專利名稱：一種高層建筑污水勢(shì)能回收系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于綠色建筑節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種高層建筑污水勢(shì)能回收系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
高層建筑由于其空間利用率高，人口密度大，往往具有用水量大、排水量大的特點(diǎn)，并且排出的這些污水大多具有很高的勢(shì)能，目前的大多數(shù)建筑中，人們將這些污水通過(guò)管道直接排放到公共污水下水道，這使得當(dāng)中的勢(shì)能被白白地浪費(fèi)掉?，F(xiàn)有技術(shù)中、渦輪發(fā)電機(jī)可以通過(guò)向流體汲取動(dòng)能并將其轉(zhuǎn)換成電能進(jìn)行利用， 在上述高層建筑中，若把渦輪發(fā)電機(jī)安裝于建筑物污水管道底部，則當(dāng)中的渦輪也會(huì)把污水從高處落下時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)為電能，利用該方法產(chǎn)生的電能可由以下公式求得。P= nrhg ； (1)其中η為轉(zhuǎn)換效率，r為流量(kg/s)，h為水頭高度(m)，g為重力系數(shù)(9. 8m/s2)， P為產(chǎn)生電能的功率(W)。根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的指引(National Bureau of Standards)，一條排水管道的大小應(yīng)根據(jù)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(nèi)流動(dòng)時(shí)占去管道面積的比例，通常介乎于 1/4 1/3 ；d為管道直徑(inch)。以一座70層高的大廈為例，假設(shè)大廈每層有20戶，每戶有5人，每人每日的用水量為168升，若把所有污水集中起來(lái)，該大廈每天排放的污水便是1176000升，參考公式 (2)，該大廈需要一條4英寸的管道來(lái)排放污水。下面計(jì)算這些污水可以產(chǎn)生的電能，為了得到上述結(jié)果，先計(jì)算污水到達(dá)渦輪發(fā)電機(jī)時(shí)的動(dòng)能，參見(jiàn)圖1，圖示為污水依附在管道壁上向下流動(dòng)的流動(dòng)狀態(tài)示意圖，其中污水占管道面積最大值為1/4至1/3，管道的中心位置為空氣，當(dāng)水管流入管道后，水會(huì)因重力向下加速，不過(guò)水流速度越快，管壁對(duì)水施加的摩擦力也就越大，當(dāng)摩擦力的數(shù)值等同于重力后，污水便會(huì)停止加速并以固定速度向下流動(dòng)，該速度被稱為終極速度(Terminal Velocity)，而水流由靜止到加速到達(dá)到終極速度的距離，被稱為終極距離(Terminal Length)，根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局推演的污水流動(dòng)狀態(tài)及其流動(dòng)速度的公式，上述終極速度和終極距離的計(jì)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(jìn)行比較，兩棟大廈每日產(chǎn)生的污水體積分別為1176000升和504000升，假設(shè)水流是定常流 (Steady Flow)，根據(jù)公式(3)和(4)，兩棟大廈的污水流經(jīng)各自的排水管時(shí)，其終極速度分別為 5. 46m/s 和 3. 88m/s。由于污水水流到達(dá)終極速度后，污水向下流所釋放的重力勢(shì)能會(huì)轉(zhuǎn)化為摩擦損失，所以其到達(dá)建筑物底部時(shí)的動(dòng)能非常有限，根據(jù)公式(1)，若在建筑物底部安裝有渦輪發(fā)電機(jī)并假設(shè)轉(zhuǎn)換效能為80%，則渦輪發(fā)電機(jī)的功率僅為162W和35W.考慮在理想情況下沒(méi)有摩擦損失，當(dāng)中位能的釋放會(huì)直接轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，而當(dāng)中的動(dòng)能亦可透過(guò)渦輪轉(zhuǎn)化為電力。因渦輪發(fā)電機(jī)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約為建筑物的一半高度，Q為流量。在理想情況下，渦輪發(fā)電機(jī)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(jiàn)，污水沿管壁向下流動(dòng)所造成的摩擦損失非常巨大，回收的能量與投資相比，很不劃算。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的，就是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高層建筑污水勢(shì)能回收系統(tǒng)， 采用該系統(tǒng)的高層建筑可以有效地對(duì)其所產(chǎn)生污水的勢(shì)能進(jìn)行回收，從而達(dá)到建筑節(jié)能環(huán)保的要求。為了達(dá)到上述目的，采用如下技術(shù)手段一種高層建筑污水勢(shì)能回收系統(tǒng)，包括控制單元、儲(chǔ)水設(shè)備和通過(guò)管道與儲(chǔ)水設(shè)備連接的污水源及渦輪發(fā)電機(jī)，所述儲(chǔ)水設(shè)備內(nèi)設(shè)置有水位傳感器，儲(chǔ)水設(shè)備的排水管道上設(shè)置有開(kāi)關(guān)閥，所述水位傳感器和開(kāi)關(guān)閥與控制單元相連，所述渦輪發(fā)電機(jī)位于高層建筑的底層，與所述渦輪發(fā)電機(jī)相連設(shè)置有可充電電池，其中儲(chǔ)水設(shè)備用于收集并存儲(chǔ)污水；渦輪發(fā)電機(jī)用于將儲(chǔ)水設(shè)備所排放污水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能；可充電電池用于存儲(chǔ)來(lái)自渦輪發(fā)電機(jī)的電能；開(kāi)關(guān)閥用于管理儲(chǔ)水設(shè)備的污水排放過(guò)程；控制單元用于接收所述水位傳感器的信號(hào)并控制開(kāi)關(guān)閥的通斷。進(jìn)一步地，所述污水源至少包括浴室排水、盥洗間排水、洗衣機(jī)排水、廚房排水和衛(wèi)生間排水中的一種或幾種。再進(jìn)一步地，所述控制單元控制開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)閉的參考值是儲(chǔ)水箱內(nèi)水位傳感器的反饋信息。作為一種具體實(shí)施例，所述開(kāi)關(guān)閥設(shè)置于儲(chǔ)水設(shè)備的底部位置。作為另一種具體實(shí)施例，所述開(kāi)關(guān)閥設(shè)置于高層建筑的底部位置。進(jìn)一步地，所述儲(chǔ)水設(shè)備進(jìn)口端設(shè)置有用于阻隔固體垃圾及污水中懸浮物的濾網(wǎng)。更進(jìn)一步地，所述濾網(wǎng)所在位置設(shè)置有用于排放固體垃圾及污水中懸浮物至公共污水渠的排污管道。
4
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于在高層建筑中部位置設(shè)置儲(chǔ)水設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)污水的收集和儲(chǔ)存，配合開(kāi)關(guān)閥對(duì)污水的統(tǒng)一釋放，增大了污水放泄時(shí)污水橫截面積占管道橫截面積的百分比，使污水在管道內(nèi)的流動(dòng)為滿流狀態(tài)，大大降低了污水少量放泄時(shí)污水勢(shì)能的摩擦損失，讓污水勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能的效率大大提高；在儲(chǔ)水設(shè)備中設(shè)置與控制單元相連的水位傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)水狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，可以有效地對(duì)開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)閉進(jìn)行控制，可以及時(shí)有效地將污水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中污水依附在管道壁上向下流動(dòng)的管道截面示意圖。圖2為本發(fā)明所述高層建筑污水勢(shì)能回收系統(tǒng)中污水呈滿流狀態(tài)向下流動(dòng)的管道截面示意圖。圖3為本發(fā)明所述高層建筑污水勢(shì)能回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-管道；2-污水；3-空氣；4-污水源；5-儲(chǔ)水設(shè)備；6-濾網(wǎng)；7-渦輪發(fā)電機(jī)；8-開(kāi)關(guān)閥；9-公共污水渠。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合

和具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)一步說(shuō)明參見(jiàn)圖2和圖3，本發(fā)明所述的高層建筑污水勢(shì)能回收系統(tǒng)，包括控制單元、儲(chǔ)水設(shè)備5和通過(guò)管道1與儲(chǔ)水設(shè)備5連接的污水源4及渦輪發(fā)電機(jī)7，其中儲(chǔ)水設(shè)備5內(nèi)設(shè)置有水位傳感器，儲(chǔ)水設(shè)備5的排水管道上設(shè)置有開(kāi)關(guān)閥8，上述水位傳感器和開(kāi)關(guān)閥8與控制單元10相連，渦輪發(fā)電機(jī)7位于高層建筑的底層，與所述渦輪發(fā)電機(jī)7相連設(shè)置有可充電電池，其中儲(chǔ)水設(shè)備5用于收集并存儲(chǔ)污水；渦輪發(fā)電機(jī)7用于將儲(chǔ)水設(shè)備5所排放污水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能；可充電電池用于存儲(chǔ)來(lái)自渦輪發(fā)電機(jī)7的電能；開(kāi)關(guān)閥8用于管理儲(chǔ)水設(shè)備5的污水排放過(guò)程；控制單元10用于接收所述水位傳感器的信號(hào)并控制開(kāi)關(guān)閥8的通斷。上述功能模組中，污水源4至少包括浴室排水、盥洗間排水、洗衣機(jī)排水、廚房排水和衛(wèi)生間排水中的一種或幾種，其中為了避免污水內(nèi)的固體物質(zhì)損壞渦輪發(fā)電機(jī)的葉片，如廁所排水等較臟的污水需先經(jīng)過(guò)濾等處理以去除水中的污物；由儲(chǔ)水設(shè)備5到高層建筑底層的管道，其選材和制作均需加以注意，要充分考慮到污水的巨大壓強(qiáng)及污水流動(dòng)時(shí)的沖擊力，同時(shí)還要防止水管生銹、滲漏，例如選擇硬度較高的塑料材料。此外，管道內(nèi)壁應(yīng)當(dāng)盡量光滑，以減少摩擦損耗和紊流發(fā)生的機(jī)會(huì)。為了及時(shí)有效地對(duì)儲(chǔ)水箱內(nèi)的污水排放過(guò)程進(jìn)行控制，所述控制單元基于儲(chǔ)水箱內(nèi)水位傳感器的反饋信息指令開(kāi)關(guān)閥開(kāi)閉，作為一種具體實(shí)施例，上述開(kāi)關(guān)閥可以設(shè)置于儲(chǔ)水設(shè)備的底部出水口位置，也可以設(shè)置于高層建筑的底部位置，為了保證污水內(nèi)的懸浮物不會(huì)影響渦輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，所述儲(chǔ)水設(shè)備進(jìn)口端設(shè)置有用于阻隔固體垃圾及污水中懸浮物的濾網(wǎng)，與之相應(yīng)地，濾網(wǎng)所在位置設(shè)置有用于排放固體垃圾及污水中懸浮物至公共污水渠9的排污管道，上述渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能可直接并入大廈電網(wǎng)進(jìn)行供電，也可以為可充電電池充電后使用可充電電池。上述有關(guān)儲(chǔ)水設(shè)備所在的高度及樓層，需要經(jīng)對(duì)水量和其可回收的勢(shì)能進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算后求得，計(jì)算過(guò)程中可以儲(chǔ)水設(shè)備所在高度作為變量并從中計(jì)算所能回收勢(shì)能以及所產(chǎn)生的電能設(shè)儲(chǔ)水設(shè)備所在高度為z，則根據(jù)高層建筑及城市住區(qū)委員會(huì)(CTBUH)所建議的
公式，樓層與高度的關(guān)系可大致表示為
權(quán)利要求
1.一種高層建筑污水勢(shì)能回收系統(tǒng)，其特征在于，包括控制單元、儲(chǔ)水設(shè)備和通過(guò)管道與儲(chǔ)水設(shè)備連接的污水源及渦輪發(fā)電機(jī)，所述儲(chǔ)水設(shè)備內(nèi)設(shè)置有水位傳感器，儲(chǔ)水設(shè)備的排水管道上設(shè)置有開(kāi)關(guān)閥，所述水位傳感器和開(kāi)關(guān)閥與控制單元相連，所述渦輪發(fā)電機(jī)位于高層建筑的底層，與所述渦輪發(fā)電機(jī)相連設(shè)置有可充電電池，其中儲(chǔ)水設(shè)備用于收集并存儲(chǔ)污水；渦輪發(fā)電機(jī)用于將儲(chǔ)水設(shè)備所排放污水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能；可充電電池用于存儲(chǔ)來(lái)自渦輪發(fā)電機(jī)的電能；開(kāi)關(guān)閥用于管理儲(chǔ)水設(shè)備的污水排放過(guò)程；控制單元用于接收所述水位傳感器的信號(hào)并控制開(kāi)關(guān)閥的通斷。
2.如權(quán)利要求1所述的高層建筑污水勢(shì)能回收系統(tǒng)，其特征在于，所述污水源至少包括浴室排水、盥洗間排水、洗衣機(jī)排水、廚房排水和衛(wèi)生間排水中的一種或幾種。
3.如權(quán)利要求1所述的高層建筑污水勢(shì)能回收系統(tǒng)，其特征在于，所述控制單元控制開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)閉的參考值是儲(chǔ)水箱內(nèi)水位傳感器的反饋信息。
4.如權(quán)利要求1所述的高層建筑污水勢(shì)能回收系統(tǒng)，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)閥設(shè)置于儲(chǔ)水設(shè)備的底部位置。
5.如權(quán)利要求1所述的高層建筑污水勢(shì)能回收系統(tǒng)，其特征在于，所述開(kāi)關(guān)閥設(shè)置于高層建筑的底部位置。
6.如權(quán)利要求1所述的高層建筑污水勢(shì)能回收系統(tǒng)，其特征在于，所述儲(chǔ)水設(shè)備進(jìn)口端設(shè)置有用于阻隔固體垃圾及污水中懸浮物的濾網(wǎng)。
7.如權(quán)利要求6所述的高層建筑污水勢(shì)能回收系統(tǒng)，其特征在于，所述濾網(wǎng)所在位置設(shè)置有用于排放固體垃圾及污水中懸浮物至公共污水渠的排污管道。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高層建筑污水勢(shì)能回收系統(tǒng)，包括控制單元、儲(chǔ)水設(shè)備和通過(guò)管道與儲(chǔ)水設(shè)備連接的污水源及渦輪發(fā)電機(jī)，所述儲(chǔ)水設(shè)備內(nèi)設(shè)置有水位傳感器，儲(chǔ)水設(shè)備的排水管道上設(shè)置有開(kāi)關(guān)閥，所述水位傳感器和開(kāi)關(guān)閥與控制單元相連，所述渦輪發(fā)電機(jī)位于高層建筑的底層，與所述渦輪發(fā)電機(jī)相連設(shè)置有可充電電池，本發(fā)明的儲(chǔ)水設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)污水的收集和儲(chǔ)存，配合開(kāi)關(guān)閥對(duì)污水的統(tǒng)一釋放，使污水在管道內(nèi)的流動(dòng)為滿流狀態(tài)，降低了污水少量放泄時(shí)污水勢(shì)能的摩擦損失；在儲(chǔ)水設(shè)備中設(shè)置水位傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儲(chǔ)水狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，可以有效地對(duì)開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)閉進(jìn)行控制，可以及時(shí)有效地將污水的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性高的節(jié)能系統(tǒng)。
文檔編號(hào)F03B13/00GK102383475SQ20111024658
公開(kāi)日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月25日
發(fā)明者姚科, 高福榮 申請(qǐng)人:廣州市香港科大霍英東研究院