尚永濤 曹梁文 李德海 孫金榜 楊柳崴

(蘭州理工大學土木工程學院，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用戶最不利帶點的水壓確定，由于建筑內部存在樓層間高差，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，水壓不均衡將導致用水點出水不均勻。較低樓層的管道中經常由于水壓過大導致水管炸裂，并且水龍頭等設施也會受到相應的損害，這些使供水管道及水龍頭等設備的更換頻率提高，增大了供水設施的后期維護維修費用。

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置相應的減壓閥減壓。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備對于水壓的承受能力，水壓過高會對建筑內的用水設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 設計描述

2.1 實物描述

該管道式減壓產能及智能預警裝置外觀為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。在管道內部一端裝有Y型過濾器，以防止管道中的雜質對水輪機的葉輪造成破壞。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生電能，發(fā)電裝置由定子、轉子、端蓋及軸承等部件構成，由軸承及端蓋將發(fā)電機的定子、轉子連接組裝起來，使轉子能在定子中旋轉，做切割磁感線運動，從而產生感應電動勢，并且通過接線端引出，接在回路中，便產生了電流[3]。由于發(fā)電機工作的過程中會受到水流的影響，因此設有止水密封結構，使發(fā)動機隔絕水流工作，不至于影響發(fā)電機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)送產電量信息至信息采集終端。由信息采集終端對信息進行處理，從而得出管道內的流量水壓等信息，并通過這些信息實現智能預警及反饋控制，從而達到節(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致產電量的不穩(wěn)定，我們首先將發(fā)電設施產生的電能通過引線引入蓄電設施存儲起來，然后由蓄電設施直接連接用電設施，從而實現電能的穩(wěn)定傳輸。

2.3 智能預警反饋控制

該裝置同時可以實現智能預警及供水系統(tǒng)的反饋控制。在該設備中配備有一個信號發(fā)射器，以實時發(fā)送裝置產電量信息至信號接收端，在信號接收端對接收到的信息進行處理，以實現對供水管網信息的實時檢測，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，當擬合超過一定的容錯范圍時管道內則有可能發(fā)生滲漏，其次也可以判斷管道內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，達到給水系統(tǒng)信息化管理的目的，實現智能預警系統(tǒng)。而該裝置可作為信息傳輸的平臺，可根據處理后的反饋信息調節(jié)給水管網，以達到節(jié)能減排的目的。

3 理論設計計算

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扇式葉片在裝入設備之后，無法正面迎接水流而不影響水流的流轉，且無法為將水動能轉化為電能，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。

考慮軸承的機械效率為98%實際蓄電池，根據各個管徑的經濟流速，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 預期成果

通過理論產能計算，一個該裝置可以滿足2.8個應急照明設施一天的日常用電需求。本裝置在直管段內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備連接方便。其次該裝置可以實現智能預警及反饋調節(jié)，以提高給水管網信息檢測的自動化和智能化，從而實現節(jié)能減排。該裝置在發(fā)電的同時降低了給水管網中過剩的壓力，在一定程度上降低了給水管網中供水管道和水龍頭的更換頻率及維修成本。此外，由于本設計的自發(fā)電設計，亦降低了電池的損耗，在一定程度上實現綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的時代目標。

在造價方面，該產品主要由0.5 m直管段，微型發(fā)電輪機、信號發(fā)射裝置、集成電路等結構組成，總體造價成本相對較低，且能實現節(jié)能減排的目的。本產品主要任務為在盡可能節(jié)約人力資源與物質資源的前提下，實現給排水信息的檢測與管理，并且由于其安裝難度低與維護成本小等優(yōu)點，亦可以在其他應用給排水系統(tǒng)的領域應用。對于信息來源的真實性，由于該產品自身接入給排水系統(tǒng)，實時收集數據，相對于人工收集數據時易出現的人工誤差而言，機器只存在精度誤差，遂此信息來源的真實性高。由于信息收集與傳輸實時進行的性質，并且直接通過信息流并入智能預警系統(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。該設備可以提高給水系統(tǒng)在建筑信息領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“綠色建筑”。

5 創(chuàng)新點及應用

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中水壓過大引起的損害，降低了對給水管網管道及水龍頭等構件的更換頻率，從側面降低了成本。并且將這些過剩的能量轉化為了電能，供一些用電設備使用。

2)在信息檢測方面，該裝置具有對管道內部的流量信息檢測的功能，可以及時發(fā)現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平臺相結合，有利于實時監(jiān)測給水管網信息，實現給水系統(tǒng)的智能化、信息化及反饋調節(jié)。