徐东伟宁厚飞张永斌
武汉科技大学湖北武汉430000
摘要：近年来我国极端天气现象严重,不是旱灾便是水涝,而,其中解决这类问题关键部分便是对雨水的回收利用与处理,这也是近年来的一个研究热点。在城市高楼雨水在可回收利用水中占较大的比重，若能实现高楼雨水的回收利用并推广将对雨水的回收利用产生一个大跨越，本文通过模型设计及理论计算分析，建立一套完整的高楼雨水发电及回收利用的综合利用一体化系统工艺体系。
关键词：高楼雨水、综合利用、一体化系统
世界水资源紧缺，中国的水资源也非常匮乏，高楼雨水本身有大面积屋顶作为天然收集平台；蕴藏着丰富的势能；相对于其它可回收利用水资源成分简单，便于净化后二次利用。建立高楼雨水发电及回收利用一体化系统对缓解大城市供水供电不足的压力，减少环境污染，并在一定程度上能够应对极端天气，如近几年来全国部分城市出现全城看海的现象。近年来很多的高楼雨水发电及回收利用方案没有实现一体化，有的注重于发电，有的注重于雨水回收利用，很少有将两者紧密结合的方案。而且大多数发电方案是建立在将雨水在地面收集后发电，并不利于发电的效率。本文将介绍一种雨水发电雨回收利用相结合的方案来探索雨水的处理方法.
一、工作原理及流程
楼面雨水经过汇流后经雨水斗粗过滤，在雨水管接口处设计一个小型蓄水池，并在出水口处设有一个浮球阀，当蓄水池内的水位达到一定值时，阀门自动打开，发电机安装在排水管内，雨水流下管道的过程时带动发电机发电。通过逆变电路和整流滤波电路将电流转换为稳定的直流电，用蓄电池将零散的电能收集起来以用于路灯等公共基础设施和后期的雨水二次利用。同时将雨水管连通地底下的大型蓄水池，雨水被收集在蓄水池内。通过一定的雨水净化处理措施，使雨水达到可二次利用的标准。连接相应的设备，将处理后的雨水用于小区的绿化、洗车、做喷泉景观等。
本系统包含四个子系统：雨水收集系统，贯流式发电系统，储电和智能控制供电系统以及雨水回收二次利用系统。
1、雨水收集系统
在屋面的四角设计四个小型水箱，雨水沿一定坡度的屋面经水箱侧面的滤网截留较大的一些悬浮杂质后汇入水箱，并用一个浮球阀控制蓄水量，只有当水箱的水位达到一定值后，浮球阀门才会打开，雨水才会下流，此时掺气量较少并且具有水压，因此可以保证水塞流状态下水流的顺畅，而水塞流对发电机的使用寿命和保证发电效率有利。
2、贯流式发电系统
本系统采用灯泡贯流式发电机组，发电机装置直径与排水管直径相当。设计发电机对应流量范围为0.021-0.127。下面以武汉地区小区住宅为例进行理论计算与分析：
3、储电和智能控制供电系统
雨水发电产生的电流和电压不稳定，需要整流滤波电路将电流转换为稳定的直流电，采用蓄电池将零散的电能储存起来。选择固定型阀控密封式铅酸蓄电池，所需维护工作量极小，便于安装，使用寿命5-8年。通过一个逆变电路将其转换为220V交流电供给用电器正常使用。
4、雨水回收二次利用系统
雨水的成分相对简单，发电后可以将雨水收集起来，用来浇灌小区绿化区,洗车,清洗路面，做喷泉景观等，从而使水最大化地得到利用。为防止暴雨期间，排水不畅现象出现，在连接处设有溢水管连接市政排水道。关于雨水地下收集与净化处理工艺在国内外已经开始推行，并有不少创造巨大经济效益的工程实例，如2010年评选的武汉十大节水型示范小区中的青扬六和小区，采用的雨水处理工艺是：雨水进入沉淀池后，经提升泵提升至过滤罐进行过滤处理，最后进入清水池后再连接各用水设施。该小区雨水净水系统投入使用后，经物业部门反馈的数据显示每年绿化扣除各种运行成本及设备费用后可获取7820元的年收益，而之前每年则需缴纳绿化用水水费13000元，相当于每年可通过雨水回收利用节省20000元。这些工程实例的雨水处理系统经验均可以借鉴使用。
二、可行性分析
1、设计与工程实际紧密结合，可操作性强。本系统的设计遵循了建筑的相关法律法规，并利用了建筑原有的排水管道，与工程实际结合紧密，可操作性强，便于施工建设与实施。可以说本系统的设计是为城市中的高楼量身定做的系统，相对于传统的设计更具有优越性。
2、丰富的降雨量与庞大的高楼群蕴藏着巨大的经济效益，便于项目的实施与推广。据不完全统计，全国有六百多个城市，每个城市的高楼数量众多，而在东部沿海大部分城市及部分中西部城市每年降雨量超过1000毫米的城市有很多，福建、海南等省份降雨量甚至超过2000毫米，所以如其发电量和节约的水资源潜力巨大，创造的经济效前景也非常可观。
3、项目实施后可回收成本为项目可行性奠定了基础。
雨水回收利用能取得的经济效益在很多工程实例上已经得到体现，现不重复。这里对高楼雨水发电部分做一个投资预算每栋楼项目实施成本预算(以20层为标准)
前面已经估算年发电量为1.3万kwh,根据民用交流电单价为1元/kwh，可省电费1..3万元，每年回收雨水节省2万元，考虑投资动态收益率，5年可以收回成本，第六年起开始盈利。从经济可行性角度上来说是可行的。
三、创新点及结论
本系统充分利用高楼雨水本身蕴含巨大势能和成分相对简单两大特点，充分利用自然资源，在节能减排方面应用前景广泛，符合现代绿色建筑的设计理念，与当前建筑发展的趋势相吻合，可实施性强，有以下四大创新点：
1、利用建筑物屋顶的坡度平面及本身所附有的雨水排水管道，使雨水沿管道流下的过程带动发电机发电，积少成多，化零为整。产生的电能将用于高楼的公共设施如楼道应急照明灯、路灯等和雨水二次利用，发电、用电过程均具有创新性。
2、本系统的选用的发电机组依照排水管的布置和规格而定，与建筑物原有排水管道设计比较相吻合，尺寸相当，与工程实际结合紧密，在不改变原有建筑物排水结构上安装，相对于其它高楼雨水发电方式施工简便，投资相对小。
3、雨水经回收处理后用来浇灌小区绿化区,洗车,清洗路面，做喷泉景观等,以节约水资源，回收利用高楼雨水概念新颖，符合当代绿色建筑的发展趋势，响应国家提倡节能减排的号召。
4、本系统利用雨水自身的能量和资源，将雨水发电产生的电能用于后期雨水的二次利用所需的动能，“取之于小区，用之于小区”，系统独立性强，一体化特点鲜明。
高楼雨水发电及回收利用一体化系统在经济上是可行的，具有环保和节能的意义，但是它的实行和推广及优化过程还有耐于各界人士的共同努力，可以从以下几点出发：
1、本系统所采用的贯流式发电机组是按照原有发电机组按相同原理以一定比列所设计的，现行的市场上微型发电机也是按照大型发电机以一定比列制成的，若能设计并制造出针对排水管量身定做能最高效发电的发电机，将能提高雨水发电效率，促进并推广高楼雨水发电的应用。
2、由于高楼雨水发电及回收利用一体化的建立要求甲方在前期投资量增大，尤其是其中雨水回收利用、净化处理部分前期投资大，投资回报率比其它商业投资偏低，而且施工过程麻烦，导致很少有甲方愿意在小区住宅内建立相应的系统。相关政府部门可以出台一系列优惠政策来引导和鼓励甲方建造本系统。
参考文献：城市雨水利用与技术管理车伍李俊奇中国建筑工业出版社
建筑给水排水工程王增长中国建筑工业出版社
中国气象年鉴2011
邵元纯居住小区回收利用系统浅析农村经济与科技2012年第23卷第12期