文章通過模型設計制作和理論計算分析，研究高樓雨水的收集方法和利用方式，設計出一套收集和利用高樓雨水的系統。結果表明：高樓雨水收集利用系統可以有效收集樓層表面的雨水，并將雨水的重力勢能通過水輪發電機轉換為電能，亦可對發電后的雨水再次收集，二次利用。在南方降雨充沛的地區廣泛應用此系統，可以充分利用雨水資源，節約電能和自來水，解決部分城市水資源短缺問題，并可以起到保護環境的作用。

我國人均可利用的淡水資源少，被列為世界13個貧水國家之一，水資源的供求矛盾已成為制約我國未來發展的重要因素，缺水已成為不爭的事實。收集和利用高樓雨水，不僅可以充分利用雨水資源，緩解我國的缺水問題，而且可以將雨水的重力勢能轉化為電能，節約電能資源，保護環境。

1 工作原理

將落在高樓樓頂的雨水收集后，使其集中落下，通過發電機將雨水的重力勢能轉為電能。發電后的雨水匯集到樓底的蓄水池中，可用作非生活用水。

2 系統概述

該系統主要由集雨裝置、過濾器、流通管道、水輪發電機、蓄電裝置、蓄水池等部分組成。雨水經過濾器匯集到集雨裝置中，當水位達到一定高度時，浮標式閥門開啟，雨水沖擊水輪發電機葉片發電，水位下降到一定高度時，閥門關閉，繼續蓄水。樓底有蓄水池，可將雨水收集，二次利用。

3 方案設計

3.1 集雨裝置

樓頂的地板在設計時都具有一定的斜度，以便雨水依靠重力流入排水管道，并且裝有多個排水管道分流。用水管將各個排水管道連接在一起，再連接一個大水箱，以便將雨水都匯集到水箱中。在水箱的底部連接流通管道，并在接口處安裝浮標式自動閥門。當水箱中的水位達到一定高度時，閥門開啟，雨水流入流通管道；當水箱中的水位低于一定高度時，閥門關閉，雨水匯集到水箱中。這種集雨裝置不僅能防止雨水較小時，流通管道中雨水流量小、不連續而影響發電效率，而且能防止雨水較大時，樓頂出現積水，損壞樓頂。

3.2 過濾

雨水過濾是使雨水通過濾料或多孔介質，以截留水中的懸浮物質，從而使雨水凈化的物理處理法。可以采用表面過濾中的粗濾方法，利用篩網或類似的帶孔眼材料為過濾介質，截留的顆粒約在0.1mm以上，通過的介質很小，不會對水輪發電機造成損壞。過濾器的成本便宜，可在各排水管道的入口處加裝過濾器。

3.3 流通管道

流通管道可利用高樓原有的排水管道改造，將安裝水輪發電機的部分做成可拆卸的，便于發電機的安裝和維修，也應盡可能選擇內壁較光滑的水管，以減小雨水流下時受到的摩擦阻力，提高發電效率。

3.4 水輪發電機

根據物理知識可算得雨水自由下落15m時的速度約為17m/s，若流通管道的直徑為6cm，則根據流量公式：

式中：

可算得水輪發電機處的雨水流量為0.002m3/s，且水頭為15m，所以應選擇小流量高水頭水輪發電機。又因水輪發電機所需功率小、轉速低，因此可選擇額定功率為300W、額定轉速為300r/min的斜擊式單相永磁同步交流水輪發電機。水輪發電機在流通管道中每隔15m安裝一臺，以滿足水輪發電機的工作要求。

3.5 蓄電裝置

蓄電池具有可多次充電、放電，反復使用，壽命長等優點，所以本系統中選擇蓄電池作為蓄電裝置。根據不同類型蓄電池的特點，可以選擇固定型閥控密封式鉛酸蓄電池，其所需維護工作量極小，便于安裝，使用壽命5～8年，價格也便宜。若系統對直流電壓有要求，可將蓄電池串聯；若系統對總電量有要求，可將蓄電池并聯；若系統需要輸出交流電，可用逆變器變換。此外，也可將蓄電池與電壓感應開關連接，當蓄電池電壓小于某一值時，電壓感應開關便會將用電裝置轉換到普通供電線路上。

3.6 蓄水池

蓄水池設置在樓底，可將發電后的雨水再次收集起來，用來建設觀賞水景、澆灌花草樹木、沖刷路面等，這樣可以節約大量的自來水，有利環保。

4 理論分析

假設浙江省一座高60m、樓頂面積2000m2的高樓安裝有此系統，根據浙江省2010年平均年降水量1760.6mm，則該年此雨水收集系統在此樓匯集的雨水總質量、雨水總勢能和總發電量可以表示為：

式中：

經計算可得：m=3.52×106kg，E=2.07×109J，W=362kW·h，即該系統每年可節約自來水3520m3，可產生電能362kW·h。假設我國南方地區有1000座高樓安裝此系統，則每年可發電362000度，可節約自來水3520000m3。

5 實驗結果及數據分析

為驗證理論分析的正確性，通過模型對雨水發電部分進行了多次實驗，結果如表1所示：

由實驗結果可知，雨水發電的平均效率為53.04%，低于資料查到的70%。發電效率低，可能由于模型制造粗糙、小型發電機效率低等因素引起，成型產品可以達到70%的發電效率。

6 結語

本系統利用天然雨水發電，既合理利用了自然資源，又將發電后的雨水收集起來二次利用，結構簡單，易于在原有的管道設施上改造，并且只需定期維護即可，不但節約能源，而且環保、實用，特別適合降水充沛的南方地區。