王娅 高扬 彭玲艳 陈洪浩 殷艳娇
华北电力大学河北保定071000
摘要 社会发展迅速，楼层增高。高楼供水多采用二次供水模式，目前，高楼利用雨水势能的方式主要是让雨水带动水轮机进行发电。为了减少二次供水的耗电量，缓解供水能耗大的现状需设计一种与现有供水系统相结合的只利用雨水势能的纯管路辅助供水系统。该系统在楼层顶部收集雨水（在标准限重之内），利用雨水的势能作为原动力进行供水。有效地降低了耗电量，缓解供水能耗大的问题。我国南方一年四季降雨量大，该套系统用于高楼供水，起到了无能耗、零污染的节能和减排的效果，能对雨水水利能进行开发利用，是传统水利能开发利用的有效补充。
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关键词 高楼供水；雨水势能；节能减排；高楼辅助供水
1 高楼辅助供水系统基本介绍
1.1 供水系统介绍
一级供水系统主要由下行管、气液分离装置、输气管、压水管、安全阀、压水细管、净水箱等组成。12 根压水细管置于压水管粗管管道内部，净水箱是传统供水系统中就设有的。
整个供水过程分为两个步骤：
淤在楼层顶部收集一定量的雨水，打开阀门，雨水顺下行管流动，当到达进气口的位置时卷吸进大量气体。气体随水流流动过程中被分解成大量的小气泡。气泡随水流下行，到达管道底部，由于管道转折，管径突增，水流流速减缓，大量小气泡汇合成大气泡，上浮形成高压气体。在整个过程中，水流的动能转化成气体的压能。
于形成的高压气体经输气管、压水管粗管道进入净水箱，在压水管细管道中形成段塞流，将净水压入更高一级的水箱之中。注：雨水只是用来获得高压气体的媒介，且由于是分级设计，雨水将会被反复利用，多次裹挟气体，然后利用高压气体进行供水。
1.2 与传统供水系统结合
目前高层建筑二次给水模式中各分区均设有水泵和水箱，上区的水泵从下区的水箱中抽水。居民楼低层用户（一般为5-6 层）供水可以直接靠管网的压力，但高层需设二次供水水箱，二次供水模式为：利用水泵将高位水池中的水压入更高一级的高位水池。当水池蓄水达到一定量以后，向两水池之间的楼层用户供水。通常，每10层左右就会设一个高位水池。
笔者将高层居民楼每10 层划分为一级，通过高位水池将该辅助供水系统与传统供水系统相结合，多级模式可以对雨水进行反复利用，多次裹挟气体，产生足够多的高压气体进行供水，可以充分利用雨水势能，减少高楼供水能耗，缓解供水压力。
2 高楼辅助供水系统工作原理
2.1 下行管工作原理
雨水顺下行管流出，在进气口处，雨水会卷吸进大量的气体，气体顺管道流动的过程中被分解为大量的小气泡，在这个过程中，水流把动能传递给了气体，变成了压能。
水中气泡的运动方式及获能情况取决于自身受力，下面从微观上对单个气泡的受力情况进行说明：
设气泡半径为rb，气泡相对于水的浮升速度为V，下行管中水下降速度为u，水的密度为籽w，动力粘度为滋w，空气的密度为籽a，g 为重力加速度。则气泡受到三个力的作用，即向上的浮力、向下的重力及粘性阻力。假定气泡为球形，则气泡所受浮力为：
关于气泡受到的粘性阻力，假设气泡在水中上升（或气泡静止，水以速度V 向下运动）时，忽略该气泡在气泡群中会受到靠近它或远离它的气泡的影响，并设其运动状况处于滞区域，则阻力为
显然，若气泡所受浮力大于所受重力与阻力之和，则气泡向上运动与水分离；反之则气泡随着水向下运动；若等于，此时u=V，气泡处于极限的分离状态，此时气泡的速度称为临界速度，记为ucf。这时
由式(5)可知，下行管中向下流动的水携带的气泡的大小与水下降速度有关，水下降速度越大，携带的气泡就越大，气体的量越多。
2.2 气液分离装置工作原理
和空气两相流从下行管流出进入气液分离装置，在气液分离装置入口处速度方向发生90毅急剧变化，管径突增，水流减缓，小气泡溢出汇合成大气泡，且入口流道做成渐扩形状，分离后的空气将动能转化为压能，速度降低，压力升高，形成高压气体。
2.3 压水管工作原理
在流动体系中，只存在气体和液体两相物质的叫气液两相流。实验研究表明，垂直上升管中的气液两相流基本流型有五种：泡状流、段塞流、搅拌流、缕状环形流和分散环形流。
段塞流的特点是：气液交替流动，充满整个管道流通面积的液塞被气团分割，形成气柱———液柱的模式。
在本装置中它的形成机理及条件：当高压气体被导到压水粗管道中，在压水粗管道底部处的液体阻碍气体的流动，气体被迫进入压水细管，由于管径突然变细，使气体流速增加，带液能力增强，气体含液率迅速大幅增加，在细管中形成段塞流，由于伯努利效应，此时液面处压力下降，所以气体能持续不断进入，形成连续“压”水的段塞流。
压水机理：段塞流中每一段气柱相当于一个气体活塞，气柱内部的压力大于与他紧邻的一小段微元液柱的重力和向下的摩擦力之和，则液柱所受的合力向上，产生向上的加速度，使净水箱中的水不断被气柱活塞压到高处，当管道压力足以举升细管内的液柱时，液体开始由细管顶部排出。起初排液速度较低，当气体串入细管后液体加速，在很短时间内液体流最达到峰值流盆(常为平均流量的几倍)。即使气压不大，所能压上的净水流量也是平均流量的数倍。最后，液塞上游积聚的气体极快排出压水细管，细管内气体流速减小，管道压力下降，又开始新一轮循环，进行持续供水。
基金项目
本论文受大学生创新创业训练计划项目资助。