基于海绵城市发电的屋顶雨水处理系统运行分析

胡浩楠

【摘 要】屋顶雨水处理系统集泄洪、发电、蓄水为一体，实现了雨水雨能联合利用，对传统排水系统进行了功能开发，有利于建设城市水循环系统。本文选取了三个东南沿海城市和一个内陆城市进行屋顶雨水处理系统的运行分析，得出屋顶雨水处理系统适用于南方多雨城市，具有较好的应用前景。

【关键词】海绵城市；雨水发电；经济性；可靠性

1.屋顶雨水处理系统的适用范围

为应对南方多雨城市的内涝问题和热岛效应，国家提出建设“海绵城市”的方针，国务院办公厅2015年10月印发《关于推进海绵城市建设的指导意见》，部署推进海绵城市建设工作。

屋顶雨水处理系统集泄洪、发电、蓄水为一体，实现了雨水雨能联合利用，对传统排水系统进行了功能开发，有利于建设城市水循环系统。屋顶雨水处理系统是基于“海绵城市”的概念而发明的，其应用也可以与海绵城市的建设相配合，充分利用海绵城市建筑的楼顶蓄水池、排水管道、地下蓄水池等，大大减少工程量与施工成本。因为海绵城市是为多雨地区打造的，所以屋顶雨水处理系统也应该适用于多雨地区。

我国雨水资源丰富，大部分地区年降水量超过3500亿立方米，且降雨主要集中在东南沿海地区，其中又以广东省和福建省为首，内陆地区以江西省、湖南省、湖北省为代表。为使结论具有普适性，本文选取了三个东南沿海城市和一个内陆城市进行屋顶雨水处理系统实际运行的经济性和可靠性分析。

2.屋頂雨水处理系统的结构

屋顶雨水处理系统包括集水装置、发电装置、蓄电配电装置和抽水蓄能装置。

集水装置为屋顶蓄水池，先由楼顶表面的排水渠收集屋顶面积内的降水，经过滤网过滤去除大颗粒的泥沙、固体悬浮物等，进入屋顶蓄水池。雨水积累到高液位线时，通过继电器自动控制，打开阀门，等雨水降落到低液位线时，继电器动作，关闭阀门，继续等待雨水集聚。此装置的使用充分考虑了雨水流量的不稳定性而带来的水轮发电机发出电压的不稳定，由此提高了电能质量和发电效率。同时防止雨势较大时，积水损坏楼顶。

发电装置为水轮发电机，其功率参数需与低压配电网的电压保持一致。由于屋顶蓄水池受阀门控制，在水下落时是满管压力流，所以水流量参数与引水管的直径相关联，根据水轮发电机的功率参数进而选择引水管合适的直径。引水管最大限度的利用了楼房高度，水流特点为水头高、流量小，因此采取混流式水轮发电机，进一步提高效率。排出的水进入地下蓄水池保存。

蓄电配电装置包含低压配电网和蓄电池，根据配电网此时的用电情况选择所发电能的不同去向。若为用电高峰期，则将所发电能经一系列调相、调频、保护后实施并网操作，水轮发电机不发电时则进行解列动作；若为用电低谷期，则将出线端接入逆变器，交流电变换为直流电，被储存进蓄电池。

抽水蓄能装置为地下蓄水池与抽水泵，地下蓄水池保障雨水不轻易流失和蒸发，抽水泵由低压配电网进行供电。在干旱的天气条件下，选择在用电低谷时进行抽水，将水抽取到地上，可供给为绿化、道路洒水以及雨水资源净化等，一方面起“填谷”作用，一方面对雨水形成再次利用，提高其利用率。

3.屋顶雨水处理系统运行的经济性分析

以惠州市、江门市、漳州市、宜昌市为例。发电量均按下式计算：

Eq=ρgQVhη1ηet

惠州年降水量2200毫米，雨水集中在7、8月份。以惠州市大亚湾的三远大爱城小区为例，小区楼高112.7米，楼顶蓄水池长50.4米，宽21.6米，深0.9米。

江门年降水量2078mm，以江门市的保利中央公园小区为例，小区楼高120.9米，楼顶蓄水池长53.6米，宽18.2米，深1.1米。

漳州年降水量超过1700mm，以漳州市的国贸润园小区为例，小区楼高116.2米，楼顶蓄水池长53.0米，宽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区为例，小区楼高112.9米，楼顶蓄水池长50.8米，宽29.4米，深0.9米。

据调查，惠州市可以建屋顶雨水处理系统的楼群数量为2080，江门市可以建屋顶雨水处理系统的楼群数量为1215，漳州市可以建屋顶雨水处理系统的楼群数量为1053，宜昌市可以建屋顶雨水处理系统的楼群数量为1251。以8栋楼为一组作为一台水轮发电机组的供水源，通过运行仿真计算出各城市的年发电量分别为惠州市4558.6kWh，江门市4143.1kWh，漳州市4116.5kWh，宜昌市3462.9kWh。

建设成本包括购置水轮发电机、购置100mm PV管、引水管道的开挖与回填。目前市场上500W水轮发电机的平均价格约400元，开挖的工费为100元/m3，回填的工费为50元/m3。根据本例中楼宇的间隔及相关数据，可以估算出建成一套屋顶雨水处理系统的成本为2630元，从而计算出发电收益如下表所示：

表1

4.屋顶雨水处理系统运行的可靠性分析

由于降雨的季节性、不均匀性，雨水发电的实行面临诸多困难，屋顶雨水处理系统通过自动蓄水调节装置，先蓄水再发电，控制流速稳定，保证水下落时是满管压力流，充分考虑了雨水流量的不稳定性而带来的水轮发电机发出电压的不稳定，由此提高了电能质量和发电效率，解决了雨能的不可控性问题。

基于各城市雨季日降雨量数据对屋顶雨水处理系统进行运行仿真，得到机端电压如下图所示：

由上图可知，电压偏差在-2.23%～0.86%范围内。

5.结论

据以上分析可以得出结论：

（1）自动蓄水调节装置保证了机端电压的稳定性，提高了屋顶雨水发电的可靠性。

（2）由于东南沿海城市降水量较多，发电量也随之具有显著优势；对于高层建筑数量较多的城市，使用屋顶雨水处理系统获得的年收益更多；几座城市建设屋顶雨水处理系统的单位费用基本相同，且大部分能在两年内回本。

因此，建设屋顶雨水处理系统具有良好的经济前景。

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