[发明专利]一种高层建筑中水势能回收与水体回用集成系统

说明书

技术领域

本发明属于绿色建筑节能技术领域，更具体地，涉及到一种高层建筑中水势能回收与水体回用集成系统。

背景技术

涡轮发电机是目前应用非常广泛的一种发电装置，它通过向流体汲取动能并将其转换成电能加以利用，例如利用水力进行发电的涡轮发电机可以汲取波浪拍打海岸的动能、潮汐涨退中海水的动能以及水流从高处往低处流动产生的势能进行发电，又例如利用火力或太阳能发电的涡轮发电机通过加热而令流体因温差流动产生动能，进而发电。

高层建筑由于其空间利用率高，人口密度大，往往具有用水量大、排水量大的特点，并且排出的这些污水大多具有很高的势能，目前的大多数建筑中，人们将这些污水通过管道直接排放到公共污水渠7，这使得当中的势能被白白地浪费掉。

现有技术中、涡轮发电机可以通过向流体汲取动能并将其转换成电能进行利用，在上述高层建筑中，若把涡轮发电机安装于建筑物污水管道底部，则当中的涡轮也会把污水从高处落下时所产生的动能转为电能，利用该方法产生的电能可由以下公式求得。

P＝ηrhg；                                        (1)

其中η为转换效率，r为流量(kg/s)，h为水源高度(m)，g为重力加速度(9.8m/s²)，P为产生电能的功率(W)。

根据美国国家标准局的指引(National Bureau of Standards)，一条排水管道的大小应根据以下公式求得。

q＝27.8r^5/3d^8/3；                                 (2)

其中：q为管道容量(gpm)；r为水流在管内流动时占去管道面积的比例，通常介于1/4～1/3；d为管道直径(inch)。

以一座70层高的住宅大厦为例，假设大厦每层有20户，每户有5人，每人每日的用水量为168升，若把所有污水集中起来，该大厦每天排放的污水便是1176000升，参考公式(2)，该大厦需要一条4英寸的管道来排放污水。

下面计算这些污水可以产生的电能，为了得到上述结果，先计算污水到达涡轮发电机时的动能，参见图1，图示为污水依附在管道10壁上向下流动的流动状态示意图，其中污水20占管道10面积最大值为1/4至1/3，管道10的中心位置为空气30，当污水20流入管道10后，污水20会因重力向下加速，不过污水20流动速度越快，管壁对污水20施加的摩擦力也就越大，当摩擦力的数值等同于重力后，污水20便会停止加速并以固定速度向下流动，该速度被称为终极速度(Terminal Velocity)，而污水20由静止到加速到达到终极速度的距离，被称为终极距离(Terminal Length)，根据美国国家标准局推演的污水流动状态及其流动速度的公式，上述终极速度和终极距离的计算公式如下：

VT=3.9(qd)2/5;---(3)]]>

L_T＝0.052V_T²；                               (4)

其中V_T为终极速度(fps)，L_T为终极距离(ft)，q为水流量(gpm)，d为管道直径(inch)。

将上例中的70层大厦和具有相同人口密度和人均用水量的一栋30层大厦进行比较，两栋大厦每日产生的污水体积分别为1176000升和504000升，假设水流是定常流(Steady Flow)，根据公式(3)和(4)，两栋大厦的污水流经各自的排水管时，其终极速度分别为5.46m/s和3.88m/s。