《利用现有房顶收集雨水做抽水马桶用水的节水节能设计》－第五届

《利用现有房顶收集雨水做抽水马桶用水的节水节能设计》

来源：发布时间：2007-12-29 浏览次数：669

铜奖

作品名称：《利用现有房顶收集雨水做抽水马桶用水的节水节能设计》
云南杨紫彦

作品说明

利用现有房顶收集雨水做抽水马桶用水的节水节能设计
设计：昆明第十二中学:杨紫彦
辅导教师：昆明第十二中学：杨 昆  李姌
（一）项目概况：
1．在现有房屋顶的雨水流下口处建一个雨水收集箱，里面安装一个小型水泵，一个球型开关，当雨水流入其中超过一定水位时，就会由球阀启动水泵开关，把雨水泵入房顶的蓄水池或小区集中蓄水池中贮存起来，用于抽水马桶或清洁地面等。而当雨水太满时也可从蓄水池侧壁上部的溢水口流走； （见图1，图2）
2．在现有房屋顶上设计的这个蓄水池必须与自来水池相通，两个蓄水池之间安一个单向阀，当雨水蓄水池水位过高而自来水池中的水位低时，雨水池中的水不能流入自来水池，而当雨水蓄水池水位过低时自来水池中的水可以通过单向阀流入雨水蓄水池（此雨水蓄水池作为抽水马桶专用水池）。这样，既不影响抽水马桶用水，又节约了大量宝贵的自来水，再在雨水蓄水池上部设计一个溢水口和一个球型开关，当雨水到达一定水位时，球型开关启动，切断水泵电源，太满时还可从溢水口流走。（见图3）
3．由于许多房顶屋面不平，雨水不能流入固定的下水口或有多个下水口，可在各下水口处安装低于屋面的积水管道通入位于房屋侧面的雨水收集箱中，让所有雨水环流到雨水收集箱内。
4．因现有房顶在蓄积雨水过程中会带有灰尘、昆虫、树叶等杂质，长时间储存会变质发臭，为避免房顶蓄积的雨水变质，在雨水收集箱中和屋顶蓄水池中可加入滤网和缓释净水剂。
5．由于我国各地降雨量差异很大，各地在采用此技术时，应根据各地降雨量来测算，修建相应容积的雨水蓄水池。具体计算方法主要考虑日降水量与年降水量。（见本文七、各地降雨量及建议水箱容积参照表）
6．旧有房屋在修建雨水蓄水池应考虑房屋的屋顶承受力，新建房屋可在设计时就考虑此需要，瓦顶房的雨水可收集在屋旁的专用水池内，学校、工厂、机关、小区等大型屋顶的雨水可收集到屋顶蓄水池或专用水池里用于抽水马桶或绿化浇灌等。
7．一些高层建筑在上几层中由于没有设卫生间，可把房顶雨水直接接入下几层的卫生间的蓄水池中，这样还可减少水泵的投资及电费的投入，更具环保效应。
8．此设计在南方降雨量多的地区已完全可以满足抽水马桶的用水需求，节约大量的自来水，在北方及西部降雨量小的地区虽不能满足抽水马桶的用水需求，但可减轻城市及农村的供水压力，对干旱缺水的西北地区应更具环保效应。
（二）项目适用范围：
此设计适用城市平顶房、斜面屋顶房、农村瓦房等。
（三）设计预算：（按1200毫米降雨量、150平方米屋顶计算）
1．	一台60瓦水泵：            70.00元；
2．	一个11.5立方米容积的蓄水池：1120.00元；
3．	一个0.6立方米容积的蓄水箱：120.00元；
4．	50米2.5ф厘米的塑料水管：30.00元；
（此投资可把现有的雨水下水管费用抵入）
5．	10米2.5ф厘米的镀锌水管：80.00元。
共计：1420.00元。
按目前昆明市的自来水价每立方米1.25元计算，可收集雨水为降雨总量的80%计算，每年可节约水费为150㎡*1200㎜（降雨量）/1000*80%（可收集雨量）*1.25元=180元，设备的使用寿命为16年，可产生的总收益为180元*16年 = 2880元，投资回报率可达87%。即使刨去投资利息和管理费用也是收益极大的一个项目，而且此设备的管理可纳入屋业管理部门统一管理，还可进一步降低管理费用。
如按经营性行业水费1.9元/吨计算，此设计的效益则为150㎡*1200㎜（降雨量）/1000*80%（可收集雨量）*1.9元*16年 = 4377.6元，投资回报率可达184%。而在机关、学校、厂矿等地，没有生活用水，只有公共卫生间系统的地方，水费为1.6/吨，采用此设计，节约的水费将会更多，投资回报率也会更高。
即使按北京降雨量只有645毫米算，水费为每立方米2.60元计算，此项目可产生的总收益则也为150㎡*645㎜（降雨量）/1000*80%（可收集雨量）*2.6元（水费单价）*16年=3219.84元，投资回报率也可达100%以上。
在一些水价较高、降雨量更大和实行惩罚性收费的城市，如大连水费为6.00元/立方米，广州水费为3.20元/立方米，每年节约的水费会更高。从生态和环保的长远角度看，此设计扩大了城市居民用水来源，产生的价值不可估量。在已严重缺水、定量供水的城市，此设计却更具生态环保价值，是不可缺少的。
附：屋顶雨水收集使用示意图
                   （2）小水箱剖面水泵接通电路图
（3）蓄水池切断水泵电路图
电路前加一个小灯可以看到电路是否接通。右边的开关相当于小水箱的开关，一开始处于断开状态。
（四）设计原理
（1）．在小蓄水箱中。如图2所示C和A相当于一个开路的开关，C，A为触点。一开始没有接触，属于断开状况。当蓄水池中水上涨时，漂浮物B也随之上升，当上升到一定高度时抬升D，由于杠杆原理触点C下降，与A点接触形成闭和电路。水泵电源接通，这时小水泵开始抽水。当水位下降时漂浮物B也下降。这时D点也随之下降，同样由于杠杆原理，C点将离开A上升。这时电源断开，小水泵停止抽水。由于一抽水水位就下降，这样电源会才接通马上就断开，所以在电路中加入一个延时继电器。根据水箱的大小和水泵的功率，计算出水位的下降高度。然后，就可以通过延时继电器来控制抽水的时间。这样即使水位下降后，过一段时间，把水抽到一定的量才会断电。
（2）在大蓄水池中：如图3所示A、B相当于开关的触点。但一开始处于闭和状态，当水泵把水抽到大蓄水池中，大蓄水池水位上升，这时漂浮物B也随之上升抬高C。同样由于杠杆原理C抬升而D就下降，A和B构成的闭和电路短开，这时就算图2的C、A闭和电路也不能接通。所以小水泵停止抽水。同理，当水位下降时小水泵又开始工作。
（3）目前用最新的技术水位控制器可更简便的完成以上构想。（模型已采用此技术）。
[注意：1水箱设计要考虑墙面的承受能力。房顶的出水口很多，可用接水管把每个出水口的水导流到水箱中。
2水箱及屋顶蓄水池可设计成圆形，以减少材料增加容积。考虑到安装的简便，也可设计成半圆型，既美观又省材。]
注：此模型可采用220伏交流和太阳能电池带动水泵进行抽水演示
以上设计因其对节约用水、节约能源、保护环境的实际作用已准备向云南省专利局提出了专利申请，并建议有关部门向全国推广，以尽快造福人类。

发明小故事

 《利用现有房顶收集雨水做抽水马桶用水的节水节能设计》
                      设计：昆明第十二中学:杨紫彦 辅导教师：杨 昆  
    目前水资源缺乏已成为世界性的问题，中国的缺水状况更加严重，特别是中西部地区，而浪费水资源最严重的则是抽水马桶，国家现也号召建立节约型社会，学校也号召建设节约型校园和节约型班级，为解决这一问题我们提出了以下设想：
    把屋顶各个雨水排放管流下的雨水设一雨水收集箱收集起来，再在屋顶上建一个专门储存雨水的蓄水池，通过自动水泵将雨季的降水从雨水收集箱泵入屋顶雨水蓄水池，和小区中水系统连接，然后再由雨水蓄水池通入各家抽水马桶使用，扩大用水来源。
    此设计按目前昆明市的自来水价每立方米1.25元计算，可收集雨水为降雨总量的80%计算，每年可节约水费为150㎡*1200㎜（降雨量）/1000*80%（可收集雨量）*1.25元=180元，设备的使用寿命为16年，可产生的总收益为180元*16年 = 2880元，投资回报率可达87%。即使刨去投资利息和管理费用也是收益极大的一个项目，而且此设备的管理可纳入屋业管理部门统一管理，还可进一步降低管理费用。
如按经营性行业水费1.9元/吨计算，此设计的效益则为150㎡*1200㎜（降雨量）/1000*80%（可收集雨量）*1.9元*16年 = 4377.6元，投资回报率可达184%。而在机关、学校、厂矿等地，没有生活用水，只有公共卫生间系统的地方，水费为1.6/吨，采用此设计，节约的水费将会更多，投资回报率也会更高。
即使按北京降雨量只有645毫米算，水费为每立方米2.60元计算，此项目可产生的总收益则也为150㎡*645㎜（降雨量）/1000*80%（可收集雨量）*2.6元（水费单价）*16年=3219.84元，投资回报率也可达100%以上。
    在一些水价较高、降雨量更大和实行惩罚性收费的城市，如大连水费为6.00元/立方米，广州水费为3.20元/立方米，每年节约的水费会更高。从生态和环保的长远角度看，此设计扩大了城市居民用水来源，产生的价值不可估量。在已严重缺水、定量供水的城市，此设计却更具生态环保价值，是不可缺少的。
    此设计还具有很好的远期生态效应
    在雨季大量使用雨水做抽水马桶用水可降低自来水厂处理自来水的费用，因雨季的时候大量的雨水及地表径流在流入水库、江河等自来水水源的过程中，带有大量的泥沙及杂质，水质较浑浊，自来水厂为达到饮用标准就必须进行处理，如：加入净化剂、漂白粉、进行沉淀占用蓄水池等，这样势必增加成本。而水库、江河等自来水水源在非雨季时经过半年左右的自然沉淀后，能自然净化。经过自然净化的自来水水源处理成本就可大大降低。而且，由于屋顶收集了雨季的大量降水，还可以减轻城市中一些地段雨季洪水暴涨影响交通的状况，如：昆明市的北站隧道、书林街等地，如周围建筑屋顶都加装了此设计，就可有效降低流入路面的雨水，减轻对雨季洪水暴涨对交通的影响。