，秋季占全年的13%～16%。

2.3.2 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)部分

以北京為例，以下是對(duì)北京各小區(qū)用水量以及降水量的調(diào)查表[5]：

表1反映了小區(qū)性質(zhì)和小區(qū)戶數(shù)。

表2反映了人們?cè)诓煌瑫r(shí)期用水量的差異，根據(jù)此差異可調(diào)整發(fā)電機(jī)工作時(shí)間，使發(fā)電機(jī)的工作效率達(dá)到最大，達(dá)到充分利用水勢(shì)能產(chǎn)生的電能。

表3反映了小區(qū)內(nèi)人均用水量，也反映了北京的人均用水量，根據(jù)此表可大致算出高樓內(nèi)生活剩水的總勢(shì)能，以及其產(chǎn)生的電能。

表4反映了從1988年到2005年北京年降水量數(shù)據(jù)表，可由此計(jì)算出降水的質(zhì)量。

2.3.3 計(jì)算

由數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)部分的表格可知，小區(qū)居民日均用水量為0.32T每天每戶。調(diào)查住宅樓平均為9層，則樓高的一半為15m。

那么，每天生活用水可產(chǎn)生的重力勢(shì)能為：

W重=m×g×h=47040J

按每棟樓2*9戶人家計(jì)算，則整棟樓的總的水勢(shì)能為：

W總=W重×18=846720J

則一年可產(chǎn)生的總能量為：

W年=W總×365=309052800J

又從上可知，北京日降雨量為1.82mm，北京居民樓一層平均為400m2，則降水的體積和質(zhì)量分別為：

V=L×S=546L

M=0.546T

雨水總勢(shì)能為：

W雨水重=m雨水×g×h=16024J

一年雨水產(chǎn)生的能量為

W雨水年=W雨水重×365=5848760J

總能量為

W總=W雨水年+W年=314901560J

忽略其他能量損耗，總能量可讓20W，效率為0.8一年中工作的時(shí)間為

t=■=3498.9h

三、總結(jié)

該系統(tǒng)開發(fā)利用了高樓生活用水以及樓頂雨水的重力勢(shì)能來(lái)發(fā)電，體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的理念，并對(duì)空氣凈化器進(jìn)行了必要的改進(jìn)，使其能夠高效的凈化空氣。若能將該系統(tǒng)應(yīng)用于更高樓層，增大發(fā)電機(jī)的功率，將獲得可觀的電能，本系統(tǒng)的深入研究將為可持續(xù)發(fā)展和空氣凈化探索一條革新之路。