屋顶降水发电与电梯节能利用装置的可行性研究

丁泽霖，李强，焦晓东，铁梦雅

华北水利水电大学水利学院，河南 郑州　450011



屋顶降水发电与电梯节能利用装置的可行性研究

丁泽霖，李强，焦晓东，铁梦雅

华北水利水电大学水利学院，河南 郑州450011

摘要屋顶降水发电与电梯供能系统是利用高层建筑物收集储存降水进行发电供楼宇使用的自然能源回收利用系统。该系统利用上蓄水池蓄水提供的势能发电，并可利用轿厢下移带动水泵提水，使下蓄水池储水抬升至上蓄水池，从而节省能量的损耗，降低电梯的运行费用。通过理论分析计算推导出该系统的通用节能效率，结合实际案例，根据实际系统运行的节能效率，论证了该装置的可行性，及该装置的经济效益、社会效益和生态效益。

关键词抽水蓄能；降水收集；降水发电；电梯节能

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

随着城镇化速度的加快，楼房安装建筑电梯的数量持续增长，我国大多采用的是传统式电梯，由于传统式电梯巨大的能耗阻碍了城市的发展，面对我国能源短缺的现状，研究一种更加绿色环保的节能电梯势在必行。目前，节能电梯主要为能量回馈型电梯，其是将部分再生制动能量回收经过处理后反馈到电网，供其他电器设备或其他电梯使用，从而达到节能目的；与同等拖动方式下的传统式电梯相比该电梯最高可节能10%～46%[1-2]。

我国西南地区雨量丰富，城市内涝严重。通过屋顶降水收集系统可以有效缓解供水紧张及城市内涝压力等问题。降水收集能充分利用淡水资源，缓解城市水资源短缺现状[3-6]。目前，城市降水发电方面的研究主要有阵列式分布发电系统和汇流式集中发电系统[7]：阵列式分布发电系统利用降水冲击发电机叶轮转动发电，该方法理论可行但实际应用困难；汇流式集中发电系统利用在高处汇集的降水，流经在低处安装的发电机发电[8]。如将上述雨能资源利用系统与电梯供能相结合，将大大减轻城市电梯供能负担，还可减轻城市排水处理系统的负荷，减少水污染和改善城市生态环境。

笔者尝试开发一种集屋顶降水收集发电系统与电梯运行相结合的产能供能体系，以使该发电系统作为电梯或楼宇综合供能系统的一个组成部分。利用电梯下行的动能以及屋面雨水势能发电，补充供给电梯或楼宇综合运行的部分电能，目前国内外鲜有将抽水蓄能发电系统利用到电梯供能领域的报道。根据抽水蓄能发电的原理，利用屋顶蓄水势能为楼房电梯运行供能，并利用电梯下行的动能将水抽回屋顶蓄能。利用该装置的工作原理，设计优化装置结构，分析其节能效率，并通过实例计算，评价该新型电梯的可行性，以期为屋顶降水发电系统与电梯节能利用相结合提供参考。

1工作原理及构造

屋顶降水发电系统是利用高层建筑物储存降水进行发电和利用电梯下行发电的自然能源再利用系统，目的是为达到全部提供或补充提供电梯上行供电的作用。

设计了一种可逆式屋顶降水发电与电梯供能系统，如图1所示。

1—大楼；2—电梯轿厢；3—滑轮组件；4—缆绳；5—上蓄水池；6—下蓄水池；7—可逆式水轮发电机；8—有压管道；9—限速器；10—外接电源；11—防蒸发集雨罩；12—放水电磁阀；13—安全钳；14—厢内设置开关；15—厢外限位开关。图1　装置结构示意Fig.1　Schematic diagram of device structure

系统构造为在楼层顶部设置上蓄水池(5)，在建筑物底部附近设置下蓄水池(6)，中间以压力管道(8)相连，并在压力管道靠近地面附近设置可逆式水轮发电机(7)。当电梯下行时，轿厢(2)下落带动可逆式水轮发电机轮轴转动向上抽水至上蓄水池；当上蓄水池的补给达到正常发电水位后，水轮发电机工作，为大楼电梯运行供电。上蓄水池中水量一部分来自于屋顶降水的收集，另一部分来自于电梯下行时抽提的水量。屋顶设有防蒸发集雨罩(11)，进水口处设置有过滤装置(滤网)。当水量不足时，电梯上行所需能量可由外接电源(10)补给。

为了保证系统运行的可靠性，水轮发电机的电源输出端通过稳压器与电梯轿厢拽引机电源输入端连接，厢内设置开关与控制器的一个输入端连接，厢外限位开关与控制器的另一个输入端连接；控制器的一个输出端与放水电磁阀连接，另一个输出端与拽引机的控制端连接。在轿厢外设置有强迫减速开关，该强迫减速开关与控制器输入端连接，从而保证电梯运行的可靠性。

2节能效率分析

屋顶降水发电节能系统分为2个部分：丰水期降水较多时，达到发电水位可直接供给电梯运行；枯水期降水较少时，当上蓄水池蓄水量无法由降水补充时，可利用电梯运行过程中电梯下行带动水泵补充上蓄水池水量，当达到发电水位时可供给电梯部分运行使用。各部分运行产能及节能效率计算如下。

水轮发电机的出力(N水)[9-12]：

N水=9.81ηsQH

式中：ηs为水轮发电机效率，%；Q为水轮发电机引用流量，ms3；H为发电水头，m，由于上蓄水池水位变化小于总水头的5%，故水头变化影响可忽略。

收集降水的发电量(E水)：

E水=N水·ts=9.81ηsW水H

式中：W水为收集降水体积，m3；ts为水轮发电机利用雨水发电的工作时间，h。

电梯耗能(E)：

E=ηdPtd

式中：ηd为电梯使用率，%；P为电梯电机功率，kW，td为电梯工作时间，h。

电梯下行提水发电量(E水d)：

E水d=ηsηbηjE

式中：ηb为水泵效率，%；ηj为传动装置效率，%。

枯水期装置节能效率(η枯)：

η枯=E水dE=ηsηbηj

丰水期装置节能效率(η丰)：

η丰=(E水+E水d)E

3节能效果案例分析

以福州市某个楼顶面积为1 000 m2，楼高为54

m的写字楼为研究对象，该楼配有1台质量为1 t，运行速度为1.75 ms的电梯。

福州市的丰水期为5—7月，枯水期为1月、2月、9月、10月、12月，中水期为3月、4月、8月、11月(表1)。在其降水量充沛的3个月里(5—7月)，月平均降水量达344 mm，日平均降水量为11.5 mm。

表1　2006年福州市降水量分布

根据水文特性选取水泵型号为100D16X4(长沙自平衡多级泵厂)，该水泵效率(ηb)为0.73。为便于计算每月的雨水收集量，以月平均降水量为350 mm计，集水池面积为1 000 m2。电梯电机功率为10 kW，电梯使用率为50%。

水轮机型号通过《反击式水轮机暂行系列型谱》选得，通过HL240型水轮机等效率曲线计算表[7]得到：水轮机效率(ηs)为0.926；机械效率(ηj)为0.97。通过枯水期装置节能效率公式计算可得η枯为65.57%；丰水期装置节能效率公式计算可得η丰为66.88%；每月可收集存储降水350 m3。

4效益分析

(1)社会效益。开展城市屋顶降水收集及蓄能发电可以节约电梯运行成本，同时该装置的屋顶降水收集系统可减轻城市排水处理系统的负荷、减少水污染，削减城市洪峰流量，减轻城市内涝压力。除作为电梯供电外，在极端天气下也可作为居民临时电源，为人员转移逃生等提供条件；该装置的上下蓄水池还可作为消防保洁水源对高层建筑的消防安全起到一定的作用。因此，该系统对降低城市运作能耗，减轻城市内涝压力有着非常积极的作用，还可应用于楼宇的应急处置及消防安全中。

(2)经济效益。将抽水蓄能电站原理利用到电梯运行中，通过收集降水和轿厢势能提升水到上蓄水池储能，再通过上蓄水池泄水发电为电梯供能，从而达到节能目的。通过分析具体实例，得出丰水期节能效率可达66.88%，经济效益显著。

(3)生态效益。该装置提供了一种城市清洁能源，节约了大量水资源，防止了天然水资源的二次污染，环保效益显著。

该系统将降水供能、抽水蓄能等功能方式运用到电梯节能领域，通过建立模型试验对该节能方式的可行性、前景和推广进行综合分析表明，该系统具有节能、环保作用。将可逆式屋顶降水发电与电梯供能系统相结合，作为补充能源运用到高层建筑电梯日常运行中，有益于节省外部能量消耗，提高对自然能源的利用，降低电梯的运行费用。

5讨论

(1)为提高发电机效率还可将发电机设计为转桨式，根据上下行人数即载质量的不同改变导叶的开度，从而提高水能的利用效率，提高发电机的输出效率，使其达到最优工况。

(2)目前，绿色节能环保理念在我国越来越受到重视，通过在各方面减少能源的损耗，并将各种方式集成使用，以达到整体节能的最大效益，将是节能环保的重大趋势。下一步可将抽水蓄能节能方式与太阳能、风能配合使用，提出“节能大楼”的概念，从而减少建筑物运行时的能源消耗。

(3)进一步拓宽屋顶降水发电的应用范围，如可以在极端天气情况下，提供临时电源，为人员转移逃生等提供条件，以及蓄水池作为消防保洁水源用于高层建筑的消防安全等。

6结论

基于电梯势能利用及屋面雨水收集利用的思路，设计了高层屋面降水发电与电梯节能利用系统，通过结构设计及理论分析，并通过福州市写字楼使用的案例分析，得到屋顶降水收集发电系统与电梯运行相结合的产能供能体系的节能效率，枯水期装置节能效率为65.57%，丰水期节能效率为66.88%。该装置具有一定的社会效益、经济效益及生态效益。

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中图分类号:X382

文章编号:1674-991X(2016)02-0199-04

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

作者简介:丁泽霖(1983—)，男，博士，主要从事水工结构工程技术方面研究，dingzelin@126.com (姓名、出生年、性别、职称、学位、主要研究领域和E-mail)及责任 。

收稿日期:2015-07-01 在首页脚注处应注明，基金项目(省部级以上基金资助或其他资助项目及项目批准号)，第一