基于管道水輪機的住宅空氣凈化系統

馬曉杰+王健+趙康成

【摘要】 為應對日益嚴重的環境污染以及能源短缺問題，系統利用高樓生活用水的水勢能，以及樓頂雨水采集裝置收集的雨水的水勢能為能量來源，推動水輪機帶動發電機進行發電，產生的電能供空氣凈化器使用，空氣凈化器一方面采用纖維狀活性炭濾網以及靜電濾塵網對空氣進行靜電集塵式凈化，能有效吸附空氣中的懸浮粒子，另一方面采用高壓放電產生負氧離子對空氣凈化，能有效殺菌，改善室內環境。本系統開發利用了高樓住宅的水勢能，由此產生的電能用來凈化空氣，將對節能減排和環境凈化產生積極的影響。

【關鍵詞】 PM2.5 重力勢能 水力發電 靜電集塵 負氧離子

一、研制背景及意義

隨著中國進入高速發展的機遇期，高新技術得到了全面的發展，人民的生活水平得到了顯著提高。然而隨之也產生了很多問題，最為突出的是環境污染和能源短缺問題。近年來，大氣污染日益嚴重，PM2.5引發了各種呼吸道疾病，對人體健康產生了巨大威脅。室外，工業生產、交通尾氣等成為影響大氣質量的主要因素；室內硫酸氣體，氯氧化物及各種有機物質的沉淀同樣影響著人體健康。因而，空氣凈化器逐漸得到居民的青睞，然而市場上空氣凈化器價格昂貴，不適合廣泛推廣。此系統凈化器價格低廉，又能確保凈化功能，利用高壓進行靜電集塵，再經過濾塵網吸附微粒污染物，并且能釋放出負氧離子，能有效清除空氣中的陽離子煙霧，從而保持室內空氣干凈而新鮮。當前，化石能源仍是主要能源，但因燃燒化石能源導致的全球變暖和空氣污染問題日益嚴重，為了減少對環境的破壞，本系統利用高樓層的水勢能發電，不僅有效地利用了能源，更減少了化石能源的燃燒，保護了環境。

二、設計方案

2.1 工作原理

2.1.1 水力發電的工作原理[3]

利用高樓層的水勢能，由水流推動水輪機，水輪機帶動發電機發電，產生的電能由蓄電池儲蓄，存儲的電能將為空氣凈化系統提供電能。

2.1.2 靜電除塵的工作原理[4]

利用發電部分的能源，在逆變器作用下將直流電轉化為交流電，再通過高壓包產生6000V～8000V高壓電，使放電極金屬尖端處于高壓狀態，產生強大的靜電場，空中微塵被靜電場極化，在電場和風扇作用下作定向移動，再在其移動的路徑中放一薄膜，過濾被吸附的微塵，從而達到除塵作用。

2.1.3 負氧離子凈化的工作原理[4]

本設計利用高壓進行靜電集塵的同時，又能釋放出負氧離子，負氧離子具有十分活潑的化學特性，它能迅速與空氣中其它化合物結合，使其形成新形態的氧化物，進而使某些氣態物質轉化為晶態物達到凈化空氣目的。本產品在將有害臭氧轉化成陰離子氧氣的過程中能產生水，因而本產品又有調節濕度的功能。

2.2 系統方案

2.2.1 系統流程圖，如圖1所示

2.2.2 空氣凈化器原理圖[1，2]，如圖2所示

2.3 理論計算

2.3.1 前述

北京的降水量： （1）北京的氣候為典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，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，為華北地區降雨最多的地區之一，山前迎風坡可達700毫米以上。（2）降水季節分配很不均勻，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 統計數據部分

以北京為例，以下是對北京各小區用水量以及降水量的調查表[5]：

表1反映了小區性質和小區戶數。

表2反映了人們在不同時期用水量的差異，根據此差異可調整發電機工作時間，使發電機的工作效率達到最大，達到充分利用水勢能產生的電能。

表3反映了小區內人均用水量，也反映了北京的人均用水量，根據此表可大致算出高樓內生活剩水的總勢能，以及其產生的電能。

表4反映了從1988年到2005年北京年降水量數據表，可由此計算出降水的質量。

2.3.3 計算

由數據統計部分的表格可知，小區居民日均用水量為0.32T每天每戶。調查住宅樓平均為9層，則樓高的一半為15m。

那么，每天生活用水可產生的重力勢能為：

W重=m×g×h=47040J

按每棟樓2*9戶人家計算，則整棟樓的總的水勢能為：

W總=W重×18=846720J

則一年可產生的總能量為：

W年=W總×365=309052800J

又從上可知，北京日降雨量為1.82mm，北京居民樓一層平均為400m2，則降水的體積和質量分別為：

V=L×S=546L

M=0.546T

雨水總勢能為：

W雨水重=m雨水×g×h=16024J

一年雨水產生的能量為

W雨水年=W雨水重×365=5848760J

總能量為

W總=W雨水年+W年=314901560J

忽略其他能量損耗，總能量可讓20W，效率為0.8一年中工作的時間為

t=■=3498.9h

三、總結

該系統開發利用了高樓生活用水以及樓頂雨水的重力勢能來發電，體現了可持續發展的理念，并對空氣凈化器進行了必要的改進，使其能夠高效的凈化空氣。若能將該系統應用于更高樓層，增大發電機的功率，將獲得可觀的電能，本系統的深入研究將為可持續發展和空氣凈化探索一條革新之路。

【摘要】 為應對日益嚴重的環境污染以及能源短缺問題，系統利用高樓生活用水的水勢能，以及樓頂雨水采集裝置收集的雨水的水勢能為能量來源，推動水輪機帶動發電機進行發電，產生的電能供空氣凈化器使用，空氣凈化器一方面采用纖維狀活性炭濾網以及靜電濾塵網對空氣進行靜電集塵式凈化，能有效吸附空氣中的懸浮粒子，另一方面采用高壓放電產生負氧離子對空氣凈化，能有效殺菌，改善室內環境。本系統開發利用了高樓住宅的水勢能，由此產生的電能用來凈化空氣，將對節能減排和環境凈化產生積極的影響。

【關鍵詞】 PM2.5 重力勢能 水力發電 靜電集塵 負氧離子

一、研制背景及意義

隨著中國進入高速發展的機遇期，高新技術得到了全面的發展，人民的生活水平得到了顯著提高。然而隨之也產生了很多問題，最為突出的是環境污染和能源短缺問題。近年來，大氣污染日益嚴重，PM2.5引發了各種呼吸道疾病，對人體健康產生了巨大威脅。室外，工業生產、交通尾氣等成為影響大氣質量的主要因素；室內硫酸氣體，氯氧化物及各種有機物質的沉淀同樣影響著人體健康。因而，空氣凈化器逐漸得到居民的青睞，然而市場上空氣凈化器價格昂貴，不適合廣泛推廣。此系統凈化器價格低廉，又能確保凈化功能，利用高壓進行靜電集塵，再經過濾塵網吸附微粒污染物，并且能釋放出負氧離子，能有效清除空氣中的陽離子煙霧，從而保持室內空氣干凈而新鮮。當前，化石能源仍是主要能源，但因燃燒化石能源導致的全球變暖和空氣污染問題日益嚴重，為了減少對環境的破壞，本系統利用高樓層的水勢能發電，不僅有效地利用了能源，更減少了化石能源的燃燒，保護了環境。

二、設計方案

2.1 工作原理

2.1.1 水力發電的工作原理[3]

利用高樓層的水勢能，由水流推動水輪機，水輪機帶動發電機發電，產生的電能由蓄電池儲蓄，存儲的電能將為空氣凈化系統提供電能。

2.1.2 靜電除塵的工作原理[4]

利用發電部分的能源，在逆變器作用下將直流電轉化為交流電，再通過高壓包產生6000V～8000V高壓電，使放電極金屬尖端處于高壓狀態，產生強大的靜電場，空中微塵被靜電場極化，在電場和風扇作用下作定向移動，再在其移動的路徑中放一薄膜，過濾被吸附的微塵，從而達到除塵作用。

2.1.3 負氧離子凈化的工作原理[4]

本設計利用高壓進行靜電集塵的同時，又能釋放出負氧離子，負氧離子具有十分活潑的化學特性，它能迅速與空氣中其它化合物結合，使其形成新形態的氧化物，進而使某些氣態物質轉化為晶態物達到凈化空氣目的。本產品在將有害臭氧轉化成陰離子氧氣的過程中能產生水，因而本產品又有調節濕度的功能。

2.2 系統方案

2.2.1 系統流程圖，如圖1所示

2.2.2 空氣凈化器原理圖[1，2]，如圖2所示

2.3 理論計算

2.3.1 前述

北京的降水量： （1）北京的氣候為典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，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，為華北地區降雨最多的地區之一，山前迎風坡可達700毫米以上。（2）降水季節分配很不均勻，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 統計數據部分

以北京為例，以下是對北京各小區用水量以及降水量的調查表[5]：

表1反映了小區性質和小區戶數。

表2反映了人們在不同時期用水量的差異，根據此差異可調整發電機工作時間，使發電機的工作效率達到最大，達到充分利用水勢能產生的電能。

表3反映了小區內人均用水量，也反映了北京的人均用水量，根據此表可大致算出高樓內生活剩水的總勢能，以及其產生的電能。

表4反映了從1988年到2005年北京年降水量數據表，可由此計算出降水的質量。

2.3.3 計算

由數據統計部分的表格可知，小區居民日均用水量為0.32T每天每戶。調查住宅樓平均為9層，則樓高的一半為15m。

那么，每天生活用水可產生的重力勢能為：

W重=m×g×h=47040J

按每棟樓2*9戶人家計算，則整棟樓的總的水勢能為：

W總=W重×18=846720J

則一年可產生的總能量為：

W年=W總×365=309052800J

又從上可知，北京日降雨量為1.82mm，北京居民樓一層平均為400m2，則降水的體積和質量分別為：

V=L×S=546L

M=0.546T

雨水總勢能為：

W雨水重=m雨水×g×h=16024J

一年雨水產生的能量為

W雨水年=W雨水重×365=5848760J

總能量為

W總=W雨水年+W年=314901560J

忽略其他能量損耗，總能量可讓20W，效率為0.8一年中工作的時間為

t=■=3498.9h

三、總結

該系統開發利用了高樓生活用水以及樓頂雨水的重力勢能來發電，體現了可持續發展的理念，并對空氣凈化器進行了必要的改進，使其能夠高效的凈化空氣。若能將該系統應用于更高樓層，增大發電機的功率，將獲得可觀的電能，本系統的深入研究將為可持續發展和空氣凈化探索一條革新之路。

【摘要】 為應對日益嚴重的環境污染以及能源短缺問題，系統利用高樓生活用水的水勢能，以及樓頂雨水采集裝置收集的雨水的水勢能為能量來源，推動水輪機帶動發電機進行發電，產生的電能供空氣凈化器使用，空氣凈化器一方面采用纖維狀活性炭濾網以及靜電濾塵網對空氣進行靜電集塵式凈化，能有效吸附空氣中的懸浮粒子，另一方面采用高壓放電產生負氧離子對空氣凈化，能有效殺菌，改善室內環境。本系統開發利用了高樓住宅的水勢能，由此產生的電能用來凈化空氣，將對節能減排和環境凈化產生積極的影響。

【關鍵詞】 PM2.5 重力勢能 水力發電 靜電集塵 負氧離子

一、研制背景及意義

隨著中國進入高速發展的機遇期，高新技術得到了全面的發展，人民的生活水平得到了顯著提高。然而隨之也產生了很多問題，最為突出的是環境污染和能源短缺問題。近年來，大氣污染日益嚴重，PM2.5引發了各種呼吸道疾病，對人體健康產生了巨大威脅。室外，工業生產、交通尾氣等成為影響大氣質量的主要因素；室內硫酸氣體，氯氧化物及各種有機物質的沉淀同樣影響著人體健康。因而，空氣凈化器逐漸得到居民的青睞，然而市場上空氣凈化器價格昂貴，不適合廣泛推廣。此系統凈化器價格低廉，又能確保凈化功能，利用高壓進行靜電集塵，再經過濾塵網吸附微粒污染物，并且能釋放出負氧離子，能有效清除空氣中的陽離子煙霧，從而保持室內空氣干凈而新鮮。當前，化石能源仍是主要能源，但因燃燒化石能源導致的全球變暖和空氣污染問題日益嚴重，為了減少對環境的破壞，本系統利用高樓層的水勢能發電，不僅有效地利用了能源，更減少了化石能源的燃燒，保護了環境。

二、設計方案

2.1 工作原理

2.1.1 水力發電的工作原理[3]

利用高樓層的水勢能，由水流推動水輪機，水輪機帶動發電機發電，產生的電能由蓄電池儲蓄，存儲的電能將為空氣凈化系統提供電能。

2.1.2 靜電除塵的工作原理[4]

利用發電部分的能源，在逆變器作用下將直流電轉化為交流電，再通過高壓包產生6000V～8000V高壓電，使放電極金屬尖端處于高壓狀態，產生強大的靜電場，空中微塵被靜電場極化，在電場和風扇作用下作定向移動，再在其移動的路徑中放一薄膜，過濾被吸附的微塵，從而達到除塵作用。

2.1.3 負氧離子凈化的工作原理[4]

本設計利用高壓進行靜電集塵的同時，又能釋放出負氧離子，負氧離子具有十分活潑的化學特性，它能迅速與空氣中其它化合物結合，使其形成新形態的氧化物，進而使某些氣態物質轉化為晶態物達到凈化空氣目的。本產品在將有害臭氧轉化成陰離子氧氣的過程中能產生水，因而本產品又有調節濕度的功能。

2.2 系統方案

2.2.1 系統流程圖，如圖1所示

2.2.2 空氣凈化器原理圖[1，2]，如圖2所示

2.3 理論計算

2.3.1 前述

北京的降水量： （1）北京的氣候為典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，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，為華北地區降雨最多的地區之一，山前迎風坡可達700毫米以上。（2）降水季節分配很不均勻，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 統計數據部分

以北京為例，以下是對北京各小區用水量以及降水量的調查表[5]：

表1反映了小區性質和小區戶數。

表2反映了人們在不同時期用水量的差異，根據此差異可調整發電機工作時間，使發電機的工作效率達到最大，達到充分利用水勢能產生的電能。

表3反映了小區內人均用水量，也反映了北京的人均用水量，根據此表可大致算出高樓內生活剩水的總勢能，以及其產生的電能。

表4反映了從1988年到2005年北京年降水量數據表，可由此計算出降水的質量。

2.3.3 計算

由數據統計部分的表格可知，小區居民日均用水量為0.32T每天每戶。調查住宅樓平均為9層，則樓高的一半為15m。

那么，每天生活用水可產生的重力勢能為：

W重=m×g×h=47040J

按每棟樓2*9戶人家計算，則整棟樓的總的水勢能為：

W總=W重×18=846720J

則一年可產生的總能量為：

W年=W總×365=309052800J

又從上可知，北京日降雨量為1.82mm，北京居民樓一層平均為400m2，則降水的體積和質量分別為：

V=L×S=546L

M=0.546T

雨水總勢能為：

W雨水重=m雨水×g×h=16024J

一年雨水產生的能量為

W雨水年=W雨水重×365=5848760J

總能量為

W總=W雨水年+W年=314901560J

忽略其他能量損耗，總能量可讓20W，效率為0.8一年中工作的時間為

t=■=3498.9h

三、總結

該系統開發利用了高樓生活用水以及樓頂雨水的重力勢能來發電，體現了可持續發展的理念，并對空氣凈化器進行了必要的改進，使其能夠高效的凈化空氣。若能將該系統應用于更高樓層，增大發電機的功率，將獲得可觀的電能，本系統的深入研究將為可持續發展和空氣凈化探索一條革新之路。