利用雨水勢能的高樓輔助供水系統(tǒng)

王婭 高揚(yáng) 彭玲艷 陳洪浩 殷艷嬌

摘 要：社會發(fā)展迅速，樓層增高。高樓供水多采用二次供水模式，目前，高樓利用雨水勢能的方式主要是讓雨水帶動水輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。為了減少二次供水的耗電量，緩解供水能耗大的現(xiàn)狀需設(shè)計一種與現(xiàn)有供水系統(tǒng)相結(jié)合的只利用雨水勢能的純管路輔助供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)在樓層頂部收集雨水（在標(biāo)準(zhǔn)限重之內(nèi)），利用雨水的勢能作為原動力進(jìn)行供水。有效地降低了耗電量，緩解供水能耗大的問題。我國南方一年四季降雨量大，該套系統(tǒng)用于高樓供水，起到了無能耗、零污染的節(jié)能和減排的效果，能對雨水水利能進(jìn)行開發(fā)利用，是傳統(tǒng)水利能開發(fā)利用的有效補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞：高樓供水；雨水勢能；節(jié)能減排；高樓輔助供水

1 高樓輔助供水系統(tǒng)基本介紹

1.1 供水系統(tǒng)介紹

一級供水系統(tǒng)主要由下行管、氣液分離裝置、輸氣管、壓水管、安全閥、壓水細(xì)管、凈水箱等組成。12根壓水細(xì)管置于壓水管粗管管道內(nèi)部，凈水箱是傳統(tǒng)供水系統(tǒng)中就設(shè)有的。

整個供水過程分為兩個步驟：

①在樓層頂部收集一定量的雨水，打開閥門，雨水順下行管流動，當(dāng)?shù)竭_(dá)進(jìn)氣口的位置時卷吸進(jìn)大量氣體。氣體隨水流流動過程中被分解成大量的小氣泡。氣泡隨水流下行，到達(dá)管道底部，由于管道轉(zhuǎn)折，管徑突增，水流流速減緩，大量小氣泡匯合成大氣泡，上浮形成高壓氣體。在整個過程中，水流的動能轉(zhuǎn)化成氣體的壓能。

②形成的高壓氣體經(jīng)輸氣管、壓水管粗管道進(jìn)入凈水箱，在壓水管細(xì)管道中形成段塞流，將凈水壓入更高一級的水箱之中。

注：雨水只是用來獲得高壓氣體的媒介，且由于是分級設(shè)計，雨水將會被反復(fù)利用，多次裹挾氣體，然后利用高壓氣體進(jìn)行供水。

1.2 與傳統(tǒng)供水系統(tǒng)結(jié)合

目前高層建筑二次給水模式中各分區(qū)均設(shè)有水泵和水箱，上區(qū)的水泵從下區(qū)的水箱中抽水。居民樓低層用戶（一般為5-6層）供水可以直接靠管網(wǎng)的壓力，但高層需設(shè)二次供水水箱，二次供水模式為：利用水泵將高位水池中的水壓入更高一級的高位水池。當(dāng)水池蓄水達(dá)到一定量以后，向兩水池之間的樓層用戶供水。通常，每10層左右就會設(shè)一個高位水池。

筆者將高層居民樓每10層劃分為一級，通過高位水池將該輔助供水系統(tǒng)與傳統(tǒng)供水系統(tǒng)相結(jié)合，多級模式可以對雨水進(jìn)行反復(fù)利用，多次裹挾氣體，產(chǎn)生足夠多的高壓氣體進(jìn)行供水，可以充分利用雨水勢能，減少高樓供水能耗，緩解供水壓力。

2 高樓輔助供水系統(tǒng)工作原理

2.1 下行管工作原理

雨水順下行管流出，在進(jìn)氣口處，雨水會卷吸進(jìn)大量的氣體，氣體順管道流動的過程中被分解為大量的小氣泡，在這個過程中，水流把動能傳遞給了氣體，變成了壓能。

水中氣泡的運(yùn)動方式及獲能情況取決于自身受力，下面從微觀上對單個氣泡的受力情況進(jìn)行說明：

設(shè)氣泡半徑為rb，氣泡相對于水的浮升速度為V，下行管中水下降速度為u，水的密度為ρw，動力粘度為μw，空氣的密度為ρa(bǔ)，g為重力加速度。則氣泡受到三個力的作用，即向上的浮力、向下的重力及粘性阻力。假定氣泡為球形，則氣泡所受浮力為：

F浮=πrb3ρwg （1）

重力為：F重=πrb3ρa(bǔ)g （2）

關(guān)于氣泡受到的粘性阻力，假設(shè)氣泡在水中上升（或氣泡靜止，水以速度V向下運(yùn)動）時，忽略該氣泡在氣泡群中會受到靠近它或遠(yuǎn)離它的氣泡的影響，并設(shè)其運(yùn)動狀況處于滯

區(qū)域，則阻力為

F阻=6πrbμwV （3）

顯然，若氣泡所受浮力大于所受重力與阻力之和，則氣泡向上運(yùn)動與水分離；反之則氣泡隨著水向下運(yùn)動；若等于，此時u=V，氣泡處于極限的分離狀態(tài)，此時氣泡的速度稱為臨界速度，記為ucf。這時有：πrb3ρwg = πrb3ρa(bǔ)g+6πrbμwucf （4）

解得ucf= （5）

式中 νw=

由式（5）可知，下行管中向下流動的水?dāng)y帶的氣泡的大小與水下降速度有關(guān)，水下降速度越大，攜帶的氣泡就越大，氣體的量越多。

2.2 氣液分離裝置工作原理

和空氣兩相流從下行管流出進(jìn)入氣液分離裝置，在氣液分離裝置入口處速度方向發(fā)生90°急劇變化，管徑突增，水流減緩，小氣泡溢出匯合成大氣泡，且入口流道做成漸擴(kuò)形狀，分離后的空氣將動能轉(zhuǎn)化為壓能，速度降低，壓力升高，形成高壓氣體。

2.3 壓水管工作原理

在流動體系中，只存在氣體和液體兩相物質(zhì)的叫氣液兩相流。實(shí)驗(yàn)研究表明，垂直上升管中的氣液兩相流基本流型有五種：泡狀流、段塞流、攪拌流、縷狀環(huán)形流和分散環(huán)形流。

段塞流的特點(diǎn)是：氣液交替流動，充滿整個管道流通面積的液塞被氣團(tuán)分割，形成氣柱——液柱的模式。

在本裝置中它的形成機(jī)理及條件：當(dāng)高壓氣體被導(dǎo)到壓水粗管道中，在壓水粗管道底部處的液體阻礙氣體的流動，氣體被迫進(jìn)入壓水細(xì)管，由于管徑突然變細(xì)，使氣體流速增加，帶液能力增強(qiáng)，氣體含液率迅速大幅增加，在細(xì)管中形成段塞流，由于伯努利效應(yīng)，此時液面處壓力下降，所以氣體能持續(xù)不斷進(jìn)入，形成連續(xù)“壓”水的段塞流。

壓水機(jī)理：段塞流中每一段氣柱相當(dāng)于一個氣體活塞，氣柱內(nèi)部的壓力大于與他緊鄰的一小段微元液柱的重力和向下的摩擦力之和，則液柱所受的合力向上，產(chǎn)生向上的加速度，使凈水箱中的水不斷被氣柱活塞壓到高處，當(dāng)管道壓力足以舉升細(xì)管內(nèi)的液柱時，液體開始由細(xì)管頂部排出。起初排液速度較低，當(dāng)氣體串入細(xì)管后液體加速，在很短時間內(nèi)液體流最達(dá)到峰值流盆（常為平均流量的幾倍）。即使氣壓不大，所能壓上的凈水流量也是平均流量的數(shù)倍。最后，液塞上游積聚的氣體極快排出壓水細(xì)管，細(xì)管內(nèi)氣體流速減小，管道壓力下降，又開始新一輪循環(huán)，進(jìn)行持續(xù)供水。

基金項目：

本論文受大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助。