尚永濤 曹梁文 李德海 孫金榜 楊柳崴

(蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

1 研制背景及意義

建筑給水的水壓確定一般需要根據(jù)用戶最不利帶點的水壓確定，由于建筑內(nèi)部存在樓層間高差，低于最不利點的樓層其用水點水壓要高一些。建筑內(nèi)的豎向高差是不同樓層間水壓變化的主要因素，水壓不均衡將導(dǎo)致用水點出水不均勻。較低樓層的管道中經(jīng)常由于水壓過大導(dǎo)致水管炸裂，并且水龍頭等設(shè)施也會受到相應(yīng)的損害，這些使供水管道及水龍頭等設(shè)備的更換頻率提高，增大了供水設(shè)施的后期維護(hù)維修費用。

目前建筑中生活用水供給系統(tǒng)的水壓均衡控制方法主要有兩種，第一種是分區(qū)壓力控制。第二種是在某些位置設(shè)置相應(yīng)的減壓閥減壓。在我國針對建筑給水排水制定的規(guī)范中指出，要注重控制建筑給水系統(tǒng)豎向分區(qū)的水壓范圍，首先需要考慮的是不同的用水設(shè)備對于水壓的承受能力，水壓過高會對建筑內(nèi)的用水設(shè)備造成一定程度的損壞[2]。對建筑給水系統(tǒng)中的豎向分區(qū)水壓進(jìn)行控制，有效的降低水壓，同時又能滿足使用要求。

對于目前的這種減壓措施在一定程度上可以減少水壓的損害，但是這些富裕的水壓并沒有被充分利用起來，造成了很大的浪費。

2 設(shè)計描述

2.1 實物描述

該管道式減壓產(chǎn)能及智能預(yù)警裝置外觀為0.5 m長管段，兩端配有螺紋活接頭，通過接頭接入給水橫干管或立管直管段。在管道內(nèi)部一端裝有Y型過濾器，以防止管道中的雜質(zhì)對水輪機(jī)的葉輪造成破壞。該小型水流發(fā)電裝置基于供水管道中的水壓力的動能來產(chǎn)生電能，發(fā)電裝置由定子、轉(zhuǎn)子、端蓋及軸承等部件構(gòu)成，由軸承及端蓋將發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子連接組裝起來，使轉(zhuǎn)子能在定子中旋轉(zhuǎn)，做切割磁感線運動，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并且通過接線端引出，接在回路中，便產(chǎn)生了電流[3]。由于發(fā)電機(jī)工作的過程中會受到水流的影響，因此設(shè)有止水密封結(jié)構(gòu)，使發(fā)動機(jī)隔絕水流工作，不至于影響發(fā)電機(jī)工作并且保證用戶用水中不流入電流。對于信息的傳輸我們采用一個小型信號發(fā)射器來實時發(fā)送產(chǎn)電量信息至信息采集終端。由信息采集終端對信息進(jìn)行處理，從而得出管道內(nèi)的流量水壓等信息，并通過這些信息實現(xiàn)智能預(yù)警及反饋控制，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2.2 電能傳輸

考慮到用水時間和水流量的不均衡等因素會導(dǎo)致產(chǎn)電量的不穩(wěn)定，我們首先將發(fā)電設(shè)施產(chǎn)生的電能通過引線引入蓄電設(shè)施存儲起來，然后由蓄電設(shè)施直接連接用電設(shè)施，從而實現(xiàn)電能的穩(wěn)定傳輸。

2.3 智能預(yù)警反饋控制

該裝置同時可以實現(xiàn)智能預(yù)警及供水系統(tǒng)的反饋控制。在該設(shè)備中配備有一個信號發(fā)射器，以實時發(fā)送裝置產(chǎn)電量信息至信號接收端，在信號接收端對接收到的信息進(jìn)行處理，以實現(xiàn)對供水管網(wǎng)信息的實時檢測，判斷管道中的水流是否正常輸送并判斷管道是否出現(xiàn)破損漏水等情況。具體如下：在信號接收端將收集到的信息與管道正常使用時的電量信息做擬合，當(dāng)擬合超過一定的容錯范圍時管道內(nèi)則有可能發(fā)生滲漏，其次也可以判斷管道內(nèi)的水壓及水流是否正常。整合終端所有裝置發(fā)送的實時信息，達(dá)到給水系統(tǒng)信息化管理的目的，實現(xiàn)智能預(yù)警系統(tǒng)。而該裝置可作為信息傳輸?shù)钠脚_，可根據(jù)處理后的反饋信息調(diào)節(jié)給水管網(wǎng)，以達(dá)到節(jié)能減排的目的。

3 理論設(shè)計計算

由于信號發(fā)射裝置的能耗與電燈的能耗相近，于是我們以生活用水時的可行性計算作為參考，由于夜間用水和白天相比，且夜間的用水量很小，我們這里取12 h作為全天發(fā)電量(以下計算均為一臺裝置的相關(guān)量)。各個管徑12 h的流量如表1所示。

表1 各個管徑12 h的流量表

由于帆翼式葉片和風(fēng)扇式葉片在裝入設(shè)備之后，無法正面迎接水流而不影響水流的流轉(zhuǎn)，且無法為將水動能轉(zhuǎn)化為電能，所以這里我們選取螺旋槳式葉片，取Cρ=0.42。

葉片面積：

S=3.14×0.1×0.1=0.034 m2。

考慮軸承的機(jī)械效率為98%實際蓄電池，根據(jù)各個管徑的經(jīng)濟(jì)流速，各個管徑下每12 h的蓄電池捕獲水動能見表2。

表2 各個管徑下每12 h的蓄電池捕獲水動能表

4 預(yù)期成果

通過理論產(chǎn)能計算，一個該裝置可以滿足2.8個應(yīng)急照明設(shè)施一天的日常用電需求。本裝置在直管段內(nèi)采用螺紋活接頭的方式接入管道，采用螺紋活接頭連接的形式接入給水管道使該設(shè)備連接方便。其次該裝置可以實現(xiàn)智能預(yù)警及反饋調(diào)節(jié)，以提高給水管網(wǎng)信息檢測的自動化和智能化，從而實現(xiàn)節(jié)能減排。該裝置在發(fā)電的同時降低了給水管網(wǎng)中過剩的壓力，在一定程度上降低了給水管網(wǎng)中供水管道和水龍頭的更換頻率及維修成本。此外，由于本設(shè)計的自發(fā)電設(shè)計，亦降低了電池的損耗，在一定程度上實現(xiàn)綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的時代目標(biāo)。

在造價方面，該產(chǎn)品主要由0.5 m直管段，微型發(fā)電輪機(jī)、信號發(fā)射裝置、集成電路等結(jié)構(gòu)組成，總體造價成本相對較低，且能實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。本產(chǎn)品主要任務(wù)為在盡可能節(jié)約人力資源與物質(zhì)資源的前提下，實現(xiàn)給排水信息的檢測與管理，并且由于其安裝難度低與維護(hù)成本小等優(yōu)點，亦可以在其他應(yīng)用給排水系統(tǒng)的領(lǐng)域應(yīng)用。對于信息來源的真實性，由于該產(chǎn)品自身接入給排水系統(tǒng)，實時收集數(shù)據(jù)，相對于人工收集數(shù)據(jù)時易出現(xiàn)的人工誤差而言，機(jī)器只存在精度誤差，遂此信息來源的真實性高。由于信息收集與傳輸實時進(jìn)行的性質(zhì)，并且直接通過信息流并入智能預(yù)警系統(tǒng)，因此其信息收集的全面性與快速性也符合信息管理要求。該設(shè)備可以提高給水系統(tǒng)在建筑信息領(lǐng)域的智能化和信息化，同時可以提高供水系統(tǒng)的優(yōu)化反饋，實現(xiàn)“綠色建筑”。

5 創(chuàng)新點及應(yīng)用

1)在發(fā)電及節(jié)約能耗方面，該裝置在一定程度上降低了在給水管網(wǎng)中水壓過大引起的損害，降低了對給水管網(wǎng)管道及水龍頭等構(gòu)件的更換頻率，從側(cè)面降低了成本。并且將這些過剩的能量轉(zhuǎn)化為了電能，供一些用電設(shè)備使用。

2)在信息檢測方面，該裝置具有對管道內(nèi)部的流量信息檢測的功能，可以及時發(fā)現(xiàn)供水管道的滲漏情況。從而減少水資源的浪費及降低滲漏造成的危害。

3)在安裝更換方面，該裝置兩端采用螺紋活接頭，便于拆卸更換，且使用范圍廣，可以應(yīng)用到各種橫干管、支管等位置。

4)在智能化方面，我們將該裝置與智能水務(wù)平臺相結(jié)合，有利于實時監(jiān)測給水管網(wǎng)信息，實現(xiàn)給水系統(tǒng)的智能化、信息化及反饋調(diào)節(jié)。