CN103397680B - 一种全自动屋顶雨水收集净化装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动屋顶雨水收集净化装置和方法，包括初期雨水弃流装置、中后期雨水收集装置和雨水净化装置。初期雨水弃流装置包括浮块、卡槽、滑轮组、平衡桶、弃流水箱、溢流孔和弃流孔，其上部连接落水管，下部连接中后期雨水收集管道；中后期雨水收集装置包括雨水收集管道、储水箱、取水口和U型水管；雨水净化装置包括浮球、吸热托盘、太阳能集热管和集水箱，顶部为斜型太阳能聚光玻璃板，中部为吸热托盘，下部为集水箱。本发明还提供了一种雨水收集净化方法，实现无人操作和无任何电气设备控制情况下的雨水收集与净化，极大地提高了雨水资源的利用率，应用前景广阔。

Description

一种全自动屋顶雨水收集净化装置和方法

技术领域

本发明涉及一种全自动屋顶雨水收集净化装置和方法，属于集水技术领域，能在无任何电气设备控制的前提下，自动实现对屋面雨水的选择性收集与净化，整个过程无需人工操作。

背景技术

全球性水资源短缺与水体污染问题关系到粮食安全、生态安全、环境安全和经济安全，甚至生命安全，是当前亟待解决的重大问题。根据水利部官方统计，我国当前水资源短缺情况十分突出，淡水资源总量为28000亿立方米，居世界第6位，但人均只有2200立方米，人均水资源量仅为世界人均水平的四分之一，在世界上名列第121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。全国669座城市中有400多座供水不足，110座严重缺水；在32个百万人口以上的特大城市中，有30个长期受缺水困扰；在46个重点城市中，45.6％水质较差，14个沿海开放城市中有9个严重缺水。北京、天津、青岛、大连等城市缺水最为严重。

近年来，受全球气候变化影响，全球范围内暴雨洪水灾害频繁，城市多次遭受特大暴雨，同时引发了十分严重的内涝灾害。解决城市内涝，既要排水也要蓄水，充分利用渗、蓄措施就地消化降雨是治理城市内涝最有效的方式。雨水收集利用既可以降低内涝发生几率、减少排涝系统建设工程量、减轻河道的排水压力，也可以缓解水资源短缺的压力。雨水收集利用是实现雨水资源化、涵养地下水、减轻城市洪涝和排水系统压力、改善和修复城市水环境的重要手段，已经成为缓解水资源短缺、减轻雨洪危害、提高水资源利用率的重要举措之一。

屋顶雨水相对于地面雨水而言，水质较好，而且容易收集。城市屋顶自然集雨面大，泥沙和杂物较少，通过落水管与地面收集装置连接，方便实现雨水收集。然而，目前的屋顶雨水收集净化装置较少，而且存在明显的缺陷和不足：

(1)无区别地加以收集，增加净化成本

屋面雨水中的污染物主要来源于屋面材料分解产物和大气中的污染物。由于屋面初期雨水中的污染物浓度相对较高，水质较混浊，但随着降雨的持续，雨水的水质将明显提高。这一变化规律对雨水收集利用设计具有重要价值。若在雨水收集时弃流掉初期污染严重的径流雨水，便可以大大降低后续净化的成本。目前的雨水收集装置缺少初期雨水弃流过程，致使储水箱中全部雨水受到初期雨水的影响，增加了雨水处理净化的难度。如专利申请号为200920259745.4、名称为《雨水收集净化装置》的发明专利公开了一种雨水收集雨水净化装置，包括集水板和集水管，集水管出口连接沉淀池，沉淀池上部设置溢流孔，溢流孔另一端连接蓄水池，蓄水池底部设置出水管；又如专利申请号为201010040064.6、名称为《一种雨水收集净化方法及装置》的发明专利公开了一种雨水收集净化方法及装置，通过集雨面将雨水收集后，流入一沉淀池中进行初级沉淀净化，然后雨水进行过滤净化后流入水窖进行进一步的雨水净化。但采用沉淀方法难以去除雨水中的污染物，沉淀池还需要经常清理，额外增加收集净化成本。在降雨过程中，沉淀池受到雨水冲积，也不容易沉淀，导致从溢流孔流出的雨水仍携带污泥和污染物，净化不彻底。如果采用弃流装置，便可以将将初期污染严重、杂质较多的雨水与后期的雨水分离，将会大大降低雨水净化成本。

(2)净化程序复杂，净化效率低

现有的雨水收集净化方法和装置采用沉淀、吸附、加药消毒等传统污水净化方法，对雨水净化效果不明显，而且程序十分复杂。无论是在屋顶修建蓄水系统，还是屋顶蓄水与渗井、渗沟相结合的回补系统，采用沉淀、吸附、加药消毒等净化措施，都不是雨水净化的优选方法。我国水再生回用技术的领域现有的净水膜技术应用于雨水收集净化时，净化效率不明显，难以发挥它的功效，成本太高，不符合节能减排的发展方向。

发明内容

本发明的目的

本发明克服了目前屋顶雨水收集净化装置的缺陷和不足，提供一种全自动屋顶雨水收集雨水净化装置，解决现有雨水收集雨水净化装置占地大、结构复杂、成本高等问题。

本发明的技术方案

为了实现上述目的，本发明提供了一种全自动屋顶雨水收集净化装置，包括初期雨水弃流装置、中后期雨水收集装置和雨水净化装置：

所述的初期雨水弃流装置包括滑轮组、溢流孔、平衡桶、弃流水箱、弃流孔、卡槽、吊绳、浮块和挡板，溢流孔正对着平衡桶的进口，弃流水箱的选择性进口位于落水管和雨水收集管道交汇处，所述弃流水箱的选择性进口由卡槽、吊绳、浮块和挡板组成，弃流水箱选择性进口上部连接带有格栅的落水管，弃流水箱的选择性进口下部连接中后期雨水收集管道，浮块通过吊绳与滑轮组相连，滑轮组的另一端连接平衡桶；

所述的中后期雨水收集装置包括雨水收集管道、储水箱、储水箱取水口和U型水管，所述的雨水收集管道的进口与落水管和挡板相连接，出口与储水箱相通；

所述的雨水净化装置包括太阳能集热管、浮球、吸热托盘、斜型太阳能聚光玻璃板、浮球阀和集水箱，顶部为斜型太阳能聚光玻璃板，中部为吸热托盘，下部为集水箱，吸热托盘吸收太阳能聚光玻璃板聚集的光热，并与太阳能集热管相通。

其优选的雨水弃流装置：所述的滑轮组两端分别连接平衡桶和浮块，初始浮块的重量大于平衡桶的重量；

所述的弃流水箱的体积是由屋面面积和弃流深度(2mm)确定的，箱体侧面的溢流孔所在的位置为预设水位；

所述的平衡桶排完桶内水的时间为两天，避免短期内二次降雨的初期雨水被浪费；平衡桶中水量排干后，平衡桶的重量重新小于浮块的重量，浮块落下，平衡桶上升，装置恢复到初始状态。

其优选的雨水净化装置：所述的U型水管与浮球阀可以控制单次进入雨水净化装置的雨水量，使得雨水得以分批净化处理；所述的浮球阀，其工作原理为，雨水净化装置中无水时，浮球一端下沉，当储水箱中来雨水后，雨水将浮球阀内的活塞顶起，雨水进入雨水净化装置，当水量上升至预定水位时，浮球在浮力的作用下上浮，通过杠杆将另一端的活塞压下，堵住浮球阀的进水口，达到控制雨水净化装置中雨水量的目的；

所述的斜型太阳能聚光玻璃板，将太阳光聚集，增大阳光强度，提高吸热托盘的能量密度，斜型的结构设计有利于蒸发后的雨水沿雨水净化装置内壁流入下部集水箱中。

另外一种采用全自动屋顶雨水收集净化装置对雨水进行收集净化的方法，包括以下步骤：

①在降雨初期，屋顶雨水汇集通过落水管流向弃流水箱，当弃流水箱中水位上升至溢流孔的位置时，雨水通过溢流孔进入平衡桶；

②随着平衡桶水量增加，其重量也逐渐增加，同时，浮块受到挡板内雨水的浮力作用，最终滑轮组两端的平衡被打破，滑轮组开始启动，平衡桶下降，浮块9上升到卡槽处停止运动，并封闭弃流水箱的进口，从而实现初期雨水的弃流；

③随着降雨的持续进行，浮块始终受到挡板内雨水的浮力作用和平衡桶的拉力作用，滑轮组持续保持稳定状态，于是雨水越过挡板，顺着雨水收集管道进入储水箱；

④储水箱中的雨水通过U型水管进入雨水净化装置，U型水管与浮球阀可以控制单次进入雨水净化装置的雨水量，使得雨水得以分批净化处理。其具体过程见步骤⑤；

⑤当雨水净化装置中无水时，浮球一端下沉，在雨水进入储水箱中后，雨水将浮球阀内的活塞顶起，雨水进入雨水净化装置；在水量上升至预定水位时，浮球在浮力的作用下上升，通过杠杆将另一端的活塞压下，堵住浮球阀的进水口，达到控制雨水净化装置中雨水量的目的；当雨水被净化后，水位下降，浮球也随之下降，在U型水管内雨水压力作用下，浮球阀内的活塞再次被顶起，雨水进入雨水净化装置，如此循环，直至净化完毕；

⑥当降雨停止并且屋面雨水汇流结束后，挡板处没有雨水补充，平衡桶中雨水通过底部微小漏水孔排出，浮块所受浮力逐渐消失，最后浮块下降，平衡桶上升，装置通过滑轮组重新恢复到初始状态。

附图说明

图1为本发明所述一种全自动屋顶雨水收集净化装置结构示意图。

图2为本发明所述雨水弃流装置结构平面图。

图3为本发明所述雨水净化装置结构平面图。

图4为本发明所述装置浮球阀结构平面图。

图中：1-落水管；2-滑轮组；3-溢流孔；4-平衡桶；5-弃流水箱；6-弃流孔；7-卡槽；8-吊绳；9-浮块；10-挡板；11-雨水收集管道；12-储水箱；13-储水箱取水口；14-U型水管；15-集水箱；16-集水箱取水口；17-雨水净化装置；18-太阳能集热管；19-浮球；20-吸热托盘；21-斜型太阳能聚光玻璃板；22-浮球阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明。

如图1～4所示，一种全自动屋顶雨水收集净化装置，包括初期雨水弃流装置、中后期雨水收集装置和雨水净化装置：

所述雨水弃流装置包括滑轮组2、溢流孔3、平衡桶4、弃流水箱5、弃流孔6、卡槽7、吊绳8和浮块9，上部连接带有格栅的落水管1，下部连接中后期雨水收集管道11；落水管1和雨水收集管道11交汇处是弃流水箱5的选择性进口，由卡槽7、吊绳8、浮块9和挡板10组成，浮块9通过吊绳8与滑轮组2相连，滑轮组2的另一端连接平衡桶4；平衡桶4底部设有微小漏水孔，漏完桶内水的时间为两天，避免短期(两天)内二次降雨的初期雨水被浪费；弃流水箱5侧面设有弃流孔6和溢流孔3，溢流孔3正对着平衡桶4的进口，弃流水箱5的体积是由屋面面积和弃流深度(2mm)确定，溢流孔3所在的位置为弃流水箱5的预设水位。

所述的中后期雨水收集装置包括雨水收集管道11、储水箱12、储水箱取水口13和U型水管14，所述的雨水收集管道11的进口与落水管1和挡板10相连接，雨水收集管道11的出口与储水箱12相通。

所述的雨水净化装置包括太阳能集热管18、浮球19、吸热托盘20、斜型太阳能聚光玻璃板21、浮球阀22和集水箱15；所述的雨水收集装置通过U型水管14与雨水净化装置相连接。

一种采用全自动屋顶雨水收集净化装置对雨水进行收集净化的方法，具体步骤如下所述：

(1)在实际使用时，雨水弃流装置在初始状态(降雨前)，浮块9的重量大于平衡桶4的重量，浮块9落在挡板10上；在降雨初期，屋顶雨水汇集通过落水管1流向弃流水箱5的选择性进口，雨水通过该进口流入弃流集水箱5，当上升至溢流孔3的位置(预设水位)时，雨水通过溢流孔3进入平衡桶4，平衡桶4的重量逐渐增加，同时，浮块9受到挡板内雨水的浮力作用，最终滑轮组2两端的平衡被打破，滑轮组开始启动，平衡桶4下降，浮块9上升到卡槽7处停止运动，并封闭弃流水箱5的进口，从而实现初期雨水的弃流。

(2)随着降雨的持续进行，浮块9始终受到挡板10内雨水的浮力作用和平衡桶4的拉力作用，滑轮组2持续保持稳定状态。雨水越过挡板，顺着雨水收集管道11进入储水箱12。当降雨停止并且屋面雨水汇流结束后，挡板10处也没有雨水补充，平衡桶4中雨水通过底部微小漏水孔排出，浮块9所受浮力逐渐消失，由于浮块9本身重量大于平衡桶4的重量，最后浮块9下降，平衡桶4上升，装置通过滑轮组2重新恢复到初始状态。

(3)储水箱12中的雨水通过U型水管14进入雨水净化装置17，U型水管14与浮球阀22可以控制单次进入雨水净化装置17的雨水量，使得雨水得以分批净化处理。其具体过程为，当雨水净化装置17中无水时，浮球19一端下沉，在雨水进入储水箱12中后，雨水将浮球阀22内的活塞顶起，雨水进入雨水净化装置17；在水量上升至预定水位时，浮球19在浮力的作用下上升，通过杠杆将另一端的活塞压下，堵住浮球阀22的进水口，达到控制雨水净化装置17中雨水量的目的；当雨水被净化后，水位下降，浮球19也随之下降，在U型水管14内雨水压力作用下，浮球阀22内的活塞再次被顶起，雨水进入雨水净化装置17，如此循环，直至净化完毕。

雨水净化装置17上顶部为斜型太阳能聚光玻璃板21，能够将太阳光聚集，增强阳光强度，提高吸热托盘20上的能量密度，斜型的结构设计利于蒸发的雨水沿雨水净化装置17内壁流入到下部集水箱15。吸热托盘20可以高效地吸收太阳能聚光玻璃板21聚集的光热，加快雨水蒸发。太阳能集热管18用于辅助吸热托盘20，增加对太阳能的吸收，提高装置的净化效率。

整个装置可以自动完成初期雨水的弃流以及中后期雨水的收集、储存和净化过程，并且可以自动控制雨水净化装置的进水量。储水箱12中的雨水除供给雨水净化装置17外，还可用于对水质要求不高的绿地、花卉等的灌溉以及洗车等用途。集水箱15中的雨水可用于居民生活用水。在整个雨水净化的过程中充分利用太阳能，低碳节能，清洁环保，并且装置的制造成本低，结构简单，适用性强，具有很大的推广价值。

Claims (7)

1.一种全自动屋顶雨水收集净化装置，其特征在于该装置包括雨水弃流装置、雨水收集装置和雨水净化装置：

所述的雨水弃流装置包括滑轮组(2)、溢流孔(3)、平衡桶(4)、弃流水箱(5)、弃流孔(6)、卡槽(7)、吊绳(8)、浮块(9)和挡板(10)，溢流孔(3)正对着平衡桶(4)的进口，弃流水箱(5)的选择性进口位于落水管(1)和雨水收集管道(11)交汇处，所述弃流水箱(5)的选择性进口由卡槽(7)、吊绳(8)、浮块(9)和挡板(10)组成，弃流水箱(5)选择性进口上部连接带有格栅的落水管(1)，弃流水箱(5)的选择性进口下部连接中后期雨水收集管道(11)；

所述的雨水收集装置包括雨水收集管道(11)、储水箱(12)、储水箱取水口(13)和U型水管(14)，所述的雨水收集管道(11)的进口与落水管(1)和挡板(10)相连接，出口与储水箱(12)相通；

所述的雨水净化装置包括太阳能集热管(18)、浮球(19)、吸热托盘(20)、斜型太阳能聚光玻璃板(21)、浮球阀(22)和集水箱(15)；所述的雨水收集装置与雨水净化装置通过U型水管(14)相连通。

2.根据权利要求1所述的全自动屋顶雨水收集净化装置，其特征在于：所述的滑轮组(2)两端分别连接平衡桶(4)和浮块(9)，初始浮块(9)的重量大于平衡桶(4)的重量；

所述的平衡桶(4)排完桶内水的时间为两天，避免短期内二次降雨的初期雨水被浪费；平衡桶(4)中水量排干后，平衡桶(4)的重量重新小于浮块(9)的重量，浮块(9)落下，平衡桶(4)上升，装置恢复到初始状态。

3.根据权利要求1所述的全自动屋顶雨水收集净化装置，其特征在于：所述的弃流水箱(5)的体积是由屋面面积和弃流深度2mm确定的，箱体侧面的溢流孔(3)所在的位置为预设水位。

4.根据权利要求1所述的全自动屋顶雨水收集净化装置，其特征在于：所述的储水箱(12)与雨水收集管道(11)相通，通过U型水管(14)连接净化装置，并设有储水箱取水口(13)。

5.根据权利要求1所述的全自动屋顶雨水收集净化装置，其特征在于：所述的U型水管(14)与浮球阀(22)可以控制单次进入雨水净化装置的雨水量，使得雨水得以分批净化处理；所述的浮球阀(22)，其工作原理为，雨水净化装置中无水时，浮球(19)一端下沉，当储水箱中来雨水后，雨水将浮球阀(22)内的活塞顶起，雨水进入雨水净化装置，当水量上升至预定水位时，浮球(19)在浮力的作用下上浮，通过杠杆将另一端的活塞压下，堵住浮球阀(22)的进水口，达到控制雨水净化装置中雨水量的目的。

6.根据权利要求1所述的全自动屋顶雨水收集净化装置，其特征在于：所述的斜型太阳能聚光玻璃板(21)，将太阳光聚集，增大阳光强度，提高吸热托盘(20)的能量密度，斜型的结构设计有利于蒸发后的雨水沿雨水净化装置内壁流入下部集水箱(15)中。

7.一种采用如权利要求1所述的全自动屋顶雨水收集净化装置对雨水进行收集净化的方法，其特征在于：包括以下步骤：

①在降雨初期，屋顶雨水汇集通过落水管(1)流向弃流水箱(5)，当弃流水箱(5)中水位上升至溢流孔(3)的位置时，雨水通过溢流孔(3)进入平衡桶(4)；

②随着平衡桶(4)水量增加，其重量也逐渐增加，同时，浮块(9)受到挡板(10)内雨水的浮力作用，最终滑轮组(2)两端的平衡被打破，滑轮组开始启动，平衡桶(4)下降，浮块9上升到卡槽(7)处停止运动，并封闭弃流水箱(5)的进口，从而实现初期雨水的弃流；

③随着降雨持续进行，浮块(9)始终受到挡板(10)内雨水的浮力作用和平衡桶(4)的拉力作用，滑轮组(2)持续保持稳定状态，于是雨水越过挡板，顺着雨水收集管道(11)进入储水箱(12)；

④储水箱(12)中的雨水通过U型水管(14)进入雨水净化装置(17)，U型水管(14)与浮球阀(22)可以控制单次进入雨水净化装置(17)的雨水量，使得雨水得以分批净化处理，其具体过程见步骤⑤；

⑤当雨水净化装置(17)中无水时，浮球(19)一端下沉，在雨水进入储水箱(12)中后，雨水将浮球阀(22)内的活塞顶起，雨水进入雨水净化装置(17)；在水量上升至预定水位时，浮球(19)在浮力的作用下上升，通过杠杆将另一端的活塞压下，堵住浮球阀(22)的进水口，达到控制雨水净化装置(17)中雨水量的目的；当雨水被净化后，水位下降，浮球(19)也随之下降，在U型水管(14)内雨水压力作用下，浮球阀(22)内的活塞再次被顶起，雨水进入雨水净化装置(17)，如此循环，直至净化完毕；

⑥当降雨停止并且屋面雨水汇流结束后，挡板(10)处没有雨水补充，平衡桶(4)中雨水通过底部微小漏水孔排出，浮块(9)所受浮力逐渐消失，最后浮块(9)下降，平衡桶(4)上升，装置通过滑轮组(2)重新恢复到初始状态。