屋頂降水發(fā)電與電梯節(jié)能利用裝置的可行性研究

丁澤霖，李強(qiáng)，焦曉東，鐵夢雅

華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州　450011

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屋頂降水發(fā)電與電梯節(jié)能利用裝置的可行性研究

丁澤霖，李強(qiáng)，焦曉東，鐵夢雅

華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院，河南 鄭州450011

摘要屋頂降水發(fā)電與電梯供能系統(tǒng)是利用高層建筑物收集儲存降水進(jìn)行發(fā)電供樓宇使用的自然能源回收利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用上蓄水池蓄水提供的勢能發(fā)電，并可利用轎廂下移帶動水泵提水，使下蓄水池儲水抬升至上蓄水池，從而節(jié)省能量的損耗，降低電梯的運(yùn)行費(fèi)用。通過理論分析計(jì)算推導(dǎo)出該系統(tǒng)的通用節(jié)能效率，結(jié)合實(shí)際案例，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能效率，論證了該裝置的可行性，及該裝置的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和生態(tài)效益。

關(guān)鍵詞抽水蓄能；降水收集；降水發(fā)電；電梯節(jié)能

Feasibility Study on Roof Rainfall Power Generation for Elevators Energy Saving

DING Zelin, LI Qiang, JIAO Xiaodong, TIE Mengya

School of Water Conservancy, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450011, China

AbstractThe roof rainfall power generation and lift energy supply system is a natural energy recycling system that utilizes high buildings to collect and store the rainwater for power generation as building energy. The system uses the potential energy provided by the water in the upper pool to generate power, and takes advantage of the liftcar down-movement to drive the pumps and thus to lift the water. The water storage will rise up to the upper pool from the pool below, thus saving energy consumption and reducing the operating costs of elevators. Through theoretical analysis, the general energy-saving efficiency of this system was derived and, according to the actual system efficiency in case studies, the feasibility of the equipment as well as its economic, social and ecological benefits was demonstrated.

Key wordspumped storage; rainwater collection; rainfall power generation; elevator energy saving

隨著城鎮(zhèn)化速度的加快，樓房安裝建筑電梯的數(shù)量持續(xù)增長，我國大多采用的是傳統(tǒng)式電梯，由于傳統(tǒng)式電梯巨大的能耗阻礙了城市的發(fā)展，面對我國能源短缺的現(xiàn)狀，研究一種更加綠色環(huán)保的節(jié)能電梯勢在必行。目前，節(jié)能電梯主要為能量回饋型電梯，其是將部分再生制動能量回收經(jīng)過處理后反饋到電網(wǎng)，供其他電器設(shè)備或其他電梯使用，從而達(dá)到節(jié)能目的；與同等拖動方式下的傳統(tǒng)式電梯相比該電梯最高可節(jié)能10%～46%[1-2]。

我國西南地區(qū)雨量豐富，城市內(nèi)澇嚴(yán)重。通過屋頂降水收集系統(tǒng)可以有效緩解供水緊張及城市內(nèi)澇壓力等問題。降水收集能充分利用淡水資源，緩解城市水資源短缺現(xiàn)狀[3-6]。目前，城市降水發(fā)電方面的研究主要有陣列式分布發(fā)電系統(tǒng)和匯流式集中發(fā)電系統(tǒng)[7]：陣列式分布發(fā)電系統(tǒng)利用降水沖擊發(fā)電機(jī)葉輪轉(zhuǎn)動發(fā)電，該方法理論可行但實(shí)際應(yīng)用困難；匯流式集中發(fā)電系統(tǒng)利用在高處匯集的降水，流經(jīng)在低處安裝的發(fā)電機(jī)發(fā)電[8]。如將上述雨能資源利用系統(tǒng)與電梯供能相結(jié)合，將大大減輕城市電梯供能負(fù)擔(dān)，還可減輕城市排水處理系統(tǒng)的負(fù)荷，減少水污染和改善城市生態(tài)環(huán)境。

筆者嘗試開發(fā)一種集屋頂降水收集發(fā)電系統(tǒng)與電梯運(yùn)行相結(jié)合的產(chǎn)能供能體系，以使該發(fā)電系統(tǒng)作為電梯或樓宇綜合供能系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。利用電梯下行的動能以及屋面雨水勢能發(fā)電，補(bǔ)充供給電梯或樓宇綜合運(yùn)行的部分電能，目前國內(nèi)外鮮有將抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)利用到電梯供能領(lǐng)域的報(bào)道。根據(jù)抽水蓄能發(fā)電的原理，利用屋頂蓄水勢能為樓房電梯運(yùn)行供能，并利用電梯下行的動能將水抽回屋頂蓄能。利用該裝置的工作原理，設(shè)計(jì)優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)，分析其節(jié)能效率，并通過實(shí)例計(jì)算，評價(jià)該新型電梯的可行性，以期為屋頂降水發(fā)電系統(tǒng)與電梯節(jié)能利用相結(jié)合提供參考。

1工作原理及構(gòu)造

屋頂降水發(fā)電系統(tǒng)是利用高層建筑物儲存降水進(jìn)行發(fā)電和利用電梯下行發(fā)電的自然能源再利用系統(tǒng)，目的是為達(dá)到全部提供或補(bǔ)充提供電梯上行供電的作用。

設(shè)計(jì)了一種可逆式屋頂降水發(fā)電與電梯供能系統(tǒng)，如圖1所示。

1—大樓；2—電梯轎廂；3—滑輪組件；4—纜繩；5—上蓄水池；6—下蓄水池；7—可逆式水輪發(fā)電機(jī)；8—有壓管道；9—限速器；10—外接電源；11—防蒸發(fā)集雨罩；12—放水電磁閥；13—安全鉗；14—廂內(nèi)設(shè)置開關(guān)；15—廂外限位開關(guān)。圖1　裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1　Schematic diagram of device structure

系統(tǒng)構(gòu)造為在樓層頂部設(shè)置上蓄水池(5)，在建筑物底部附近設(shè)置下蓄水池(6)，中間以壓力管道(8)相連，并在壓力管道靠近地面附近設(shè)置可逆式水輪發(fā)電機(jī)(7)。當(dāng)電梯下行時(shí)，轎廂(2)下落帶動可逆式水輪發(fā)電機(jī)輪軸轉(zhuǎn)動向上抽水至上蓄水池；當(dāng)上蓄水池的補(bǔ)給達(dá)到正常發(fā)電水位后，水輪發(fā)電機(jī)工作，為大樓電梯運(yùn)行供電。上蓄水池中水量一部分來自于屋頂降水的收集，另一部分來自于電梯下行時(shí)抽提的水量。屋頂設(shè)有防蒸發(fā)集雨罩(11)，進(jìn)水口處設(shè)置有過濾裝置(濾網(wǎng))。當(dāng)水量不足時(shí)，電梯上行所需能量可由外接電源(10)補(bǔ)給。

為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，水輪發(fā)電機(jī)的電源輸出端通過穩(wěn)壓器與電梯轎廂拽引機(jī)電源輸入端連接，廂內(nèi)設(shè)置開關(guān)與控制器的一個(gè)輸入端連接，廂外限位開關(guān)與控制器的另一個(gè)輸入端連接；控制器的一個(gè)輸出端與放水電磁閥連接，另一個(gè)輸出端與拽引機(jī)的控制端連接。在轎廂外設(shè)置有強(qiáng)迫減速開關(guān)，該強(qiáng)迫減速開關(guān)與控制器輸入端連接，從而保證電梯運(yùn)行的可靠性。

2節(jié)能效率分析

屋頂降水發(fā)電節(jié)能系統(tǒng)分為2個(gè)部分：豐水期降水較多時(shí)，達(dá)到發(fā)電水位可直接供給電梯運(yùn)行；枯水期降水較少時(shí)，當(dāng)上蓄水池蓄水量無法由降水補(bǔ)充時(shí)，可利用電梯運(yùn)行過程中電梯下行帶動水泵補(bǔ)充上蓄水池水量，當(dāng)達(dá)到發(fā)電水位時(shí)可供給電梯部分運(yùn)行使用。各部分運(yùn)行產(chǎn)能及節(jié)能效率計(jì)算如下。

水輪發(fā)電機(jī)的出力(N水)[9-12]：

N水=9.81ηsQH

式中：ηs為水輪發(fā)電機(jī)效率，%；Q為水輪發(fā)電機(jī)引用流量，ms3；H為發(fā)電水頭，m，由于上蓄水池水位變化小于總水頭的5%，故水頭變化影響可忽略。

收集降水的發(fā)電量(E水)：

E水=N水·ts=9.81ηsW水H

式中：W水為收集降水體積，m3；ts為水輪發(fā)電機(jī)利用雨水發(fā)電的工作時(shí)間，h。

電梯耗能(E)：

E=ηdPtd

式中：ηd為電梯使用率，%；P為電梯電機(jī)功率，kW，td為電梯工作時(shí)間，h。

電梯下行提水發(fā)電量(E水d)：

E水d=ηsηbηjE

式中：ηb為水泵效率，%；ηj為傳動裝置效率，%。

枯水期裝置節(jié)能效率(η枯)：

η枯=E水dE=ηsηbηj

豐水期裝置節(jié)能效率(η豐)：

η豐=(E水+E水d)E

3節(jié)能效果案例分析

以福州市某個(gè)樓頂面積為1 000 m2，樓高為54

m的寫字樓為研究對象，該樓配有1臺質(zhì)量為1 t，運(yùn)行速度為1.75 ms的電梯。

福州市的豐水期為5—7月，枯水期為1月、2月、9月、10月、12月，中水期為3月、4月、8月、11月(表1)。在其降水量充沛的3個(gè)月里(5—7月)，月平均降水量達(dá)344 mm，日平均降水量為11.5 mm。

表1　2006年福州市降水量分布

根據(jù)水文特性選取水泵型號為100D16X4(長沙自平衡多級泵廠)，該水泵效率(ηb)為0.73。為便于計(jì)算每月的雨水收集量，以月平均降水量為350 mm計(jì)，集水池面積為1 000 m2。電梯電機(jī)功率為10 kW，電梯使用率為50%。

水輪機(jī)型號通過《反擊式水輪機(jī)暫行系列型譜》選得，通過HL240型水輪機(jī)等效率曲線計(jì)算表[7]得到：水輪機(jī)效率(ηs)為0.926；機(jī)械效率(ηj)為0.97。通過枯水期裝置節(jié)能效率公式計(jì)算可得η枯為65.57%；豐水期裝置節(jié)能效率公式計(jì)算可得η豐為66.88%；每月可收集存儲降水350 m3。

4效益分析

(1)社會效益。開展城市屋頂降水收集及蓄能發(fā)電可以節(jié)約電梯運(yùn)行成本，同時(shí)該裝置的屋頂降水收集系統(tǒng)可減輕城市排水處理系統(tǒng)的負(fù)荷、減少水污染，削減城市洪峰流量，減輕城市內(nèi)澇壓力。除作為電梯供電外，在極端天氣下也可作為居民臨時(shí)電源，為人員轉(zhuǎn)移逃生等提供條件；該裝置的上下蓄水池還可作為消防保潔水源對高層建筑的消防安全起到一定的作用。因此，該系統(tǒng)對降低城市運(yùn)作能耗，減輕城市內(nèi)澇壓力有著非常積極的作用，還可應(yīng)用于樓宇的應(yīng)急處置及消防安全中。

(2)經(jīng)濟(jì)效益。將抽水蓄能電站原理利用到電梯運(yùn)行中，通過收集降水和轎廂勢能提升水到上蓄水池儲能，再通過上蓄水池泄水發(fā)電為電梯供能，從而達(dá)到節(jié)能目的。通過分析具體實(shí)例，得出豐水期節(jié)能效率可達(dá)66.88%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(3)生態(tài)效益。該裝置提供了一種城市清潔能源，節(jié)約了大量水資源，防止了天然水資源的二次污染，環(huán)保效益顯著。

該系統(tǒng)將降水供能、抽水蓄能等功能方式運(yùn)用到電梯節(jié)能領(lǐng)域，通過建立模型試驗(yàn)對該節(jié)能方式的可行性、前景和推廣進(jìn)行綜合分析表明，該系統(tǒng)具有節(jié)能、環(huán)保作用。將可逆式屋頂降水發(fā)電與電梯供能系統(tǒng)相結(jié)合，作為補(bǔ)充能源運(yùn)用到高層建筑電梯日常運(yùn)行中，有益于節(jié)省外部能量消耗，提高對自然能源的利用，降低電梯的運(yùn)行費(fèi)用。

5討論

(1)為提高發(fā)電機(jī)效率還可將發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)槳式，根據(jù)上下行人數(shù)即載質(zhì)量的不同改變導(dǎo)葉的開度，從而提高水能的利用效率，提高發(fā)電機(jī)的輸出效率，使其達(dá)到最優(yōu)工況。

(2)目前，綠色節(jié)能環(huán)保理念在我國越來越受到重視，通過在各方面減少能源的損耗，并將各種方式集成使用，以達(dá)到整體節(jié)能的最大效益，將是節(jié)能環(huán)保的重大趨勢。下一步可將抽水蓄能節(jié)能方式與太陽能、風(fēng)能配合使用，提出“節(jié)能大樓”的概念，從而減少建筑物運(yùn)行時(shí)的能源消耗。

(3)進(jìn)一步拓寬屋頂降水發(fā)電的應(yīng)用范圍，如可以在極端天氣情況下，提供臨時(shí)電源，為人員轉(zhuǎn)移逃生等提供條件，以及蓄水池作為消防保潔水源用于高層建筑的消防安全等。

6結(jié)論

基于電梯勢能利用及屋面雨水收集利用的思路，設(shè)計(jì)了高層屋面降水發(fā)電與電梯節(jié)能利用系統(tǒng)，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論分析，并通過福州市寫字樓使用的案例分析，得到屋頂降水收集發(fā)電系統(tǒng)與電梯運(yùn)行相結(jié)合的產(chǎn)能供能體系的節(jié)能效率，枯水期裝置節(jié)能效率為65.57%，豐水期節(jié)能效率為66.88%。該裝置具有一定的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益及生態(tài)效益。

參考文獻(xiàn)一般不少于15篇，其中外文文獻(xiàn)不少于5篇。中文期刊應(yīng)提供英譯文，需以原刊為準(zhǔn)。

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中圖分類號:X382

文章編號:1674-991X(2016)02-0199-04

doi:10.3969j.issn.1674-991X.2016.02.030

作者簡介:丁澤霖(1983—)，男，博士，主要從事水工結(jié)構(gòu)工程技術(shù)方面研究，dingzelin@126.com (姓名、出生年、性別、職稱、學(xué)位、主要研究領(lǐng)域和E-mail)及責(zé)任 。

收稿日期:2015-07-01 在首頁腳注處應(yīng)注明，基金項(xiàng)目(省部級以上基金資助或其他資助項(xiàng)目及項(xiàng)目批準(zhǔn)號)，第一