基于贯流式发电理念的高楼雨水发电新工艺

徐东伟 宁厚飞 张永斌 韩星星 郑耀强

(武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430065)

基于贯流式发电理念的高楼雨水发电新工艺

徐东伟 宁厚飞 张永斌 韩星星 郑耀强

(武汉科技大学城市建设学院，湖北 武汉 430065)

介绍了高楼雨水发电的工作原理，通过模型设计及理论计算分析，建立了一套高楼雨水发电工艺体系，并对该体系包含的雨水收集、贯流式发电、储电和智能控制供电三个部分进行了阐述，分析了该工艺的创新点和可行性，以促进其推广应用。

高楼雨水，发电，节能，资源

0 引言

高楼雨水本身由大面积屋顶作为天然收集平台；蕴藏着丰富的势能,建立高楼雨水发电工艺体系能缓解大城市供电不足的压力，减少环境污染，同时也是响应国家绿色建筑的政策导向，国内很多人提出高楼雨水发电模型，但因没有紧密结合工程实际，难以与工程实际挂钩。本工艺体系直接将发电机安置于排水管道中，直接利用雨水从管道流下过程发电，中间不需经过其他工序影响势能的损失。

1 工作原理及流程

高楼雨水经屋面回流后经雨水斗粗过滤，在雨水管接口处设计一个小型蓄水池，并在出水口处设有一个浮球阀，当蓄水池内的水位达到一定值时，阀门自动打开，发电机安装在排水管内，雨水流下管道的过程中带动发电机发电(见图1)。通过逆变电路和整流滤波电路将电流转换为稳定的直流电，用蓄电池将零散的电能收集起来以用于路灯等公共基础设施。

本工艺包含三个部分：雨水收集、贯流式发电、储电和智能控制供电。

1)雨水收集。

因选用的为灯泡贯流式水力发电机组，发电机装置直径略大于排水管直径，选用水塞流对保护发电机的使用寿命和保证发电效率比较有利。同时因为只有当水箱的水位达到一定值后，浮球阀门才会打开，雨水才会下流，此时掺气量较少并且具有水压，因此可以保证水塞流状态下水流的顺畅。并且我们选用的稀土永磁发电机对应流量范围0.021 m3/s～0.127 m3/s，在屋面的四角设计四个水箱，雨水沿一定坡度的屋面经水箱侧面的滤网截留较大的一些悬浮杂质后汇入水箱，并用一个浮球阀控制蓄水量，保证发电机能在相对稳定的水塞流状态下工作。

2)贯流式发电。

本系统采用灯泡贯流式发电机组，将发电机等比例缩小至接口与建筑雨水排水管直径相当的尺寸，见图1。

下面以武汉地区60栋的小区住宅为例进行理论计算与分析。一栋20层，层高3 m，每层2梯4户，屋顶面积800 m2，汉口地区采用的暴雨强度公式为：

q=983×(1+0.65lgP)/(t+4)0.56。

其中，q为暴雨强度，(L/s)/hm2;t为降雨历时，min;P为重现期，年。取t=5 min,P=1年得q=287.49 (L/s)/hm2。

一栋建筑屋面在一次降雨中接受的雨量：

V=φqFt。

其中，φ为屋面径流系数，取0.9；F为汇水面积，m2。

V=0.9×287.49×0.08×1 800=38 m3。

排水管应选阻力系数小的，以减少阻力，提高雨水势能的利用率，推荐选用UPVC管。考虑到单根排水管的长度为4 m，所选发电机的适用水头为5 m～8 m，为充分利用雨水下落的势能并方便于施工(将发电机安装于排水管接头处,选用每一级发电的水头高度为8 m，用变径接头连接)，对这栋60 m的建筑采用7级发电，有效发电长度为56 m。初步估计发电机效率η1=70%，后续电路效率η2=70%。发电功率:

P=η1η2QHg=0.7×0.7×0.05×56×10=14 kW。

一栋建筑一次降雨发电量W=14×(38/0.05×3 600)=3 kWh。假设该小区有60栋，一个月降雨8次(一次30 min)，则一年的发电量W=60×8×12×3=18 000 kWh。可以用于小区路灯照明等。为防止暴雨期间，排水不畅现象出现，连接处设有旁通管。

3)储电和智能控制供电系统。

蓄电池的蓄电与供电的研究雨水发电产生的电流波动范围广，极不稳定。所以需要设计电路将电流转换为稳定的直流电，采用蓄电池将零散的电能储存起来。选择固定型阀控密封式铅酸蓄电池，所需维护工作量极小，便于安装，使用寿命5年～8年。蓄电池的储藏电能是有限的，为了不影响用户的正常生活和可以充分的利用蓄电池的电能，同时为了很好地将蓄电池的直流电变成交流电，本系统通过图2所示整流滤波电路后将电流转化为稳定的直流电进行蓄电池充电，然后通过一个逆变电路将其转换为220 V交流电供给用电器正常使用。

2 创新点

本工艺体系充分利用高楼雨水自身蕴含丰富势能这一特点，充分利用自然资源，在节能减排方面应用前景广泛，符合现代绿色建筑的设计理念，与当前建筑发展的趋势相吻合，可实施性强，有以下两点创新点：1)利用建筑物屋顶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过程带动发电机发电，积少成多，化零为整。产生的电能将用于高楼的公共设施如楼道应急照明灯、路灯等，发电、用电过程均具有创新性。2)本系统选用的发电机组依照排水管的布置和规格而定，与建筑物原有排水管道设计比较吻合，尺寸相当，与工程实际结合紧密，在不改变原有建筑物排水结构上安装，相对于其他发电方式实际安装简便，投资相对小。

3 可行性分析

1)设计与工程实际紧密结合，可操作性强。本系统的设计遵循了建筑的相关法律法规，并利用了建筑原有的排水管道，与工程实际结合紧密，可操作性强，便于施工建设与实施。可以说本系统的设计是为城市中的高楼量身定做的系统，相对于传统的设计更具有优越性。2)丰富的降雨量与庞大的高楼群蕴藏着巨大的经济效益，便于项目的实施与推广。据不完全统计，全国有600多个城市，每个城市的高楼数量众多，而在东部沿海大部分城市及部分中西部城市每年降雨量超过1 000 mm的城市有很多，福建、海南等省份降雨量甚至有时超过2 000 mm，所以如若高楼雨水发电及回收利用一体化系统设施建立成功并全面推广，其发电量和节约的水资源是巨大的，创造的经济效益也是非常可观的。3)项目实施后有一定的经济效益，为项目可行性奠定了基础。这里对高楼雨水发电工艺体系做一个投资预算，每栋楼项目实施成本预算(以20层为标准)见表1。

表1 项目实施成本预算表

前面已经估算年发电量为18 000 kWh,根据民用交流电单价为1元/kWh，合计4年可收回成本，若考虑投资动态收益率，5年可以收回成本，从经济可行性角度上来说是可行的。

4 结语

本文所设计的高楼雨水发电工艺在经济上可行，从环保和节能的角度来说具有重要意义，但是它的实行和推广及优化过程还有待于各界人士的共同努力，可以从以下两点出发：1)本系统所采用的贯流式发电机组是按照原有发电机组的原理以一定比例缩小做成的，现行的市场上微型发电机也是按照大型发电机以一定比例制成的，若能设计并制造出针对排水管量身定做能最高效发电的发电机，将能极大提高高楼雨水发电效率，促进并推广高楼雨水发电的应用。2)由于本体系建立使甲方投入建设成本增大，与不加此工艺体系相比，施工方施工也会简便很多，会导致很少有甲方愿意在小区住宅内建立相应的发电设施。相关政府部门可以出台一系列政策来引导和鼓励甲方建造配有高楼雨水发电设施的项目。

[1] 车 伍，李俊奇.城市雨水利用与技术管理[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2] 王增长.建筑给水排水工程[M].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[3] 《中国气象年鉴》编辑部.中国气象年鉴2011[M].北京：气象出版社，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

徐东伟(1992- )，男，在读本科生; 宁厚飞(1992- )，女，在读本科生; 张永斌(1992- )，男，在读本科生

TU201.5

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