排水立管發(fā)電新技術(shù)研究

李 帥 劉利利

（重慶三峽學(xué)院，重慶 404000）

1 引言

隨著城市空間利用率的不斷提高，高層建筑和超高層建筑不斷出現(xiàn)，因此雙立管排水系統(tǒng)在建筑排水系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越普遍[1]。但雙立管排水系統(tǒng)仍存在各種各樣的問題，因此為了克服現(xiàn)有排水系統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的缺點，能夠利用排水系統(tǒng)水力工況變化中的氣流動能，且不引起排水系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)的改變，本文基于雙立管排水系統(tǒng)重新設(shè)計一種排水系統(tǒng)發(fā)電裝置。利用此裝置對排水系統(tǒng)中的氣流動能進行收集利用，充分、高效的利用排水系統(tǒng)的能量，而且也不引起現(xiàn)有排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的改變。最終實現(xiàn)建筑能耗的降低，節(jié)約能源。

圖1 發(fā)電裝置原理圖

2 傳統(tǒng)排水系統(tǒng)分析

目前建筑排水系統(tǒng)能量回收技術(shù)各式各樣，但是基本理念是利用排水管內(nèi)的水流勢能，即在排水管道中設(shè)置水輪機，再利用水輪機驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電裝置原理如圖1所示[2]。此裝置工作包括蓄能、發(fā)電和儲能三個階段。

雖然此類發(fā)電裝置利用非常普遍，但是卻有著以下不足：

1）裝置復(fù)雜，承受壓力大。由于排水管道內(nèi)多屬于非滿管流，水輪機不能被有效驅(qū)動，需設(shè)置儲水裝置，對具有勢能的管內(nèi)排水進行收集，將非滿管流轉(zhuǎn)化成滿管流，此過程需控制水位定時放水發(fā)電。

2）能源利用率低。由于非滿管流轉(zhuǎn)化為滿管流的過程，會引起系統(tǒng)內(nèi)的水力工況破壞。為了防止此種情況發(fā)生，發(fā)電裝置布置在管道底部，即先對水進行截流然后再發(fā)電。此過程消減了水的重力勢能，從而降低了能量的利用效率。

3）耐久時間短。采用水輪機發(fā)電，水輪機與排水和空氣交替接觸。排水中含有大量的有害物質(zhì)，腐蝕水輪機。同時水輪機與水和空氣交替接觸加強了水輪機的腐蝕，兩者的持續(xù)作用降低了水輪機的使用年限。

對于現(xiàn)有排水系統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的缺點，本文基于雙立管排水系統(tǒng)重新設(shè)計一種排水系統(tǒng)發(fā)電裝置，實現(xiàn)建筑能耗的降低，節(jié)約能源。

3 排水立管發(fā)電新技術(shù)研究基礎(chǔ)

已有的研究表明：在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，葉輪轉(zhuǎn)速、與發(fā)電機的電壓、電流、發(fā)電功率有直接聯(lián)系。經(jīng)過反復(fù)論證，最終確定雙立管系統(tǒng)連通管的形式以及連通管與發(fā)電裝置之間的安裝位置關(guān)系。圖2為研究方案持續(xù)改進流程圖，從圖中可以看出雙立管系統(tǒng)連通管與發(fā)電裝置之間的安裝位置關(guān)系。

圖2 研究方案持續(xù)改進流程圖

4 排水立管發(fā)電新技術(shù)研究方案

本文中雙立管排水管與通氣管的連接形式采用“階梯型”連通管，在連通管的“平臺”處設(shè)置發(fā)電機組，雙立管排水系統(tǒng)發(fā)電裝置安裝系統(tǒng)圖如圖3所示，發(fā)電裝置包括發(fā)電機、連接軸、葉輪、軸承、電流輸出端。

圖3 發(fā)電裝置安裝系統(tǒng)圖

電裝置工作原理如圖4所示。選取雙立管排水系統(tǒng)中的某一段進行研究，通過軸流風(fēng)機增壓，利用手動風(fēng)閥來調(diào)節(jié)連通管兩端的壓差，模擬實際建筑排水過程中雙立管系統(tǒng)內(nèi)部壓力的變化。由于壓差作用推動氣流運動，氣流驅(qū)動葉輪轉(zhuǎn)動，葉輪帶動軸驅(qū)動發(fā)電機 發(fā)電。

圖4 發(fā)電裝置工作原理圖

5 結(jié)語

本文對排水立管發(fā)電新技術(shù)進行了初步的研究，相對于傳統(tǒng)的雙立管排水系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢，但仍存在一些不足之處，如聯(lián)通管和排水管與通氣管之間的連接形式對建筑空間的影響及葉輪能夠帶動發(fā)電機發(fā)電所需要的最小壓強等仍存在一定的問題，故排水立管發(fā)電新技術(shù)仍然存在許多研究進步空間。