一種高層建築汙水勢能回收系統的製作方法
2023-08-02 14:34:11
專利名稱：一種高層建築汙水勢能回收系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於綠色建築節能技術領域，更具體地，涉及一種高層建築汙水勢能回收系統。
背景技術：
高層建築由於其空間利用率高，人口密度大，往往具有用水量大、排水量大的特點，並且排出的這些汙水大多具有很高的勢能，目前的大多數建築中，人們將這些汙水通過管道直接排放到公共汙水下水道，這使得當中的勢能被白白地浪費掉。現有技術中、渦輪發電機可以通過向流體汲取動能並將其轉換成電能進行利用， 在上述高層建築中，若把渦輪發電機安裝於建築物汙水管道底部，則當中的渦輪也會把汙水從高處落下時所產生的動能轉為電能，利用該方法產生的電能可由以下公式求得。P= nrhg ； (1)其中η為轉換效率，r為流量(kg/s)，h為水頭高度(m)，g為重力係數(9. 8m/s2)， P為產生電能的功率(W)。根據美國國家標準局的指引(National Bureau of Standards)，一條排水管道的大小應根據以下公式求得。q = 27. 8r5/3d8/3 ； (2)其中q為管道容量(gpm) ；r為水流在管內流動時佔去管道面積的比例，通常介乎於 1/4 1/3 ；d為管道直徑(inch)。以一座70層高的大廈為例，假設大廈每層有20戶，每戶有5人，每人每日的用水量為168升，若把所有汙水集中起來，該大廈每天排放的汙水便是1176000升，參考公式 (2)，該大廈需要一條4英寸的管道來排放汙水。下面計算這些汙水可以產生的電能，為了得到上述結果，先計算汙水到達渦輪發電機時的動能，參見圖1，圖示為汙水依附在管道壁上向下流動的流動狀態示意圖，其中汙水佔管道面積最大值為1/4至1/3，管道的中心位置為空氣，當水管流入管道後，水會因重力向下加速，不過水流速度越快，管壁對水施加的摩擦力也就越大，當摩擦力的數值等同於重力後，汙水便會停止加速並以固定速度向下流動，該速度被稱為終極速度(Terminal Velocity)，而水流由靜止到加速到達到終極速度的距離，被稱為終極距離(Terminal Length)，根據美國國家標準局推演的汙水流動狀態及其流動速度的公式，上述終極速度和終極距離的計算公式如下
a 2/Vt = 3.5
1 d ；(3)Lt = 0. 052VT2 ； (4)其中Vt為終極速度(fps)，Lt為終極距離(ft)，q為水流量(gpm)，d為管道直徑 (inch)ο
將上例中的70層大廈和具有相同人口密度和人均用水量的一棟30層大廈進行比較，兩棟大廈每日產生的汙水體積分別為1176000升和504000升，假設水流是定常流 (Steady Flow)，根據公式(3)和(4)，兩棟大廈的汙水流經各自的排水管時，其終極速度分別為 5. 46m/s 和 3. 88m/s。由於汙水水流到達終極速度後，汙水向下流所釋放的重力勢能會轉化為摩擦損失，所以其到達建築物底部時的動能非常有限，根據公式(1)，若在建築物底部安裝有渦輪發電機並假設轉換效能為80%，則渦輪發電機的功率僅為162W和35W.考慮在理想情況下沒有摩擦損失，當中位能的釋放會直接轉化為動能，而當中的動能亦可透過渦輪轉化為電力。因渦輪發電機的平均輸出功率P = P ghQ。其中ρ為水的密度，g為重力加速度，h約為建築物的一半高度，Q為流量。在理想情況下，渦輪發電機在70層大廈和30層大廈的平均輸出功率分別為ISkW 和2. 85kW，是以所能獲得的能量約為0. 9%和1. 2%，可見，汙水沿管壁向下流動所造成的摩擦損失非常巨大，回收的能量與投資相比，很不划算。
發明內容
本發明的目的，就是克服現有技術的不足，提供一種高層建築汙水勢能回收系統， 採用該系統的高層建築可以有效地對其所產生汙水的勢能進行回收，從而達到建築節能環保的要求。為了達到上述目的，採用如下技術手段一種高層建築汙水勢能回收系統，包括控制單元、儲水設備和通過管道與儲水設備連接的汙水源及渦輪發電機，所述儲水設備內設置有水位傳感器，儲水設備的排水管道上設置有開關閥，所述水位傳感器和開關閥與控制單元相連，所述渦輪發電機位於高層建築的底層，與所述渦輪發電機相連設置有可充電電池，其中儲水設備用於收集並存儲汙水；渦輪發電機用於將儲水設備所排放汙水的動能轉化為電能；可充電電池用於存儲來自渦輪發電機的電能；開關閥用於管理儲水設備的汙水排放過程；控制單元用於接收所述水位傳感器的信號並控制開關閥的通斷。進一步地，所述汙水源至少包括浴室排水、盥洗間排水、洗衣機排水、廚房排水和衛生間排水中的一種或幾種。再進一步地，所述控制單元控制開關閥的開閉的參考值是儲水箱內水位傳感器的反饋信息。作為一種具體實施例，所述開關閥設置於儲水設備的底部位置。作為另一種具體實施例，所述開關閥設置於高層建築的底部位置。進一步地，所述儲水設備進口端設置有用於阻隔固體垃圾及汙水中懸浮物的濾網。更進一步地，所述濾網所在位置設置有用於排放固體垃圾及汙水中懸浮物至公共汙水渠的排汙管道。
4
與現有技術相比，本發明的有益效果在於在高層建築中部位置設置儲水設備，實現了對汙水的收集和儲存，配合開關閥對汙水的統一釋放，增大了汙水放洩時汙水橫截面積佔管道橫截面積的百分比，使汙水在管道內的流動為滿流狀態，大大降低了汙水少量放洩時汙水勢能的摩擦損失，讓汙水勢能轉化為電能的效率大大提高；在儲水設備中設置與控制單元相連的水位傳感器，實現了對儲水狀態的監測，可以有效地對開關閥的開閉進行控制，可以及時有效地將汙水的勢能轉化為電能。
圖1為現有技術中汙水依附在管道壁上向下流動的管道截面示意圖。圖2為本發明所述高層建築汙水勢能回收系統中汙水呈滿流狀態向下流動的管道截面示意圖。圖3為本發明所述高層建築汙水勢能回收系統的結構示意圖。圖中1-管道；2-汙水；3-空氣；4-汙水源；5-儲水設備；6-濾網；7-渦輪發電機；8-開關閥；9-公共汙水渠。
具體實施例方式下面結合
和具體實施例，對本發明做出進一步說明參見圖2和圖3，本發明所述的高層建築汙水勢能回收系統，包括控制單元、儲水設備5和通過管道1與儲水設備5連接的汙水源4及渦輪發電機7，其中儲水設備5內設置有水位傳感器，儲水設備5的排水管道上設置有開關閥8，上述水位傳感器和開關閥8與控制單元10相連，渦輪發電機7位於高層建築的底層，與所述渦輪發電機7相連設置有可充電電池，其中儲水設備5用於收集並存儲汙水；渦輪發電機7用於將儲水設備5所排放汙水的動能轉化為電能；可充電電池用於存儲來自渦輪發電機7的電能；開關閥8用於管理儲水設備5的汙水排放過程；控制單元10用於接收所述水位傳感器的信號並控制開關閥8的通斷。上述功能模組中，汙水源4至少包括浴室排水、盥洗間排水、洗衣機排水、廚房排水和衛生間排水中的一種或幾種，其中為了避免汙水內的固體物質損壞渦輪發電機的葉片，如廁所排水等較髒的汙水需先經過濾等處理以去除水中的汙物；由儲水設備5到高層建築底層的管道，其選材和製作均需加以注意，要充分考慮到汙水的巨大壓強及汙水流動時的衝擊力，同時還要防止水管生鏽、滲漏，例如選擇硬度較高的塑料材料。此外，管道內壁應當儘量光滑，以減少摩擦損耗和紊流發生的機會。為了及時有效地對儲水箱內的汙水排放過程進行控制，所述控制單元基於儲水箱內水位傳感器的反饋信息指令開關閥開閉，作為一種具體實施例，上述開關閥可以設置於儲水設備的底部出水口位置，也可以設置於高層建築的底部位置，為了保證汙水內的懸浮物不會影響渦輪發電機的運轉，所述儲水設備進口端設置有用於阻隔固體垃圾及汙水中懸浮物的濾網，與之相應地，濾網所在位置設置有用於排放固體垃圾及汙水中懸浮物至公共汙水渠9的排汙管道，上述渦輪發電機產生的電能可直接併入大廈電網進行供電，也可以為可充電電池充電後使用可充電電池。上述有關儲水設備所在的高度及樓層，需要經對水量和其可回收的勢能進行優化計算後求得，計算過程中可以儲水設備所在高度作為變量並從中計算所能回收勢能以及所產生的電能設儲水設備所在高度為z，則根據高層建築及城市住區委員會(CTBUH)所建議的
公式，樓層與高度的關係可大致表示為
權利要求
1.一種高層建築汙水勢能回收系統，其特徵在於，包括控制單元、儲水設備和通過管道與儲水設備連接的汙水源及渦輪發電機，所述儲水設備內設置有水位傳感器，儲水設備的排水管道上設置有開關閥，所述水位傳感器和開關閥與控制單元相連，所述渦輪發電機位於高層建築的底層，與所述渦輪發電機相連設置有可充電電池，其中儲水設備用於收集並存儲汙水；渦輪發電機用於將儲水設備所排放汙水的動能轉化為電能；可充電電池用於存儲來自渦輪發電機的電能；開關閥用於管理儲水設備的汙水排放過程；控制單元用於接收所述水位傳感器的信號並控制開關閥的通斷。
2.如權利要求1所述的高層建築汙水勢能回收系統，其特徵在於，所述汙水源至少包括浴室排水、盥洗間排水、洗衣機排水、廚房排水和衛生間排水中的一種或幾種。
3.如權利要求1所述的高層建築汙水勢能回收系統，其特徵在於，所述控制單元控制開關閥的開閉的參考值是儲水箱內水位傳感器的反饋信息。
4.如權利要求1所述的高層建築汙水勢能回收系統，其特徵在於，所述開關閥設置於儲水設備的底部位置。
5.如權利要求1所述的高層建築汙水勢能回收系統，其特徵在於，所述開關閥設置於高層建築的底部位置。
6.如權利要求1所述的高層建築汙水勢能回收系統，其特徵在於，所述儲水設備進口端設置有用於阻隔固體垃圾及汙水中懸浮物的濾網。
7.如權利要求6所述的高層建築汙水勢能回收系統，其特徵在於，所述濾網所在位置設置有用於排放固體垃圾及汙水中懸浮物至公共汙水渠的排汙管道。
全文摘要
本發明涉及一種高層建築汙水勢能回收系統，包括控制單元、儲水設備和通過管道與儲水設備連接的汙水源及渦輪發電機，所述儲水設備內設置有水位傳感器，儲水設備的排水管道上設置有開關閥，所述水位傳感器和開關閥與控制單元相連，所述渦輪發電機位於高層建築的底層，與所述渦輪發電機相連設置有可充電電池，本發明的儲水設備實現了對汙水的收集和儲存，配合開關閥對汙水的統一釋放，使汙水在管道內的流動為滿流狀態，降低了汙水少量放洩時汙水勢能的摩擦損失；在儲水設備中設置水位傳感器，實現了對儲水狀態的監測，可以有效地對開關閥的開閉進行控制，可以及時有效地將汙水的勢能轉化為電能，是一種結構簡單，實用性高的節能系統。
文檔編號F03B13/00GK102383475SQ20111024658
公開日2012年3月21日 申請日期2011年8月25日 優先權日2011年8月25日
發明者姚科, 高福榮 申請人:廣州市香港科大霍英東研究院