基于管道水轮机的住宅空气净化系统

马晓杰+王健+赵康成

【摘要】 为应对日益严重的环境污染以及能源短缺问题，系统利用高楼生活用水的水势能，以及楼顶雨水采集装置收集的雨水的水势能为能量来源，推动水轮机带动发电机进行发电，产生的电能供空气净化器使用，空气净化器一方面采用纤维状活性炭滤网以及静电滤尘网对空气进行静电集尘式净化，能有效吸附空气中的悬浮粒子，另一方面采用高压放电产生负氧离子对空气净化，能有效杀菌，改善室内环境。本系统开发利用了高楼住宅的水势能，由此产生的电能用来净化空气，将对节能减排和环境净化产生积极的影响。

【关键词】 PM2.5 重力势能 水力发电 静电集尘 负氧离子

一、研制背景及意义

随着中国进入高速发展的机遇期，高新技术得到了全面的发展，人民的生活水平得到了显著提高。然而随之也产生了很多问题，最为突出的是环境污染和能源短缺问题。近年来，大气污染日益严重，PM2.5引发了各种呼吸道疾病，对人体健康产生了巨大威胁。室外，工业生产、交通尾气等成为影响大气质量的主要因素；室内硫酸气体，氯氧化物及各种有机物质的沉淀同样影响着人体健康。因而，空气净化器逐渐得到居民的青睐，然而市场上空气净化器价格昂贵，不适合广泛推广。此系统净化器价格低廉，又能确保净化功能，利用高压进行静电集尘，再经过滤尘网吸附微粒污染物，并且能释放出负氧离子，能有效清除空气中的阳离子烟雾，从而保持室内空气干净而新鲜。当前，化石能源仍是主要能源，但因燃烧化石能源导致的全球变暖和空气污染问题日益严重，为了减少对环境的破坏，本系统利用高楼层的水势能发电，不仅有效地利用了能源，更减少了化石能源的燃烧，保护了环境。

二、设计方案

2.1 工作原理

2.1.1 水力发电的工作原理[3]

利用高楼层的水势能，由水流推动水轮机，水轮机带动发电机发电，产生的电能由蓄电池储蓄，存储的电能将为空气净化系统提供电能。

2.1.2 静电除尘的工作原理[4]

利用发电部分的能源，在逆变器作用下将直流电转化为交流电，再通过高压包产生6000V～8000V高压电，使放电极金属尖端处于高压状态，产生强大的静电场，空中微尘被静电场极化，在电场和风扇作用下作定向移动，再在其移动的路径中放一薄膜，过滤被吸附的微尘，从而达到除尘作用。

2.1.3 负氧离子净化的工作原理[4]

本设计利用高压进行静电集尘的同时，又能释放出负氧离子，负氧离子具有十分活泼的化学特性，它能迅速与空气中其它化合物结合，使其形成新形态的氧化物，进而使某些气态物质转化为晶态物达到净化空气目的。本产品在将有害臭氧转化成阴离子氧气的过程中能产生水，因而本产品又有调节湿度的功能。

2.2 系统方案

2.2.1 系统流程图，如图1所示

2.2.2 空气净化器原理图[1，2]，如图2所示

2.3 理论计算

2.3.1 前述

北京的降水量： （1）北京的气候为典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。年平均降雨量644毫米，日均1.82毫米，为华北地区降雨最多的地区之一，山前迎风坡可达700毫米以上。（2）降水季节分配很不均匀，全年降水的集中在夏季，7、8月常有暴雨。北京夏季（6-8月）降水量最大，占全年的70%～75%以上，冬季雨雪很少，降水量占全年2%，春季次少，占到8%～10%，秋季占全年的13%～16%。

2.3.2 统计数据部分

以北京为例，以下是对北京各小区用水量以及降水量的调查表[5]：

表1反映了小区性质和小区户数。

表2反映了人们在不同时期用水量的差异，根据此差异可调整发电机工作时间，使发电机的工作效率达到最大，达到充分利用水势能产生的电能。

表3反映了小区内人均用水量，也反映了北京的人均用水量，根据此表可大致算出高楼内生活剩水的总势能，以及其产生的电能。

表4反映了从1988年到2005年北京年降水量数据表，可由此计算出降水的质量。

2.3.3 计算

由数据统计部分的表格可知，小区居民日均用水量为0.32T每天每户。调查住宅楼平均为9层，则楼高的一半为15m。

那么，每天生活用水可产生的重力势能为：

W重=m×g×h=47040J

按每栋楼2*9户人家计算，则整栋楼的总的水势能为：

W总=W重×18=846720J

则一年可产生的总能量为：

W年=W总×365=309052800J

又从上可知，北京日降雨量为1.82mm，北京居民楼一层平均为400m2，则降水的体积和质量分别为：

V=L×S=546L

M=0.546T

雨水总势能为：

W雨水重=m雨水×g×h=16024J

一年雨水产生的能量为

W雨水年=W雨水重×365=5848760J

总能量为

W总=W雨水年+W年=314901560J

忽略其他能量损耗，总能量可让20W，效率为0.8一年中工作的时间为

t=■=3498.9h

三、总结

该系统开发利用了高楼生活用水以及楼顶雨水的重力势能来发电，体现了可持续发展的理念，并对空气净化器进行了必要的改进，使其能够高效的净化空气。若能将该系统应用于更高楼层，增大发电机的功率，将获得可观的电能，本系统的深入研究将为可持续发展和空气净化探索一条革新之路。

【摘要】 为应对日益严重的环境污染以及能源短缺问题，系统利用高楼生活用水的水势能，以及楼顶雨水采集装置收集的雨水的水势能为能量来源，推动水轮机带动发电机进行发电，产生的电能供空气净化器使用，空气净化器一方面采用纤维状活性炭滤网以及静电滤尘网对空气进行静电集尘式净化，能有效吸附空气中的悬浮粒子，另一方面采用高压放电产生负氧离子对空气净化，能有效杀菌，改善室内环境。本系统开发利用了高楼住宅的水势能，由此产生的电能用来净化空气，将对节能减排和环境净化产生积极的影响。

【关键词】 PM2.5 重力势能 水力发电 静电集尘 负氧离子

一、研制背景及意义

随着中国进入高速发展的机遇期，高新技术得到了全面的发展，人民的生活水平得到了显著提高。然而随之也产生了很多问题，最为突出的是环境污染和能源短缺问题。近年来，大气污染日益严重，PM2.5引发了各种呼吸道疾病，对人体健康产生了巨大威胁。室外，工业生产、交通尾气等成为影响大气质量的主要因素；室内硫酸气体，氯氧化物及各种有机物质的沉淀同样影响着人体健康。因而，空气净化器逐渐得到居民的青睐，然而市场上空气净化器价格昂贵，不适合广泛推广。此系统净化器价格低廉，又能确保净化功能，利用高压进行静电集尘，再经过滤尘网吸附微粒污染物，并且能释放出负氧离子，能有效清除空气中的阳离子烟雾，从而保持室内空气干净而新鲜。当前，化石能源仍是主要能源，但因燃烧化石能源导致的全球变暖和空气污染问题日益严重，为了减少对环境的破坏，本系统利用高楼层的水势能发电，不仅有效地利用了能源，更减少了化石能源的燃烧，保护了环境。

二、设计方案

2.1 工作原理

2.1.1 水力发电的工作原理[3]

利用高楼层的水势能，由水流推动水轮机，水轮机带动发电机发电，产生的电能由蓄电池储蓄，存储的电能将为空气净化系统提供电能。

2.1.2 静电除尘的工作原理[4]

利用发电部分的能源，在逆变器作用下将直流电转化为交流电，再通过高压包产生6000V～8000V高压电，使放电极金属尖端处于高压状态，产生强大的静电场，空中微尘被静电场极化，在电场和风扇作用下作定向移动，再在其移动的路径中放一薄膜，过滤被吸附的微尘，从而达到除尘作用。

2.1.3 负氧离子净化的工作原理[4]

本设计利用高压进行静电集尘的同时，又能释放出负氧离子，负氧离子具有十分活泼的化学特性，它能迅速与空气中其它化合物结合，使其形成新形态的氧化物，进而使某些气态物质转化为晶态物达到净化空气目的。本产品在将有害臭氧转化成阴离子氧气的过程中能产生水，因而本产品又有调节湿度的功能。

2.2 系统方案

2.2.1 系统流程图，如图1所示

2.2.2 空气净化器原理图[1，2]，如图2所示

2.3 理论计算

2.3.1 前述

北京的降水量： （1）北京的气候为典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。年平均降雨量644毫米，日均1.82毫米，为华北地区降雨最多的地区之一，山前迎风坡可达700毫米以上。（2）降水季节分配很不均匀，全年降水的集中在夏季，7、8月常有暴雨。北京夏季（6-8月）降水量最大，占全年的70%～75%以上，冬季雨雪很少，降水量占全年2%，春季次少，占到8%～10%，秋季占全年的13%～16%。

2.3.2 统计数据部分

以北京为例，以下是对北京各小区用水量以及降水量的调查表[5]：

表1反映了小区性质和小区户数。

表2反映了人们在不同时期用水量的差异，根据此差异可调整发电机工作时间，使发电机的工作效率达到最大，达到充分利用水势能产生的电能。

表3反映了小区内人均用水量，也反映了北京的人均用水量，根据此表可大致算出高楼内生活剩水的总势能，以及其产生的电能。

表4反映了从1988年到2005年北京年降水量数据表，可由此计算出降水的质量。

2.3.3 计算

由数据统计部分的表格可知，小区居民日均用水量为0.32T每天每户。调查住宅楼平均为9层，则楼高的一半为15m。

那么，每天生活用水可产生的重力势能为：

W重=m×g×h=47040J

按每栋楼2*9户人家计算，则整栋楼的总的水势能为：

W总=W重×18=846720J

则一年可产生的总能量为：

W年=W总×365=309052800J

又从上可知，北京日降雨量为1.82mm，北京居民楼一层平均为400m2，则降水的体积和质量分别为：

V=L×S=546L

M=0.546T

雨水总势能为：

W雨水重=m雨水×g×h=16024J

一年雨水产生的能量为

W雨水年=W雨水重×365=5848760J

总能量为

W总=W雨水年+W年=314901560J

忽略其他能量损耗，总能量可让20W，效率为0.8一年中工作的时间为

t=■=3498.9h

三、总结

该系统开发利用了高楼生活用水以及楼顶雨水的重力势能来发电，体现了可持续发展的理念，并对空气净化器进行了必要的改进，使其能够高效的净化空气。若能将该系统应用于更高楼层，增大发电机的功率，将获得可观的电能，本系统的深入研究将为可持续发展和空气净化探索一条革新之路。

【摘要】 为应对日益严重的环境污染以及能源短缺问题，系统利用高楼生活用水的水势能，以及楼顶雨水采集装置收集的雨水的水势能为能量来源，推动水轮机带动发电机进行发电，产生的电能供空气净化器使用，空气净化器一方面采用纤维状活性炭滤网以及静电滤尘网对空气进行静电集尘式净化，能有效吸附空气中的悬浮粒子，另一方面采用高压放电产生负氧离子对空气净化，能有效杀菌，改善室内环境。本系统开发利用了高楼住宅的水势能，由此产生的电能用来净化空气，将对节能减排和环境净化产生积极的影响。

【关键词】 PM2.5 重力势能 水力发电 静电集尘 负氧离子

一、研制背景及意义

随着中国进入高速发展的机遇期，高新技术得到了全面的发展，人民的生活水平得到了显著提高。然而随之也产生了很多问题，最为突出的是环境污染和能源短缺问题。近年来，大气污染日益严重，PM2.5引发了各种呼吸道疾病，对人体健康产生了巨大威胁。室外，工业生产、交通尾气等成为影响大气质量的主要因素；室内硫酸气体，氯氧化物及各种有机物质的沉淀同样影响着人体健康。因而，空气净化器逐渐得到居民的青睐，然而市场上空气净化器价格昂贵，不适合广泛推广。此系统净化器价格低廉，又能确保净化功能，利用高压进行静电集尘，再经过滤尘网吸附微粒污染物，并且能释放出负氧离子，能有效清除空气中的阳离子烟雾，从而保持室内空气干净而新鲜。当前，化石能源仍是主要能源，但因燃烧化石能源导致的全球变暖和空气污染问题日益严重，为了减少对环境的破坏，本系统利用高楼层的水势能发电，不仅有效地利用了能源，更减少了化石能源的燃烧，保护了环境。

二、设计方案

2.1 工作原理

2.1.1 水力发电的工作原理[3]

利用高楼层的水势能，由水流推动水轮机，水轮机带动发电机发电，产生的电能由蓄电池储蓄，存储的电能将为空气净化系统提供电能。

2.1.2 静电除尘的工作原理[4]

利用发电部分的能源，在逆变器作用下将直流电转化为交流电，再通过高压包产生6000V～8000V高压电，使放电极金属尖端处于高压状态，产生强大的静电场，空中微尘被静电场极化，在电场和风扇作用下作定向移动，再在其移动的路径中放一薄膜，过滤被吸附的微尘，从而达到除尘作用。

2.1.3 负氧离子净化的工作原理[4]

本设计利用高压进行静电集尘的同时，又能释放出负氧离子，负氧离子具有十分活泼的化学特性，它能迅速与空气中其它化合物结合，使其形成新形态的氧化物，进而使某些气态物质转化为晶态物达到净化空气目的。本产品在将有害臭氧转化成阴离子氧气的过程中能产生水，因而本产品又有调节湿度的功能。

2.2 系统方案

2.2.1 系统流程图，如图1所示

2.2.2 空气净化器原理图[1，2]，如图2所示

2.3 理论计算

2.3.1 前述

北京的降水量： （1）北京的气候为典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。年平均降雨量644毫米，日均1.82毫米，为华北地区降雨最多的地区之一，山前迎风坡可达700毫米以上。（2）降水季节分配很不均匀，全年降水的集中在夏季，7、8月常有暴雨。北京夏季（6-8月）降水量最大，占全年的70%～75%以上，冬季雨雪很少，降水量占全年2%，春季次少，占到8%～10%，秋季占全年的13%～16%。

2.3.2 统计数据部分

以北京为例，以下是对北京各小区用水量以及降水量的调查表[5]：

表1反映了小区性质和小区户数。

表2反映了人们在不同时期用水量的差异，根据此差异可调整发电机工作时间，使发电机的工作效率达到最大，达到充分利用水势能产生的电能。

表3反映了小区内人均用水量，也反映了北京的人均用水量，根据此表可大致算出高楼内生活剩水的总势能，以及其产生的电能。

表4反映了从1988年到2005年北京年降水量数据表，可由此计算出降水的质量。

2.3.3 计算

由数据统计部分的表格可知，小区居民日均用水量为0.32T每天每户。调查住宅楼平均为9层，则楼高的一半为15m。

那么，每天生活用水可产生的重力势能为：

W重=m×g×h=47040J

按每栋楼2*9户人家计算，则整栋楼的总的水势能为：

W总=W重×18=846720J

则一年可产生的总能量为：

W年=W总×365=309052800J

又从上可知，北京日降雨量为1.82mm，北京居民楼一层平均为400m2，则降水的体积和质量分别为：

V=L×S=546L

M=0.546T

雨水总势能为：

W雨水重=m雨水×g×h=16024J

一年雨水产生的能量为

W雨水年=W雨水重×365=5848760J

总能量为

W总=W雨水年+W年=314901560J

忽略其他能量损耗，总能量可让20W，效率为0.8一年中工作的时间为

t=■=3498.9h

三、总结

该系统开发利用了高楼生活用水以及楼顶雨水的重力势能来发电，体现了可持续发展的理念，并对空气净化器进行了必要的改进，使其能够高效的净化空气。若能将该系统应用于更高楼层，增大发电机的功率，将获得可观的电能，本系统的深入研究将为可持续发展和空气净化探索一条革新之路。