基于貫流式發電理念的高樓雨水發電新工藝

徐東偉 寧厚飛 張永斌 韓星星 鄭耀強

(武漢科技大學城市建設學院，湖北 武漢 430065)

基于貫流式發電理念的高樓雨水發電新工藝

徐東偉 寧厚飛 張永斌 韓星星 鄭耀強

(武漢科技大學城市建設學院，湖北 武漢 430065)

介紹了高樓雨水發電的工作原理，通過模型設計及理論計算分析，建立了一套高樓雨水發電工藝體系，并對該體系包含的雨水收集、貫流式發電、儲電和智能控制供電三個部分進行了闡述，分析了該工藝的創新點和可行性，以促進其推廣應用。

高樓雨水，發電，節能，資源

0 引言

高樓雨水本身由大面積屋頂作為天然收集平臺；蘊藏著豐富的勢能,建立高樓雨水發電工藝體系能緩解大城市供電不足的壓力，減少環境污染，同時也是響應國家綠色建筑的政策導向，國內很多人提出高樓雨水發電模型，但因沒有緊密結合工程實際，難以與工程實際掛鉤。本工藝體系直接將發電機安置于排水管道中，直接利用雨水從管道流下過程發電，中間不需經過其他工序影響勢能的損失。

1 工作原理及流程

高樓雨水經屋面回流后經雨水斗粗過濾，在雨水管接口處設計一個小型蓄水池，并在出水口處設有一個浮球閥，當蓄水池內的水位達到一定值時，閥門自動打開，發電機安裝在排水管內，雨水流下管道的過程中帶動發電機發電(見圖1)。通過逆變電路和整流濾波電路將電流轉換為穩定的直流電，用蓄電池將零散的電能收集起來以用于路燈等公共基礎設施。

本工藝包含三個部分：雨水收集、貫流式發電、儲電和智能控制供電。

1)雨水收集。

因選用的為燈泡貫流式水力發電機組，發電機裝置直徑略大于排水管直徑，選用水塞流對保護發電機的使用壽命和保證發電效率比較有利。同時因為只有當水箱的水位達到一定值后，浮球閥門才會打開，雨水才會下流，此時摻氣量較少并且具有水壓，因此可以保證水塞流狀態下水流的順暢。并且我們選用的稀土永磁發電機對應流量范圍0.021 m3/s～0.127 m3/s，在屋面的四角設計四個水箱，雨水沿一定坡度的屋面經水箱側面的濾網截留較大的一些懸浮雜質后匯入水箱，并用一個浮球閥控制蓄水量，保證發電機能在相對穩定的水塞流狀態下工作。

2)貫流式發電。

本系統采用燈泡貫流式發電機組，將發電機等比例縮小至接口與建筑雨水排水管直徑相當的尺寸，見圖1。

下面以武漢地區60棟的小區住宅為例進行理論計算與分析。一棟20層，層高3 m，每層2梯4戶，屋頂面積800 m2，漢口地區采用的暴雨強度公式為：

q=983×(1+0.65lgP)/(t+4)0.56。

其中，q為暴雨強度，(L/s)/hm2;t為降雨歷時，min;P為重現期，年。取t=5 min,P=1年得q=287.49 (L/s)/hm2。

一棟建筑屋面在一次降雨中接受的雨量：

V=φqFt。

其中，φ為屋面徑流系數，取0.9；F為匯水面積，m2。

V=0.9×287.49×0.08×1 800=38 m3。

排水管應選阻力系數小的，以減少阻力，提高雨水勢能的利用率，推薦選用UPVC管。考慮到單根排水管的長度為4 m，所選發電機的適用水頭為5 m～8 m，為充分利用雨水下落的勢能并方便于施工(將發電機安裝于排水管接頭處,選用每一級發電的水頭高度為8 m，用變徑接頭連接)，對這棟60 m的建筑采用7級發電，有效發電長度為56 m。初步估計發電機效率η1=70%，后續電路效率η2=70%。發電功率:

P=η1η2QHg=0.7×0.7×0.05×56×10=14 kW。

一棟建筑一次降雨發電量W=14×(38/0.05×3 600)=3 kWh。假設該小區有60棟，一個月降雨8次(一次30 min)，則一年的發電量W=60×8×12×3=18 000 kWh。可以用于小區路燈照明等。為防止暴雨期間，排水不暢現象出現，連接處設有旁通管。

3)儲電和智能控制供電系統。

蓄電池的蓄電與供電的研究雨水發電產生的電流波動范圍廣，極不穩定。所以需要設計電路將電流轉換為穩定的直流電，采用蓄電池將零散的電能儲存起來。選擇固定型閥控密封式鉛酸蓄電池，所需維護工作量極小，便于安裝，使用壽命5年～8年。蓄電池的儲藏電能是有限的，為了不影響用戶的正常生活和可以充分的利用蓄電池的電能，同時為了很好地將蓄電池的直流電變成交流電，本系統通過圖2所示整流濾波電路后將電流轉化為穩定的直流電進行蓄電池充電，然后通過一個逆變電路將其轉換為220 V交流電供給用電器正常使用。

2 創新點

本工藝體系充分利用高樓雨水自身蘊含豐富勢能這一特點，充分利用自然資源，在節能減排方面應用前景廣泛，符合現代綠色建筑的設計理念，與當前建筑發展的趨勢相吻合，可實施性強，有以下兩點創新點：1)利用建筑物屋頂的坡度平面及本身所附有的雨水排水管道，使雨水沿管道流下的過程帶動發電機發電，積少成多，化零為整。產生的電能將用于高樓的公共設施如樓道應急照明燈、路燈等，發電、用電過程均具有創新性。2)本系統選用的發電機組依照排水管的布置和規格而定，與建筑物原有排水管道設計比較吻合，尺寸相當，與工程實際結合緊密，在不改變原有建筑物排水結構上安裝，相對于其他發電方式實際安裝簡便，投資相對小。

3 可行性分析

1)設計與工程實際緊密結合，可操作性強。本系統的設計遵循了建筑的相關法律法規，并利用了建筑原有的排水管道，與工程實際結合緊密，可操作性強，便于施工建設與實施。可以說本系統的設計是為城市中的高樓量身定做的系統，相對于傳統的設計更具有優越性。2)豐富的降雨量與龐大的高樓群蘊藏著巨大的經濟效益，便于項目的實施與推廣。據不完全統計，全國有600多個城市，每個城市的高樓數量眾多，而在東部沿海大部分城市及部分中西部城市每年降雨量超過1 000 mm的城市有很多，福建、海南等省份降雨量甚至有時超過2 000 mm，所以如若高樓雨水發電及回收利用一體化系統設施建立成功并全面推廣，其發電量和節約的水資源是巨大的，創造的經濟效益也是非常可觀的。3)項目實施后有一定的經濟效益，為項目可行性奠定了基礎。這里對高樓雨水發電工藝體系做一個投資預算，每棟樓項目實施成本預算(以20層為標準)見表1。

表1 項目實施成本預算表

前面已經估算年發電量為18 000 kWh,根據民用交流電單價為1元/kWh，合計4年可收回成本，若考慮投資動態收益率，5年可以收回成本，從經濟可行性角度上來說是可行的。

4 結語

本文所設計的高樓雨水發電工藝在經濟上可行，從環保和節能的角度來說具有重要意義，但是它的實行和推廣及優化過程還有待于各界人士的共同努力，可以從以下兩點出發：1)本系統所采用的貫流式發電機組是按照原有發電機組的原理以一定比例縮小做成的，現行的市場上微型發電機也是按照大型發電機以一定比例制成的，若能設計并制造出針對排水管量身定做能最高效發電的發電機，將能極大提高高樓雨水發電效率，促進并推廣高樓雨水發電的應用。2)由于本體系建立使甲方投入建設成本增大，與不加此工藝體系相比，施工方施工也會簡便很多，會導致很少有甲方愿意在小區住宅內建立相應的發電設施。相關政府部門可以出臺一系列政策來引導和鼓勵甲方建造配有高樓雨水發電設施的項目。

[1] 車 伍，李俊奇.城市雨水利用與技術管理[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[2] 王增長.建筑給水排水工程[M].北京：中國建筑工業出版社，2009.

[3] 《中國氣象年鑒》編輯部.中國氣象年鑒2011[M].北京：氣象出版社，2011.

The building rainwater power generationnew process based on tubular power generation ideas

XU Dong-wei NING Hou-fei ZHANG Yong-bin HAN Xing-xing ZHENG Yao-qiang

(Urban Construction College, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China)

This paper introduced the working principle of building rainwater power generation, through the model design and theoretical computation and analysis, established a set of building rainwater power generation technology system, and elaborated the system included rainwater collection, tubular power generation, electricity storage and intelligent control three parts, analyzed the innovation and feasibility of this technology, in order to promote its popularization and application.

building rainwater, power generation, energy saving, resource

1009-6825(2014)31-0216-03

2014-08-25

徐東偉(1992- )，男，在讀本科生; 寧厚飛(1992- )，女，在讀本科生; 張永斌(1992- )，男，在讀本科生

TU201.5

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