基于海綿城市發電的屋頂雨水處理系統運行分析

胡浩楠

【摘 要】屋頂雨水處理系統集泄洪、發電、蓄水為一體，實現了雨水雨能聯合利用，對傳統排水系統進行了功能開發，有利于建設城市水循環系統。本文選取了三個東南沿海城市和一個內陸城市進行屋頂雨水處理系統的運行分析，得出屋頂雨水處理系統適用于南方多雨城市，具有較好的應用前景。

【關鍵詞】海綿城市；雨水發電；經濟性；可靠性

1.屋頂雨水處理系統的適用范圍

為應對南方多雨城市的內澇問題和熱島效應，國家提出建設“海綿城市”的方針，國務院辦公廳2015年10月印發《關于推進海綿城市建設的指導意見》，部署推進海綿城市建設工作。

屋頂雨水處理系統集泄洪、發電、蓄水為一體，實現了雨水雨能聯合利用，對傳統排水系統進行了功能開發，有利于建設城市水循環系統。屋頂雨水處理系統是基于“海綿城市”的概念而發明的，其應用也可以與海綿城市的建設相配合，充分利用海綿城市建筑的樓頂蓄水池、排水管道、地下蓄水池等，大大減少工程量與施工成本。因為海綿城市是為多雨地區打造的，所以屋頂雨水處理系統也應該適用于多雨地區。

我國雨水資源豐富，大部分地區年降水量超過3500億立方米，且降雨主要集中在東南沿海地區，其中又以廣東省和福建省為首，內陸地區以江西省、湖南省、湖北省為代表。為使結論具有普適性，本文選取了三個東南沿海城市和一個內陸城市進行屋頂雨水處理系統實際運行的經濟性和可靠性分析。

2.屋頂雨水處理系統的結構

屋頂雨水處理系統包括集水裝置、發電裝置、蓄電配電裝置和抽水蓄能裝置。

集水裝置為屋頂蓄水池，先由樓頂表面的排水渠收集屋頂面積內的降水，經過濾網過濾去除大顆粒的泥沙、固體懸浮物等，進入屋頂蓄水池。雨水積累到高液位線時，通過繼電器自動控制，打開閥門，等雨水降落到低液位線時，繼電器動作，關閉閥門，繼續等待雨水集聚。此裝置的使用充分考慮了雨水流量的不穩定性而帶來的水輪發電機發出電壓的不穩定，由此提高了電能質量和發電效率。同時防止雨勢較大時，積水損壞樓頂。

發電裝置為水輪發電機，其功率參數需與低壓配電網的電壓保持一致。由于屋頂蓄水池受閥門控制，在水下落時是滿管壓力流，所以水流量參數與引水管的直徑相關聯，根據水輪發電機的功率參數進而選擇引水管合適的直徑。引水管最大限度的利用了樓房高度，水流特點為水頭高、流量小，因此采取混流式水輪發電機，進一步提高效率。排出的水進入地下蓄水池保存。

蓄電配電裝置包含低壓配電網和蓄電池，根據配電網此時的用電情況選擇所發電能的不同去向。若為用電高峰期，則將所發電能經一系列調相、調頻、保護后實施并網操作，水輪發電機不發電時則進行解列動作；若為用電低谷期，則將出線端接入逆變器，交流電變換為直流電，被儲存進蓄電池。

抽水蓄能裝置為地下蓄水池與抽水泵，地下蓄水池保障雨水不輕易流失和蒸發，抽水泵由低壓配電網進行供電。在干旱的天氣條件下，選擇在用電低谷時進行抽水，將水抽取到地上，可供給為綠化、道路灑水以及雨水資源凈化等，一方面起“填谷”作用，一方面對雨水形成再次利用，提高其利用率。

3.屋頂雨水處理系統運行的經濟性分析

以惠州市、江門市、漳州市、宜昌市為例。發電量均按下式計算：

Eq=ρgQVhη1ηet

惠州年降水量2200毫米，雨水集中在7、8月份。以惠州市大亞灣的三遠大愛城小區為例，小區樓高112.7米，樓頂蓄水池長50.4米，寬21.6米，深0.9米。

江門年降水量2078mm，以江門市的保利中央公園小區為例，小區樓高120.9米，樓頂蓄水池長53.6米，寬18.2米，深1.1米。

漳州年降水量超過1700mm，以漳州市的國貿潤園小區為例，小區樓高116.2米，樓頂蓄水池長53.0米，寬22.5米，深1.1米。

宜昌年平均降水量1215.6毫米，以宜昌市的中建宜昌之星小區為例，小區樓高112.9米，樓頂蓄水池長50.8米，寬29.4米，深0.9米。

據調查，惠州市可以建屋頂雨水處理系統的樓群數量為2080，江門市可以建屋頂雨水處理系統的樓群數量為1215，漳州市可以建屋頂雨水處理系統的樓群數量為1053，宜昌市可以建屋頂雨水處理系統的樓群數量為1251。以8棟樓為一組作為一臺水輪發電機組的供水源，通過運行仿真計算出各城市的年發電量分別為惠州市4558.6kWh，江門市4143.1kWh，漳州市4116.5kWh，宜昌市3462.9kWh。

建設成本包括購置水輪發電機、購置100mm PV管、引水管道的開挖與回填。目前市場上500W水輪發電機的平均價格約400元，開挖的工費為100元/m3，回填的工費為50元/m3。根據本例中樓宇的間隔及相關數據，可以估算出建成一套屋頂雨水處理系統的成本為2630元，從而計算出發電收益如下表所示：

表1

4.屋頂雨水處理系統運行的可靠性分析

由于降雨的季節性、不均勻性，雨水發電的實行面臨諸多困難，屋頂雨水處理系統通過自動蓄水調節裝置，先蓄水再發電，控制流速穩定，保證水下落時是滿管壓力流，充分考慮了雨水流量的不穩定性而帶來的水輪發電機發出電壓的不穩定，由此提高了電能質量和發電效率，解決了雨能的不可控性問題。

基于各城市雨季日降雨量數據對屋頂雨水處理系統進行運行仿真，得到機端電壓如下圖所示：

由上圖可知，電壓偏差在-2.23%～0.86%范圍內。

5.結論

據以上分析可以得出結論：

（1）自動蓄水調節裝置保證了機端電壓的穩定性，提高了屋頂雨水發電的可靠性。

（2）由于東南沿海城市降水量較多，發電量也隨之具有顯著優勢；對于高層建筑數量較多的城市，使用屋頂雨水處理系統獲得的年收益更多；幾座城市建設屋頂雨水處理系統的單位費用基本相同，且大部分能在兩年內回本。

因此，建設屋頂雨水處理系統具有良好的經濟前景。

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