一种高层建筑中水势能回收与水体回用集成系统 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/ 2 s )， 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 ＝ 27.8r5/3d8/3 ； (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 根据美国国家标准局推演的污水流动状 速度的距离， 被称为终极距离 (Terminal Length)， 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 ：
LT ＝ 0.052VT2 ； (4)
其中 VT 为终极速度 (fps)， LT 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。
由于污水水流到达终极速度后， 污水向下流所释放的重力势能会转化为摩擦损 失， 所以其到达建筑物底部时的动能非常有限， 根据公式 (1)， 若在建筑物底部安装有涡轮 发电机并假设转换效能为 80％， 则涡轮发电机的功率仅为 162W 和 35W。
而考虑在理想情况下没有摩擦损失， 当中位能的释放会直接转化为动能， 而当中 的动能亦可透过涡轮转化为电力。
因涡轮发电机的平均输出功率 ： P ＝ ρghQ ； (5)
其中 ： ρ 为水的密度， g 为重力加速度， Q 为流量， h 约为建筑物的一半高度。
在理想情况下， 涡轮发电机在 70 层大厦和 30 层大厦的平均输出功率分别为 18kW 和 2.85kW， 是以所能汲取的能量约为 0.9％和 1.2％， 可见， 污水沿管壁向下流动所造成的 摩擦损失非常巨大， 节约的能量与投资相比， 很不划算。 另一方面， 当前水资源普遍缺乏与人们增长的用水需求之间的矛盾日益加重， 人 们越来越多地将已经使用过的水进行回收并加以利用， 这种过程通常称为中水回用， 该现 时中水回用处理大致上有三大常用技术， 分别是混凝及过滤， 生物处理及沉淀以及膜分等 工艺， 其中前两者缺点为占地面积大以及处理耗时长， 而后者具备占地少以及过程快捷简 单等优势， 能设置于大厦底层， 尤其适用于寸土寸金的大城市。
现实的膜分离工艺一般是由压缩机提供高压环境， 并将污水推向滤膜来实现， 在 日常生活中选择超滤膜 ( 约 2-50 纳米 ) 即能隔走悬浮粒子、 细菌以及病毒以达到中水回用 要求， 更具体地， 现阶段的膜分离工艺可分为微滤膜 ( 约 50-5000 纳米 )、 超滤膜 ( 约 2-50 纳米 )、 纳米滤膜 ( 小于 2 纳米 ) 及逆渗透滤膜， 各滤膜能阻隔的污染物及所要求的压力并 不相同， 例如微滤膜能隔走细菌和悬浮物质， 但不能隔走病毒， 而超滤膜不仅能隔走细菌和 悬浮物质， 还能隔走病毒， 纳米滤膜和逆渗透滤膜则除能分离以上所有污染物外， 还可各自 分离出多价离子和单价离子。 一般情况下， 从各种虑膜所需压力和成本来比较， 微滤膜和超 滤膜的实施成本较低， 且其回收的水量也较多， 表一对采用不同滤膜进行膜分离时的需用 压力、 能源损耗以及成本做了比较。
滤膜 微滤膜 / 超滤膜 纳米滤膜 逆渗透滤膜
压力 (bar) 0.5-2 5-10 10-20 耗电量 (W/m3) 0.1-0.2 0.3-0.5 0.5-1.0 成本 (Yuan/m3) 0.5-0.9 1.4-2.3 2.3-4.7此外， 现在的楼房普遍没有对降落到楼房的雨水进行回收， 而通常是对其加以引导并排往公共污水渠 7， 鉴于未经处理的雨水水质很多时候都能达到日常条件下的用水要 求， 如果能对这些雨水进行有效地回收利用， 也可以适当地增加水源。 发明内容
本发明的目的， 就是克服现有技术的不足， 提供一种高层建筑中水势能回收与水 体回用集成系统， 该系统可以有效地对高层建筑的中水势能进行回收， 并同时实现中水回 用。
为了达到上述目的， 采用如下技术方案 ：
一种高层建筑中水势能回收与水体回用集成系统， 包括控制单元、 第一储水模块 和位于第一储水模块下游的第二储水模块， 所述第一储水模块的上游并联设置有雨水收集 装置和第一污水源， 所述第一储水模块和第二储水模块之间串联设置有涡轮发电机和第一 开关阀， 所述第二储水模块的下游串联设置有中水处理模块和第二开关阀， 所述第一储水 模块和第二储水模块分别设置有水位传感器， 水位传感器和开关阀均与控制单元相连， 其 中：
第一储水模块用于收集和存储来自雨水收集装置的雨水和第一污水源的中水 ；
第二储水模块用于收集和存储来自涡轮发电机的中水和介于第一储水模块和第 二污水源的中水。
涡轮发电机用于将第一储水模块所排放中水的动能转化为电能 ；
中水处理模块用于对来自第二储水模块的中水进行膜分离处理 ；
第一开关阀用于管理第一储水模块的排放过程 ；
第二开关阀用于管理第二储水模块的排放过程。
进一步地， 与所述中水处理模块相连设置有中水供给模块。
再进一步地， 所述中水供给模块包括储水箱， 与所述储水箱相连设置有水泵， 所述 水泵通过管道与中水利用终端相连。
更进一步地， 污水源的中水至少包括浴室排水、 盥洗间排水、 洗衣机排水、 厨房排 水和卫生间排水中的一种或几种。
还进一步地， 所述第一污水源的位置高于第一储水模块， 所述第二污水源的位置 介于第一储水模块和第二储水模块之间。
作为一种具体实施例， 所述第二储水模块设置有用于对第二储水模块内的水进行 絮凝及过滤的中水预处理装置。
进一步地， 所述第一储水模块进口端设置有用于阻隔固体垃圾及污水中悬浮物的 滤网。
再进一步地， 所述第二储水模块与中水处理模块的高度差按下式计算 ：
D ＝ 10*P ；
其中 ： D 为第二储水模块与中水处理模块的高度差 ； P 为中水处理模块实施膜分离 工序所需的压力差
与现有技术相比， 本发明的有益效果在于 ：
在高层建筑中部位置设置第一储水模块， 实现了对中水的收集和储存， 使污水在 管道内的流动为满流状态， 降低了污水少量放泄时污水势能的摩擦损失， 在主排水管下方设置涡轮发电机， 实现了对高层建筑的中水势能的回收 ； 在中水处理模块的上方设置第二 储水模块， 在对高层建筑的中水位能进行有效利用的同时节约了传统方式进行膜分离时压 缩机所消耗的电能 ； 在储水设置上有与储水模块连通的雨水收集装置， 实现了对雨水的回 收利用， 一定程度上缓解了水资源匮乏的压力 ； 同时， 中水处理模块采用膜分离工艺对中水 进行处理， 实现了对建筑物中水的回收利用， 使采用该系统的建筑物达到绿色建筑的三级 标准。 附图说明 图 1 是现有技术中污水依附在管道壁上向下流动的管道截面示意图。
图 2 为本发明所述述高层建筑中水势能回收与水体回用集成系统中污水呈满流 状态向下流动的管道截面示意图。
图 3 是本发明所述高层建筑中水势能回收与水体回用集成系统的结构示意图。
图中 ： 1- 雨 水 收 集 装 置 ； 21- 第 一 污 水 源 ； 22- 第 二 污 水 源 ； 31- 第 一 开 关 阀 ； 32- 第二开关阀 ； 4- 涡轮发电机 ； 5- 中水预处理装置 ； 61- 第一储水模块 ； 62- 第二储水模 块； 7- 公共污水渠 ； 8- 中水处理模块 ； 9- 中水供给模块 ； 91- 储水箱 ； 92- 水泵 ； 10- 管道 ； 20- 污水 ； 30- 空气 ；
具体实施方式 下面结合附图和具体实施例， 对本发明做出进一步说明 ：
一种高层建筑中水势能回收与水体回用集成系统， 包括控制单元、 第一储水模块 61 和位于第一储水模块 61 下游的第二储水模块 62， 所述第一储水模块 61 的上游设置有相 互并联的雨水收集装置 1 和第一污水源 21， 所述第一储水模块 61 和第二储水模块 62 之间 串联设置有涡轮发电机 4 和第一开关阀 31， 所述第二储水模块 62 的下游设置有相互串联的 中水处理模块 8 和第二开关阀 32， 所述第一储水模块 61 和第二储水模块 62 中分别设置有 水位传感器， 水位传感器和开关阀均与控制单元相连， 其中 ：
第一储水模块 61 用于收集和存储来自雨水收集装置 1 的雨水和第一污水源 21 的 中水， 在实际中， 因雨量会随四季发生变化， 建设针对雨水的处理设施难以预算处理容积， 而且单纯的降雨亦不足以满足家居对非饮用水的需求， 所以专门为雨水建设处理设施实际 并不划算， 作为折中方案， 本发明将雨水收集装置 1 设置于建筑物屋顶， 该装置收集下雨时 落在屋顶的雨水后通过管道运送到位于建筑物中层的储水模块 7 与家居中水混合 ( 该混合 后的水可以称为混合中水 )， 经膜分离技术处理过后， 实现对雨水进行有效利用。
第二储水模块 62 用于收集和存储来自涡轮发电机 4 和介于第一储水模块 61 和第 二污水源 62 的中水。
涡轮发电机 4 用于将第一储水模块 61 所排放中水的动能转化为电能， 涡轮发电机 4 置于高层建筑第二储水模块 62 上游的主管道内， 当混合中水从第一储水模块 61 向下流动 时， 当中的势能便会转换成水的动能进而推动涡轮， 该涡轮连接发电机， 所发电力将会并入 大厦的输电网， 亦可储存于可充电电池加以利用。
中水处理模块 8 用于对来自第二储水模块 62 的中水进行膜分离处理 ；
第一开关阀 31 用于管理第一储水模块 61 的排放过程 ；
第二开关阀 32 用于管理第二储水模块 62 的排放过程。
与上述中水处理模块 8 相连还设置有中水供给模块 9， 该中水供给模块 9 包括储水 箱 91， 与储水箱 91 相连设置有水泵 92， 水泵 92 通过管道与中水利用终端相连。
上述污水源的中水至少包括浴室排水、 盥洗间排水、 洗衣机排水、 厨房排水和卫生 间排水中的一种或几种， 且第一污水源 21 的位置高于第一储水模块 61， 第二污水源 22 的位 置介于第一储水模块 61 和第二储水模块 62 之间。
第二储水模块 62 设置有用于对第二储水模块内 62 的水进行絮凝及过滤的中水预 处理装置 5， 所述中水预处理装置 3 主要用于去除中水中的大体积垃圾及固体尘埃， 使混合 中水能够达到膜分离的要求， 让来自储水模块 7 的主管道可以直接接驳到超滤膜， 不用压 缩机即能提供高压环境以完成膜分离工序， 处理后的水再经过消毒处理后， 便可加以使用。
第一储水模块 61 进口端还设置有用于阻隔固体垃圾及污水中悬浮物的滤网。
本发明利用中水自身的重力来代替压缩机的压力， 具体地说， 因为第二储水模块 62 和中水处理模块 8 之间通过管道连通， 位于中水处理模块 8 中的水承受来自上层中水的 压力， 该水压正比于水深 ( 每 10 米增加 1bar 水压 )， 第二储水模块 62 所在楼层将根据膜分 离工序所要求的压力来设置， 如位置过高， 则减少了可利用中水的水量， 如位置过低， 则不 能满足膜处理工艺所要求的压力。在本专利中， 第二储水模块 62 与中水处理模块 8 的高度 差按下式计算 ： D ＝ 10*P ； (6)
其中 ：
D 为第二储水模块 62 与中水处理模块 8 的高度差 ；
P 为中水处理模块 8 实施膜分离工序所需的压力差。
上述有关第一储水模块 61 所在的高度及楼层， 需要经对水量和其可回收的势能 进行优化计算后求得， 如位置过高， 则减少了可利用中水的水量， 如位置过低， 则不能满足 整合系统所要求的压力， 计算过程中可以储水模块所在高度作为变量并从中计算所能回收 势能以及所产生的电能 ：
设第一储水模块 61 所在高度为 z， 则根据高层建筑及城市住区委员会 (CTBUH) 所 建议的公式， 楼层与高度的关系可大致表示为 ：
其中 s 为楼层， H 住宅为 s 楼层住宅的高度。
而高层建筑的污水流量
Q ＝ [(H-z-7.151)/3.152]×n×c×p ； (8)
其中 H 为楼层总高度， z 为储水模块所在楼层的高度， n 为每一楼层住户数目， c为 每户平均人数， p 为每人平均每日水使用量。
涡轮发电机的平均输出功率
P ＝ ηρgzQ ； (9)
其中 η 为转换效率 ( 以 80％计 ) ； ρ 为水的密度， g 为重力加速度， z 为高度， Q 为流量。
联立 (8)、 (9) 式 ：
P ＝ 3.6x10-5ηncp(D(7.151-H)+(H-7.151+D)z-z2) ； (10)
以上公式中 P 的单位为瓦， 对公式 (10) 进行微分， 将得到平均输出功率最大的第 一储水模块 61 所需楼层高度， 基于该高度即可计算出平均输出功率 ：
考虑到 (12) 的二阶导数是负值， 表示该图的转折点为局部最大值， 可通过令一阶 导数为零求得， 得到的平均输出功率为最大值的第一储水模块 61 的高度可以用以下方程 序求得 ：
H-7.151-2z ＝ 0， (13)
经变换得到储水模块的最优化高度
z ＝ (H-7.151)/2 ； (14)
此时涡轮发电机的平均输出功率
P ＝ 3.6×10-5ηncp(D(7.151-H)+(H-7.151+D)2/2-((H-7.151+D)/2)2)，
即 P ＝ 9×10-6ηncp(H2+D2-2DH+14.302D-7.151H+43.986) ； (15)
当然以上公式仅为估算实例， 现实中每座大厦结构各异， 上述公式必须根据实际 情况加以修正。
基于上述功能模块及其设置， 本发明的工作原理如下 ：
高层建筑内的住户排放污水时， 其中位于第一储水模块 61 以上的家居污水由管 道排放至储水模块 61， 雨水收集模块 1 收集到的雨水也流至第一储水模块 61， 当该储水模 块内的水位达到某一设定值时， 其中的水位传感器将信号反馈至控制单元， 控制单元则指 令第一开关阀 31 开启， 第一储水模块 61 内的水流沿主管道放泄， 由于涡轮发电机 4 设置于 第一储水模块 61 的下游， 当污水向下流动时， 其重力势能便会转换成水的动能， 流下的污 水因运动而推动涡轮从而带动涡轮发电机 8 发电， 参见图 2， 在上述过程中， 因为第一储水 模块 61 对污水 20 的暂存作用， 每次第一储水模块 61 在放水时期污水 20 在管道 10 内的放 泄均能达到满流状态， 即污水在流动时占满整条管道 10， 该过程中虽然管道 10 内壁会对污 大大能降低了摩擦损失 水 20 施加阻力， 但管道 10 中央的污水 20 却只受到极少阻力影响， 对污水势能回收过程的影响， 大大提高了涡轮发电机的发电效率， 以上过程即完成了对中 水势能的回收。
流经涡轮发电机 4 的混合中水继续向下并进入第二储水模块 62， 同时进入该储水 模块的还有来自于第一储水模块 61 和第二储水模块 62 之间的第二污水源 31 处的生活污 水， 与第一储水模块 61 的工作原理类似， 在中水收集过程中， 第二开关阀 32 处于关闭状态， 但当第二储水模块 62 内的水位达到某个设定值时， 计算单元根据水位传感器的反馈信号 指令第二开关阀 32 打开， 则第二储水模块 62 内的混合中水开始放泄， 在排放过程中， 因混 合中水自身重量所施加的压力造成中水处理模块 8 中超滤膜两侧的压力差， 超滤膜即自动 对混合中水进行过滤， 其中净化后的剩余物将会排放到公共污水渠 7， 而经过滤后的混合中 水则会传送到中水供给模块 9， 并由设置于中水供给模块 9 内的水泵 92 输送至使用终端， 如
用于冲厕、 清洗街道、 灌溉、 清洗汽车、 冷冻塔、 防火装置， 以及自然景观等， 由于上述应用目 前普遍使用饮用水， 故广泛使用中水可大大节约了饮用水的供应， 从而节省了水资源， 当第 二储水模块 62 中的水位下降到某一水位时， 控制单元指令第二开关阀 32 关闭以便再次达 到足够的水量， 以上过程重复循环， 从而实现了对混合中水的回收利用。 上述经过处理的中 水使用终端， 可以为本身位于该大厦内的设备， 也可以是大厦外的中水使用设备。
为了进一步提高势能回收和中水回用的效率和安全性， 上述与储水模块相连用于 污水放泄的管道的选材和制作均需要充分考虑到污水的巨大压强及污水流动时的冲击力， 同时还要防止水管生锈、 渗漏， 例如选择硬度较高的塑料材料。同时， 管道内壁应当尽量光 滑， 以减少摩擦损耗和紊流发生的机会。
下面从另一个角度来说明本发明在实用性， 就中水回用而言， 一般超滤膜过滤过 程的能耗约为每立方米 0.2 千瓦时， 考虑一座 70 层和一座 30 层的住宅大厦， 若储水模块 7 安装于 25 米 ( 相当于 7 层的高度 )， 那么其底部的净压力便能达到 2.5bar， 还是以前述的 两栋 70 层和 30 层的大厦为例， 两栋住宅大厦 ( 以 7 层及以上楼层计 ) 每日的中水总处理 量分别为 1075200 升和 29200 升， 约 1075 立方米和 403 立方米， 结合前述超滤膜过滤的能 耗， 即两栋大厦每天所节约能耗为 215 千瓦时和 80 千瓦时， 每年所能节约能耗为 78500 千 瓦时和 29200 千瓦时。
还是以上述两栋大厦为例， 就对污水势能回收所产生效果而言， 根据式 (10)， 如转 换效率以 80％计算， 则两栋住宅大厦中第一储水模块 61 的最优化高度分别为 144 米和 59 米， 对应地， 其平均输出功率分别是 7 千瓦和 0.6 千瓦， 也就是说， 采用污水势能回收每年分 别能回收能量分别为 61320 千瓦时和 5256 千瓦时。
当然， 应该理解， 本发明所保护范围并不限于以上具体实施例， 凡属于本领域技术 人员无需创造性劳动即可实施的基于本发明的技术方案和技术手段的修改均应落入本发 明的保护范围之内。