基于海綿城市發(fā)電的屋頂雨水處理系統(tǒng)運行分析

胡浩楠

【摘 要】屋頂雨水處理系統(tǒng)集泄洪、發(fā)電、蓄水為一體，實現(xiàn)了雨水雨能聯(lián)合利用，對傳統(tǒng)排水系統(tǒng)進行了功能開發(fā)，有利于建設城市水循環(huán)系統(tǒng)。本文選取了三個東南沿海城市和一個內(nèi)陸城市進行屋頂雨水處理系統(tǒng)的運行分析，得出屋頂雨水處理系統(tǒng)適用于南方多雨城市，具有較好的應用前景。

【關鍵詞】海綿城市；雨水發(fā)電；經(jīng)濟性；可靠性

1.屋頂雨水處理系統(tǒng)的適用范圍

為應對南方多雨城市的內(nèi)澇問題和熱島效應，國家提出建設“海綿城市”的方針，國務院辦公廳2015年10月印發(fā)《關于推進海綿城市建設的指導意見》，部署推進海綿城市建設工作。

屋頂雨水處理系統(tǒng)集泄洪、發(fā)電、蓄水為一體，實現(xiàn)了雨水雨能聯(lián)合利用，對傳統(tǒng)排水系統(tǒng)進行了功能開發(fā)，有利于建設城市水循環(huán)系統(tǒng)。屋頂雨水處理系統(tǒng)是基于“海綿城市”的概念而發(fā)明的，其應用也可以與海綿城市的建設相配合，充分利用海綿城市建筑的樓頂蓄水池、排水管道、地下蓄水池等，大大減少工程量與施工成本。因為海綿城市是為多雨地區(qū)打造的，所以屋頂雨水處理系統(tǒng)也應該適用于多雨地區(qū)。

我國雨水資源豐富，大部分地區(qū)年降水量超過3500億立方米，且降雨主要集中在東南沿海地區(qū)，其中又以廣東省和福建省為首，內(nèi)陸地區(qū)以江西省、湖南省、湖北省為代表。為使結(jié)論具有普適性，本文選取了三個東南沿海城市和一個內(nèi)陸城市進行屋頂雨水處理系統(tǒng)實際運行的經(jīng)濟性和可靠性分析。

2.屋頂雨水處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

屋頂雨水處理系統(tǒng)包括集水裝置、發(fā)電裝置、蓄電配電裝置和抽水蓄能裝置。

集水裝置為屋頂蓄水池，先由樓頂表面的排水渠收集屋頂面積內(nèi)的降水，經(jīng)過濾網(wǎng)過濾去除大顆粒的泥沙、固體懸浮物等，進入屋頂蓄水池。雨水積累到高液位線時，通過繼電器自動控制，打開閥門，等雨水降落到低液位線時，繼電器動作，關閉閥門，繼續(xù)等待雨水集聚。此裝置的使用充分考慮了雨水流量的不穩(wěn)定性而帶來的水輪發(fā)電機發(fā)出電壓的不穩(wěn)定，由此提高了電能質(zhì)量和發(fā)電效率。同時防止雨勢較大時，積水損壞樓頂。

發(fā)電裝置為水輪發(fā)電機，其功率參數(shù)需與低壓配電網(wǎng)的電壓保持一致。由于屋頂蓄水池受閥門控制，在水下落時是滿管壓力流，所以水流量參數(shù)與引水管的直徑相關聯(lián)，根據(jù)水輪發(fā)電機的功率參數(shù)進而選擇引水管合適的直徑。引水管最大限度的利用了樓房高度，水流特點為水頭高、流量小，因此采取混流式水輪發(fā)電機，進一步提高效率。排出的水進入地下蓄水池保存。

蓄電配電裝置包含低壓配電網(wǎng)和蓄電池，根據(jù)配電網(wǎng)此時的用電情況選擇所發(fā)電能的不同去向。若為用電高峰期，則將所發(fā)電能經(jīng)一系列調(diào)相、調(diào)頻、保護后實施并網(wǎng)操作，水輪發(fā)電機不發(fā)電時則進行解列動作；若為用電低谷期，則將出線端接入逆變器，交流電變換為直流電，被儲存進蓄電池。

抽水蓄能裝置為地下蓄水池與抽水泵，地下蓄水池保障雨水不輕易流失和蒸發(fā)，抽水泵由低壓配電網(wǎng)進行供電。在干旱的天氣條件下，選擇在用電低谷時進行抽水，將水抽取到地上，可供給為綠化、道路灑水以及雨水資源凈化等，一方面起“填谷”作用，一方面對雨水形成再次利用，提高其利用率。

3.屋頂雨水處理系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性分析

以惠州市、江門市、漳州市、宜昌市為例。發(fā)電量均按下式計算：

Eq=ρgQVhη1ηet

惠州年降水量2200毫米，雨水集中在7、8月份。以惠州市大亞灣的三遠大愛城小區(qū)為例，小區(qū)樓高112.7米，樓頂蓄水池長50.4米，寬21.6米，深0.9米。

江門年降水量2078mm，以江門市的保利中央公園小區(qū)為例，小區(qū)樓高120.9米，樓頂蓄水池長53.6米，寬18.2米，深1.1米。

漳州年降水量超過1700mm，以漳州市的國貿(mào)潤園小區(qū)為例，小區(qū)樓高116.2米，樓頂蓄水池長53.0米，寬22.5米，深1.1米。

宜昌年平均降水量1215.6毫米，以宜昌市的中建宜昌之星小區(qū)為例，小區(qū)樓高112.9米，樓頂蓄水池長50.8米，寬29.4米，深0.9米。

據(jù)調(diào)查，惠州市可以建屋頂雨水處理系統(tǒng)的樓群數(shù)量為2080，江門市可以建屋頂雨水處理系統(tǒng)的樓群數(shù)量為1215，漳州市可以建屋頂雨水處理系統(tǒng)的樓群數(shù)量為1053，宜昌市可以建屋頂雨水處理系統(tǒng)的樓群數(shù)量為1251。以8棟樓為一組作為一臺水輪發(fā)電機組的供水源，通過運行仿真計算出各城市的年發(fā)電量分別為惠州市4558.6kWh，江門市4143.1kWh，漳州市4116.5kWh，宜昌市3462.9kWh。

建設成本包括購置水輪發(fā)電機、購置100mm PV管、引水管道的開挖與回填。目前市場上500W水輪發(fā)電機的平均價格約400元，開挖的工費為100元/m3，回填的工費為50元/m3。根據(jù)本例中樓宇的間隔及相關數(shù)據(jù)，可以估算出建成一套屋頂雨水處理系統(tǒng)的成本為2630元，從而計算出發(fā)電收益如下表所示：

表1

4.屋頂雨水處理系統(tǒng)運行的可靠性分析

由于降雨的季節(jié)性、不均勻性，雨水發(fā)電的實行面臨諸多困難，屋頂雨水處理系統(tǒng)通過自動蓄水調(diào)節(jié)裝置，先蓄水再發(fā)電，控制流速穩(wěn)定，保證水下落時是滿管壓力流，充分考慮了雨水流量的不穩(wěn)定性而帶來的水輪發(fā)電機發(fā)出電壓的不穩(wěn)定，由此提高了電能質(zhì)量和發(fā)電效率，解決了雨能的不可控性問題。

基于各城市雨季日降雨量數(shù)據(jù)對屋頂雨水處理系統(tǒng)進行運行仿真，得到機端電壓如下圖所示：

由上圖可知，電壓偏差在-2.23%～0.86%范圍內(nèi)。

5.結(jié)論

據(jù)以上分析可以得出結(jié)論：

（1）自動蓄水調(diào)節(jié)裝置保證了機端電壓的穩(wěn)定性，提高了屋頂雨水發(fā)電的可靠性。

（2）由于東南沿海城市降水量較多，發(fā)電量也隨之具有顯著優(yōu)勢；對于高層建筑數(shù)量較多的城市，使用屋頂雨水處理系統(tǒng)獲得的年收益更多；幾座城市建設屋頂雨水處理系統(tǒng)的單位費用基本相同，且大部分能在兩年內(nèi)回本。

因此，建設屋頂雨水處理系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟前景。

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