高楼雨水收集利用系统分析

   文章通过模型设计制作和理论计算分析，研究高楼雨水的收集方法和利用方式，设计出一套收集和利用高楼雨水的系统。结果表明：高楼雨水收集利用系统可以有效收集楼层表面的雨水，并将雨水的重力势能通过水轮发电机转换为电能，亦可对发电后的雨水再次收集，二次利用。在南方降雨充沛的地区广泛应用此系统，可以充分利用雨水资源，节约电能和自来水，解决部分城市水资源短缺问题，并可以起到保护环境的作用。

我国人均可利用的淡水资源少，被联合国列为世界13个贫水国家之一，水资源的供求矛盾已成为制约我国未来发展的重要因素，缺水已成为不争的事实。收集和利用高楼雨水，不仅可以充分利用雨水资源，缓解我国的缺水问题，而且可以将雨水的重力势能转化为电能，节约电能资源，保护环境。

1 工作原理

将落在高楼楼顶的雨水收集后，使其集中落下，通过发电机将雨水的重力势能转为电能。发电后的雨水汇集到楼底的蓄水池中，可用作非生活用水。

2 系统概述

该系统主要由集雨装置、过滤器、流通管道、水轮发电机、蓄电装置、蓄水池等部分组成。雨水经过滤器汇集到集雨装置中，当水位达到一定高度时，浮标式阀门开启，雨水冲击水轮发电机叶片发电，水位下降到一定高度时，阀门关闭，继续蓄水。楼底有蓄水池，可将雨水收集，二次利用。

3 方案设计

3.1 集雨装置

楼顶的地板在设计时都具有一定的斜度，以便雨水依靠重力流入排水管道，并且装有多个排水管道分流。用水管将各个排水管道连接在一起，再连接一个大水箱，以便将雨水都汇集到水箱中。在水箱的底部连接流通管道，并在接口处安装浮标式自动阀门。当水箱中的水位达到一定高度时，阀门开启，雨水流入流通管道；当水箱中的水位低于一定高度时，阀门关闭，雨水汇集到水箱中。这种集雨装置不仅能防止雨水较小时，流通管道中雨水流量小、不连续而影响发电效率，而且能防止雨水较大时，楼顶出现积水，损坏楼顶。

3.2 过滤

雨水过滤是使雨水通过滤料或多孔介质，以截留水中的悬浮物质，从而使雨水净化的物理处理法。可以采用表面过滤中的粗滤方法，利用筛网或类似的带孔眼材料为过滤介质，截留的颗粒约在0.1mm以上，通过的介质很小，不会对水轮发电机造成损坏。过滤器的成本便宜，可在各排水管道的入口处加装过滤器。

3.3 流通管道

流通管道可利用高楼原有的排水管道改造，将安装水轮发电机的部分做成可拆卸的，便于发电机的安装和维修，也应尽可能选择内壁较光滑的水管，以减小雨水流下时受到的摩擦阻力，提高发电效率。

3.4 水轮发电机

根据物理知识可算得雨水自由下落15m时的速度约为17m/s，若流通管道的直径为6cm，则根据流量公式：

式中：

可算得水轮发电机处的雨水流量为0.002m3/s，且水头为15m，所以应选择小流量高水头水轮发电机。又因水轮发电机所需功率小、转速低，因此可选择额定功率为300W、额定转速为300r/min的斜击式单相永磁同步交流水轮发电机。水轮发电机在流通管道中每隔15m安装一台，以满足水轮发电机的工作要求。

3.5 蓄电装置

蓄电池具有可多次充电、放电，反复使用，寿命长等优点，所以本系统中选择蓄电池作为蓄电装置。根据不同类型蓄电池的特点，可以选择固定型阀控密封式铅酸蓄电池，其所需维护工作量极小，便于安装，使用寿命5～8年，价格也便宜。若系统对直流电压有要求，可将蓄电池串联；若系统对总电量有要求，可将蓄电池并联；若系统需要输出交流电，可用逆变器变换。此外，也可将蓄电池与电压感应开关连接，当蓄电池电压小于某一值时，电压感应开关便会将用电装置转换到普通供电线路上。

3.6 蓄水池

蓄水池设置在楼底，可将发电后的雨水再次收集起来，用来建设观赏水景、浇灌花草树木、冲刷路面等，这样可以节约大量的自来水，有利环保。

4 理论分析

假设浙江省一座高60m、楼顶面积2000m2的高楼安装有此系统，根据浙江省2010年平均年降水量1760.6mm，则该年此雨水收集系统在此楼汇集的雨水总质量、雨水总势能和总发电量可以表示为：

式中：

经计算可得：m=3.52×106kg，E=2.07×109J，W=362kW·h，即该系统每年可节约自来水3520m3，可产生电能362kW·h。假设我国南方地区有1000座高楼安装此系统，则每年可发电362000度，可节约自来水3520000m3。

5 实验结果及数据分析

为验证理论分析的正确性，通过模型对雨水发电部分进行了多次实验，结果如表1所示：

由实验结果可知，雨水发电的平均效率为53.04%，低于资料查到的70%。发电效率低，可能由于模型制造粗糙、小型发电机效率低等因素引起，成型产品可以达到70%的发电效率。

6 结语

本系统利用天然雨水发电，既合理利用了自然资源，又将发电后的雨水收集起来二次利用，结构简单，易于在原有的管道设施上改造，并且只需定期维护即可，不但节约能源，而且环保、实用，特别适合降水充沛的南方地区。