一种高层建筑污水势能回收系统技术领域
本发明属于绿色建筑节能技术领域，更具体地，涉及一种高层建筑污水势能回收系统。
背景技术
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
接排放到公共污水下水道，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为水头高度(m)，g为重力系数(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＝27.8r5/3d8/3；(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，通常介乎于1/4～1/3；
d为管道直径(inch)。
以一座70层高的大厦为例，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壁上向下流动的流动状态示意图，其中污水占管
道面积最大值为1/4至1/3，管道的中心位置为空气，当水管流入管道后，水会因重力向下
加速，不过水流速度越快，管壁对水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)，而水
流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：
V
T
=
3.9
(
q
d
)
2
/
5
;
-
-
-
(
3
)
]]>
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.
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。
其中：ρ为水的密度，g为重力加速度，h约为建筑物的一半高度，Q为流量。
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，是以所能获得的能量约为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，回收的能量与投资相比，很不划算。
发明内容
本发明的目的，就是克服现有技术的不足，提供一种高层建筑污水势能回收系统，采用
该系统的高层建筑可以有效地对其所产生污水的势能进行回收，从而达到建筑节能环保的要
求。
为了达到上述目的，采用如下技术手段：
一种高层建筑污水势能回收系统，包括控制单元、储水设备和通过管道与储水设备连接
的污水源及涡轮发电机，所述储水设备内设置有水位传感器，储水设备的排水管道上设置有
开关阀，所述水位传感器和开关阀与控制单元相连，所述涡轮发电机位于高层建筑的底层，
与所述涡轮发电机相连设置有可充电电池，其中：
储水设备用于收集并存储污水；
涡轮发电机用于将储水设备所排放污水的动能转化为电能；
可充电电池用于存储来自涡轮发电机的电能；
开关阀用于管理储水设备的污水排放过程；
控制单元用于接收所述水位传感器的信号并控制开关阀的通断。
进一步地，所述污水源至少包括浴室排水、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。
再进一步地，所述控制单元控制开关阀的开闭的参考值是储水箱内水位传感器的反馈信
息。
作为一种具体实施例，所述开关阀设置于储水设备的底部位置。
作为另一种具体实施例，所述开关阀设置于高层建筑的底部位置。
进一步地，所述储水设备进口端设置有用于阻隔固体垃圾及污水中悬浮物的滤网。
更进一步地，所述滤网所在位置设置有用于排放固体垃圾及污水中悬浮物至公共污水渠
的排污管道。
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储水设备，实现了对污水的收集和储存，配合开关阀对污水的
统一释放，增大了污水放泄时污水横截面积占管道横截面积的百分比，使污水在管道内的流
动为满流状态，大大降低了污水少量放泄时污水势能的摩擦损失，让污水势能转化为电能的
效率大大提高；在储水设备中设置与控制单元相连的水位传感器，实现了对储水状态的监测，
可以有效地对开关阀的开闭进行控制，可以及时有效地将污水的势能转化为电能。
附图说明
图1为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为本发明所述高层建筑污水势能回收系统中污水呈满流状态向下流动的管道截面示
意图。
图3为本发明所述高层建筑污水势能回收系统的结构示意图。
图中：1-管道；2-污水；3-空气；4-污水源；5-储水设备；6-滤网；7-涡轮发电机；8-开关
阀；9-公共污水渠。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施例，对本发明做出进一步说明：
参见图2和图3，本发明所述的高层建筑污水势能回收系统，包括控制单元、储水设备5
和通过管道1与储水设备5连接的污水源4及涡轮发电机7，其中储水设备5内设置有水位
传感器，储水设备5的排水管道上设置有开关阀8，上述水位传感器和开关阀8与控制单元
10相连，涡轮发电机7位于高层建筑的底层，与所述涡轮发电机7相连设置有可充电电池，
其中：
储水设备5用于收集并存储污水；
涡轮发电机7用于将储水设备5所排放污水的动能转化为电能；
可充电电池用于存储来自涡轮发电机7的电能；
开关阀8用于管理储水设备5的污水排放过程；
控制单元10用于接收所述水位传感器的信号并控制开关阀8的通断。
上述功能模组中，污水源4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，其中为了避免污水内的固体物质损坏涡轮发电机的叶片，如厕
所排水等较脏的污水需先经过滤等处理以去除水中的污物；由储水设备5到高层建筑底层的
管道，其选材和制作均需加以注意，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。此外，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。为了及时有效地对储水箱内的污水排放过程进行控
制，所述控制单元基于储水箱内水位传感器的反馈信息指令开关阀开闭，作为一种具体实施
例，上述开关阀可以设置于储水设备的底部出水口位置，也可以设置于高层建筑的底部位置，
为了保证污水内的悬浮物不会影响涡轮发电机的运转，所述储水设备进口端设置有用于阻隔
固体垃圾及污水中悬浮物的滤网，与之相应地，滤网所在位置设置有用于排放固体垃圾及污
水中悬浮物至公共污水渠9的排污管道，上述涡轮发电机产生的电能可直接并入大厦电网进
行供电，也可以为可充电电池充电后使用可充电电池。
上述有关储水设备所在的高度及楼层，需要经对水量和其可回收的势能进行优化计算后
求得，计算过程中可以储水设备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：
设储水设备所在高度为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；(6)
其中H为楼层总高度，z为储水设施所在楼层的高度，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；(7)
其中η为转换效率(以80％计)；ρ为水的密度，g为重力系数，z为高度，Q为流量。
联立(6)、(7)式可得：
P＝10-5((H-7.151)z-z2)ηncp；(8)
对公式(8)进行微分，将得到平均输出功率最大的储水设备所需楼层高度，基于该高度即
可计算出平均输出功率：
dP
dz
=
3.6
x
10
-
5
η
(
(
H
-
7.151
)
-
2
z
)
ncp
;
-
-
-
(
9
)
]]>
d
2
P
dz
2
=
-
7.2
x
10
-
5
ηncp
;
-
-
-
(
10
)
]]>
由于二阶导数是负值，证明该函数(8)具有最大值，可通过令一阶导数为零求得。得到
的平均输出功率最大值的储水设施高度可以用以下方程序求得：
H-7.151-2z＝0，(11)
经变换得到储水设备的最优化高度
z＝(H-7.151)/2；(12)
此时涡轮发电机的平均输出功率
P＝9×10-6(H-7.151)2ηncp；(13)
当然，以上公式只为估算用途，现实中每座大厦结构各异，当中的公式必须加以改良。
基于上述模组及其相互连接关系，本发明所述的高层建筑污水势能回收系统，其工作原
理如下：
当高层建筑内的污水源排放生活污水时，其污水经由管道流入储水设备5中，其中浴室
排水、盥洗间排水、洗衣机排水、厨房排水可直接排放至储水设备5中，洗手间排水因为需
要预处理，所以经由另一条独立管道送往储水设备5，此时开关阀8处于封闭状态，储水设
备5内的水位传感器持续将水位信息反馈至控制单元，而当储水设备5内水量逐渐增加并达
到某个设定值时，控制单元指令开关阀8打开，则污水开始放泄，由于涡轮发电机7设置于
高层建筑底层位置，当污水从储水设备5中向下流动时，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7发电，涡轮发电机7所发的电可储存于
可充电电池，亦可并入大厦的输电网进行利用，当储水设备5内的水量低于另一个设定值时，
控制单元又会指令开关阀8关闭，则此后来自污水源4的污水继续在储水设备5内再度累积
直到水位再次达到放泄值，如此循环，从而实现了对污水势能的回收。
在以上过程中，因为储水设备对污水的收集及暂存作用，每次储水设备在放水时期污水
在管道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，该过程中虽然管道内壁
会对污水施加阻力，但管道中央的污水却只受到极少阻力影响，大大能降低了摩擦损失对污
水势能回收过程所施加的限制。
仍然以前述70层高和30层高的两栋大厦为例，根据上述公式(1)和公式(5)的进行计算，
采用本系统的两栋大楼，其污水的最优化高度分别为131米和46米，其平均输出功率分别是
8KW和1KW。以该功率计，两栋大楼在24小时内可回收的电能分别为192度和24度，每
年可回收70080度电和8760度电，显然，本发明所述的高层建筑污水势能回收系统，其产生
的电能将是未采用本系统的建筑其涡轮发电机功率的30～50倍，大大提高了建筑物节能的效
率。
应当明白，以上具体实施例所公布的内容仅为本发明的部分优选方案，凡是基于本发明
的技术方案、符合本发明的技术精神，属于本领域技术人员无需进行创造性劳动即可得到的
实施都应属于本发明的保护范围。