TWI522514B

TWI522514B - 雨水收集及分配系統

Info

Publication number: TWI522514B
Application number: TW099127406A
Authority: TW
Inventors: 陳毓權
Original assignee: 陳毓權
Priority date: 2009-09-10
Filing date: 2010-08-17
Publication date: 2016-02-21
Also published as: TW201114989A; WO2011030180A1

Description

雨水收集及分配系統

本發明通常係關於一種用於建築物之雨水收集及分配系統，包括至少一水泵、至少一雨水儲存槽和互連管、管件及電氣控制，特別係關於一種自動雨水收集及分配系統，復包括至少一個含有水泵控制單元及雨水貯器之主單元，其係與槽溝(gutter)之切除段形成直列(in-line)配置，以提供抽水啟動延時。

過去已致力於收集並儲存雨水用於非飲水用途，例如沖洗盥洗室、園藝及洗滌。

美國專利案第6941702號揭露一種用於藉由使用收集的雨水而節儉地保存使用水之雨水收集及分配系統。此系統包括配置成沿著建築物結構屋頂之邊緣安裝的槽溝、配置成設於地面上及槽溝之一部分之下面之槽支撐件、穩固地且可移除地被支撐在槽支撐件上之水槽、與槽溝及水槽相互連接且用以將雨水從槽溝排漏至水槽中之引流管口及含有設置成通過水槽之牆壁而將雨水從水槽排漏出之溢流管件之雨水分配總成。

此習知發明實質上允許雨水從槽溝藉由重力落至下方之儲存水槽。此習知槽溝收集系統之主要的缺點係儲存水槽允許之壓力水頭受到限制。需要泵以將雨水從儲存水槽中加以分配。再者，水槽係明顯地大，據此影響建築物美觀。

美國專利申請案公開第2008/0128030號揭露用於收集、保留及重配雨水之系統及方法，其利用建築物之地基及表面混凝土板結構。各種雨水收集器係被預知，包括天台收集系統(例如槽溝)及地表覆蓋結構(例如車道、人行道、停車場及天井)。此些收集系統係結合在收集管道系統，其將雨水攜帶至一個以上之雨水圍阻容器。儲存的雨水接著可被重新分配，再一次透過各種重配手段，以照顧到此財產上部份或全部景觀的澆水需求。此系統有利於圍阻容器所需之用以建立此結構之主要部份之標準地基及平板施工技術。此地面或地下系統之主要缺點係在於，壓力水頭特別弱或無壓力水頭存在，且需要泵以分配收集的雨水。

本發明之主要目的係在降雨沖刷之後沿著建築物之屋頂之底邊從槽溝收集雨水，且在抽水啟動延時之後將收集的雨水抽至雨水儲存槽中，且當在雨水儲存槽中之雨水不足或雨水儲存槽滿溢時停止抽水。

本發明之第二目的係以電氣控制令雨水收集及分配系統之運作達成全自動化。

本發明之第三目的係將系統運作之狀態表示於安裝在建築物內之主開關面板上。

本發明之第四目的係確保收集在雨水貯器中之雨水為乾淨且無雜質。

其他目的將在以下敘述明顯可見。

此些及其他目的係由具有至少一個水泵、至少一個雨水儲存槽和互連管、管件及電氣控制之自動雨水收集及分配系統所達成，其復包括至少一含有水泵控制單元及雨水貯器之主單元。該主單元係與沿著建築物之屋頂之底邊之槽溝之切除段形成直列配置且鄰近連至開放排水溝之直下管。該雨水儲存槽係設置在該建築物之該屋頂下。入口導管將該主單元連接至該雨水儲存槽。該雨水貯器中之雨水接著可透過該入口導管而被抽至該雨水儲存槽。始於該雨水儲存槽之出口導管允許收集的雨水用在該建築物之其他部分的非飲用之用途。

該水泵較佳可藉由包括至少一個具有該電氣控制協助之浮動手段的該水泵控制單元來操作，藉此，當該雨水貯器中之雨水充足且該雨水儲存槽未滿溢時，該水泵在抽水啟動延時之後開始抽水，且當該雨水貯器中之雨水不足或該雨水儲存槽滿溢時，該水泵停止抽水。

該雨水儲存槽藉由該互連管、該管件及該電氣控制而與設置在該建築物屋頂下之現有自來水儲存槽互補。

習知發明僅僅允許雨水從槽溝藉由重力落至地面或地下儲存槽中。水泵係後來係使用以將雨水分配至整個建築物。明顯地，水泵消耗了更多的電力。

建築物可具有超過一個沿著屋頂之底邊之槽溝20。雨水收集及分配系統包括至少一個水泵11、至少一個雨水儲存槽30、以及互連管、管件和電氣控制。依據本發明，鄰近連至開放排水溝70之直下管50之一段槽溝20係被切成容納與槽溝形成直列(in-line)配置之主單元10。主單元10包括水泵控制單元12及雨水貯器13。接著從屋頂之邊緣收集雨水。重要的是，只要收集無雜質之乾淨雨水。因此藉由本發明之技術特徵，提供抽水啟動延時，以確保收集之雨水係無雜質。水泵11可設置在主單元10之內部或外部。當在雨水貯器13中有足夠之雨水且雨水儲存槽30尚未充滿時，在延時之後，啟動水泵11以將雨水貯器13中之雨水進行抽水至雨水儲存槽30中。

於現有管工程施作中常見之互連管及管件係包括在圖式中。然而其並不被加以詳細論述，以維持簡潔及明確的敘述。

電氣控制令本發明係全自動。

實質上，本發明教示用於建築物之自動雨水收集及分配系統之最佳操作模式。

在第1a圖中，本發明之二個主單元10係與位在雙層建築物之二個屋頂底邊下之槽溝20形成直列配置。依據本發明，某些雨水係被抽至雨水儲存槽30中。本發明之雨水儲存槽30與設置在建築物之屋頂下之現有自來水儲存槽40互補。過剩的雨水從槽溝20沿著直下管50流至開放排水溝70中。始於二個儲存槽30、40之出口導管32、42係連接至建築物中之盥洗室及水龍頭。

在第1b圖中，鄰近連至開放排水溝70之直下管50之一段槽溝20係被切成容納與槽溝形成直列配置之主單元10。主單元10之深度大於槽溝20之深度。此額外之深度形成用於雨水貯器13之空間。在雨水貯器13上方之空間則構成槽溝段。

在第2a圖中，本發明之主單元10係與槽溝20之切除段形成直列配置且鄰近直下管50。水平設置之旁通管52係透過設置在主單元10基底之開口與彎管51連接。在降雨沖刷之後，大部份之雨水會以第一流率(flow rate)沿著槽溝20行進。某些雨水會藉由重力落下並進入雨水貯器13中。在雨水貯器13中之雨水又以第二流率透過旁通管52排出至彎管51中並最終排至直下管50。第二流率係來自雨水貯器13之流出率。旁通管52之直徑也決定了此流出率。抽水啟動延時係因而被雨水進入雨水貯器13之流入率與來自雨水貯器13之流出率之間之差異所控制。若第一流率大於第二流率，雨水最終將會累積在雨水貯器13中。此上升之雨水水位將會啟動電氣控制以開通水泵11。此延時之一目的係要讓具有雜質之初始雨水在第一降雨沖刷之後落至直下管50中。

在第2b圖中，水泵控制單元12係設置在本發明之主單元10之一側。水泵控制單元12並不會阻擋槽溝20中之雨水通道。槽溝20中之大部份雨水透過彎管51及管件流至直下管50中。至雨水儲存槽30之入口導管31係從主單元10之雨水貯器13被連接。始於雨水儲存槽30之溢流管33則係連接至直下管50。

在第2c圖中，至少一個帶有穿孔洞之過濾板19遮蓋雨水貯器13之開口。過濾板19係直接配置在主單元10之深度處。當來自槽溝20之雨水藉由重力落至雨水貯器13中時，過濾板19防止雜質落進雨水貯器13中。水泵控制單元12實質上係為具有二個傾斜端之梯形形狀。其係設置在主單元10之一側，從雨水貯器13延伸至槽溝段上方。水泵控制單元12實質上在其頂部及底部係為開放的且包括腔室18及外殼17。腔室18之底部係開放的以允許雨水貯器13中之雨水能上升至其中。腔室18及外殼17之頂部可用蓋體加以封閉(未圖示)。水泵控制單元12係因此部份或全部地沉浸在主單元10之雨水貯器13中，並延伸至槽溝段上方。水泵控制單元12之傾斜端允許槽溝20中之雨水能以最小阻塞而流過。包括樹葉等之雜質將不會收集於其中。出水口接頭34透過入口導管31將主單元10連接至雨水儲存槽30。

在第2d圖中，過濾板19係從雨水貯器13之開口處移除。在水泵控制單元12之基底處設有蹺蹺板槓桿臂(seesaw lever arm)15。其自由端係為圓蓋，用於遮蔽連接至位在主單元10下方之旁通管52之開口。應注意到，此圓蓋並不完全密封開口。在其中併入小間隙或孔係有利地允許微量雨水滲透通過。其影響雨水流至旁通管52之流出率且因此影響抽水啟動延時以累積雨水貯器13中之雨水量。當停止下雨時，在雨水貯器13、腔室18及外殼17中之雨水最終將會洩漏至旁通管52中。過濾籃14遮蓋水泵11之入口，以預防雜質通過進入水泵11中。

在此圖中，水泵11設置在雨水貯器13內。重要的是要注意，水泵11亦可設置在主單元11外。在此情況下，始於外部水泵11之抽吸管可配置成將雨水從雨水貯器13中抽出。

依據本發明之教示，以下將敘述水泵控制單元12之二種實施例。水泵控制單元12包括腔室18及外殼17。水泵控制單元12係設置於接近槽溝段，因此在其下方留下一些空的空間。在第一及第二實施例中皆採用二種浮動手段(181、171)。

腔室18之底部係實質地開放。腔室18提供抽水啟動延時。第一浮動手段181係一體地安裝有第一頂桿183及底桿182且藉由垂直導引器16而在腔室18中上下移動。當雨水在腔室18中上升時，第一頂桿183嚙合第一架空限位開關(overhead limit switch)121。第一浮動手段181之底桿182係藉由鉸鏈桿184而嚙合至蹺蹺板槓桿臂15。蹺蹺板槓桿臂15之自由端係圓蓋，其可鬆弛地關閉連接至旁通管52之開口。因此，亦影響抽水啟動延時。

外殼17進一步影響抽水啟動延時。當足夠的雨水累積在外殼17中時，在其中之第二浮動手段171向上移動以嚙合第二架空限位開關122。當雨水不足時，第二浮動手段171由於在外殼17內之本身重量而保持向下。

第3a圖係為顯示如第2d圖所示之水泵控制單元12之第一實施例之透視圖，其蹺蹺板槓桿臂15係處在抬起位置。

第3b圖係為顯示水泵控制單元12之具有處在抬起位置之蹺蹺板槓桿臂15之第一實施例之剖視圖。此係對應於當在雨水貯器13及腔室18中沒有雨水或雨水不足時之情況。其亦顯示水泵11及水泵控制單元12之佈署、二個架空限位開關121及122、二種浮動手段181及171和一個嚙合第一浮動手段181之蹺蹺板槓桿臂15。

腔室18合併一體地安裝有第一頂桿183及底桿182之第一浮動手段181。第一浮動手段181藉由在其中之垂直導引器16而被限制為只能上下移動。在第一浮動手段181上方，設置有第一架空限位開關121。在第一浮動手段181下方，設置蹺蹺板槓桿臂15。蹺蹺板槓桿臂15之自由端係為圓蓋，其可鬆弛地遮蓋連接旁通管52之開口。蹺蹺板槓桿臂15之另一端係藉由鉸鏈桿184而嚙合於第一浮動手段181之底桿182。當腔室18中沒有雨水或雨水不足時，第一浮動手段181會由於其本身之重量而保持向下。底桿182推動蹺蹺板槓桿臂15之嚙合端向下。在蹺蹺板槓桿臂15之其他自由端之圓蓋則抬起而離開連接旁通管52之開口。

外殼17合併一體地安裝有第二頂桿172之第二浮動手段171。第二浮動手段171亦藉由其中之垂直導引器16而被限制為在外殼17內進行上下移動。

在一種操作模式中，在接近外殼17之底邊或基底設有第一開口173。第4a圖係為顯示如第2d圖所示之水泵控制單元12之第一實施例之透視圖，其蹺蹺板槓桿臂15處在關閉位置。第4b圖係為顯示水泵控制單元12之具有處在關閉位置之蹺蹺板槓桿臂15之第一實施例之剖視圖。此係對應於當在雨水貯器13及腔室18中有足夠的雨水時之情況。當在腔室18中累積有雨水時，第一浮動手段181藉由浮力而向上移動。第一頂桿183嚙合第一架空限位開關121。底桿182藉由鉸鏈桿184將蹺蹺板槓桿臂15之嚙合端抬起向上。在蹺蹺板槓桿臂15之其他自由端之圓蓋則被向下推並鬆弛地關閉連接旁通管52之開口。當更多雨水累積在腔室18中時，過剩的雨水透過第一開口173而進入外殼17中。第二浮動手段171接著藉由浮力而向上移動。其頂桿172則嚙合第二架空限位開關122。

只有在第一架空限位開關121及第二架空限位開關122皆被嚙合時，電氣控制才會啟動水泵11以將累積在雨水貯器13中之雨水透過入口導管31而開始進行抽水至雨水儲存槽30中。在第一架空限位開關121及第二架空限位開關122之其中一者未被嚙合時，水泵11將停止抽水。

換言之，雨水貯器13及腔室18首先提供抽水啟動延時。外殼17接著再延長抽水啟動延時。第一開口173在外殼17上之位置及其直徑亦影響抽水啟動延時。

第5圖係為顯示於另一種操作模式下之水泵控制單元12之第二實施例的透視圖。在此處，在外殼17之第一開口173係設在較高水位處。藉此提升之高度或位置，由於雨水需要時間上升至此水位，所以引入了更長的抽水啟動延時的時間。第二浮動手段171則需要更長的時間以嚙合第二架空限位開關122。而為了排漏外殼17中之雨水，在外殼17之底部或基底處設置有第二開口174。具有關閉手段之第三浮動手段175係被提供以嚙合或脫離第二開口174。

重要的是要注意到，水泵控制單元12之上述第一及第二實施例之變形係為只使用一種浮動手段181。此變形係較不有效，但仍可運作。另一較不有效之變形係在第一浮動手段181之底部處不使用蹺蹺板槓桿臂15。

如第6圖所示，本發明之雨水儲存槽30係連接至現有自來水儲存槽40，且隨著電氣控制而令本發明為全自動化。

始於本發明之主單元10之入口導管31係設置在雨水儲存槽30之較高水位處。入口導管31之鄰近雨水儲存槽30之段係設有磁性流率開關35，其係偵測雨水之存在及啟動主開關面板60中之狀態指示燈。入口導管31復合併有二個單元之單向止回閥(non-return check valve)以防止雨水回流至本發明之主單元10。球形閥39係固定在磁性流率開關35之前。球形閥39偕同管套接頭36關閉主單元10而能容易地鬆開管道工程(pipe work)，以防有更換主單元10之需要。

始於雨水儲存槽30之出口導管32及始於自來水儲存槽40之出口導管42係以三通接頭(Tee joint)41而接合在一起，以供水至建築物中之盥洗室及水龍頭。自動電控閥43係設在自來水儲存槽40之出口導管42處。自動電控閥43係設定為關閉狀態且藉由交流電(AC)或直流電(DC)而可操作。出口導管32、42係與管工程施作中常見之標準管件一起安裝，包括球形閥、管套接頭、過濾器及止回閥等。

至少一個溢流管33亦被設置在雨水儲存槽30之另一較高水位處，且其係連接至連至開放排水溝70之直下管50。依據現行的管工程施作，所需之互連管及管件係眾所周知的。

當在雨水儲存槽30中係低水位時，電氣控制自動地切換至從自來水儲存槽40供水。當在雨水儲存槽30中之水位達到預設之水位時，系統則逆轉。磁性浮動限位開關37係設置在雨水儲存槽30內之高水位處。當在此滿溢水位偵測到水時，磁性浮動限位開關37將會關閉並切斷供應至水泵11之電力。當沒有偵測到水時，磁性浮動限位開關37則被啟動且水泵11係準備好在待機模式。當分別連至第一及第二浮動手段181及171之架空限位開關121及122皆被嚙合時，水泵11開始抽水。

浸沒式浮動磁性水位開關38係設置在雨水儲存槽30內之低水位處。當水面在此低水位上方時，浸沒式浮動磁性水位開關38將會停用並關閉。當水面低於此低水位時，浸沒式浮動磁性水位開關38會被啟動，且設置在自來水儲存槽40之出口導管42處之自動電控閥43亦被啟動。接著可使用自來水。水存在於雨水儲存槽30中之狀態係藉由浸沒式浮動磁性水位開關38而感測，且據此傳達此狀態。

重要的是要注意到，雨水儲存槽30及自來水儲存槽40係設置在屋頂下且高於地面之位置。此地點對所收集的雨水提供壓力落差(pressure head)使得其係本質上藉由重力而被分配，因而不需要水泵。

雨水儲存槽30較佳地由包括不銹鋼及壓製鋼(press steel)之金屬所製成，或由包括玻璃纖維及低密度聚丙烯(LDPE)之塑性材料所製成。雨水儲存槽30亦可由複數具有互鎖(interlocking)及互連管之較小的容器所形成。此種配置允許現有建築物能安裝本發明而無須移除屋頂桁架或天花板。雨水儲存槽30、所有入出口導管31及管件係以綠色繪製或綠色顏料製成。活塞及自來水亦帶有綠色標籤或標記。此係對本發明塑造識別性。

如第7圖所示，主開關面板60係安裝在建築物內部。其表示本發明之四個主單元10之系統操作的狀態。不同的指示燈係被運用以表示本發明之不同狀態。(指示燈之確切的配色方案可在實際施作中改變)。當主開關MS-1啟動時，作用的紅色電虹指示燈係表示系統處於準備操作之待機模式。作用的橘色LED指示燈係表示雨水貯器13中之水泵11正在抽出雨水。作用的綠色LED指示燈係表示雨水正流進雨水儲存槽30中。作用的藍色LED指示燈係表示正從自來水儲存槽40供水。

為了表示以上提及之狀態，第8圖係為顯示描繪令本發明全自動化之電氣控制之電路圖的範例。可藉由110V或230V之交流電(AC)或直流電(DC)操作此些電氣控制。交流轉直流轉換器(AC to DC adaptor)有短路保護特色才完整，並且基於安全目的併入保險絲以保護本發明。交流轉直流轉換器係安置在設於建築物之屋頂下且靠近雨水儲存槽30之交流及直流電源供應器123內。一旦啟動主開關MS-1，紅色電虹指示燈會發光且12V及24V之直流電供應係準備妥當。當在雨水儲存槽30中係低水面時，磁性浮動限位開關37(或MFLS-2)被啟動且處於待機模式。此係依次地連結至第一架空限位開關121(或LS-3)及第二架空限位開關122(或LS-4)。第一架空限位開關121(或LS-3)係設在第一浮動手段181上方，而第二架空限位開關122(或LS-4)係設在第二浮動手段171上方。

當沒有下雨或是雨水貯器13中沒有雨水時，第一架空限位開關121(或LS-3)和第二架空限位開關122(或LS-4)保持關閉。當下雨時，第一浮動手段181上升並致動第一架空限位開關121(或LS-3)。此輸出線係連接至設在第二浮動手段171上方之第二架空限位開關122(或LS-4)。只有當持續下雨且更多雨水被收集時，第二架空限位開關122(或LS-4)才將會被致動。當第二架空限位開關122(或LS-4)啟動時，延時開關-7(DS-7)之磁圈被啟動且交流/直流水泵11被致動。雨水接著從主單元10之雨水貯器13被抽進雨水儲存槽30中。LED指示燈1/3/5/7(橘色)將會在主開關面板60中點亮。此係表示水泵11正進行作業。綠色指示燈係以LED2/4/6/8所表示，其係連結至設在連至雨水儲存槽30之入口導管31之磁性流率開關35(或MFS-5)。此係要確認雨水已確實流過。當延時開關-8(DS-8)啟動時，藍色指示燈係以LED9所表示。現在，係從自來水儲存槽40供水。其提醒住戶存水。

當發生電器故障時，在自來水儲存槽40之出口導管42上之自動電控閥43將保持在「關閉」模式。若此時雨水儲存槽30是空的，將不會對建築物進行供水。因此在此種情況下，有利於併入手動旁路(manual bypass)以啟動自動電控閥43。

10．．．主單元

11．．．水泵

12．．．水泵控制單元

121．．．第一架空限位開關

122．．．第二架空限位開關

123．．．交流及直流電源供應器

13．．．雨水貯器

14．．．過濾籃

15．．．蹺蹺板槓桿臂

16．．．垂直導引器

17．．．外殼

171．．．第二浮動手段

172．．．第二頂桿

173．．．第一開口

174．．．第二開口

175．．．第三浮動手段

18．．．腔室

181．．．第一浮動手段

182．．．底桿

183．．．第一頂桿

184．．．鉸鏈桿

19．．．過濾板

20．．．槽溝

30．．．雨水儲存槽

31．．．入口導管

32．．．出口導管

33．．．溢流管

34．．．出水口接頭

35．．．磁性流率開關

36．．．管套接頭

37．．．磁性浮動限位開關

38．．．浸沒式浮動磁性水位開關

39．．．球形閥

40．．．自來水儲存槽

41．．．三通接頭

42．．．出口導管

43．．．自動電控閥

50．．．直下管

51．．．彎管

52．．．旁通管

60．．．主開關面板

70．．．開放排水溝

DS-7．．．延時開關-7

DS-8．．．延時開關-8

LS-3．．．第一架空限位開關

LS-4．．．第二架空限位開關

MS-1．．．主開關

MFS-5．．．磁性流率開關

MFLS-2．．．磁性浮動限位開關

藉由舉例方式並配合參考附加圖式而加以說明依據本發明之自動雨水收集及分配系統以能更容易了解本發明，其中：

第1a圖係為具有二個與槽溝形成直列配置之本發明的主單元及與設置在建築物之屋頂下之既存自來水儲存槽互補之雨水儲存槽的雙層建築物之側剖視圖；

第1b圖係為具有與槽溝之切除段形成直列配置且通過彎管而鄰近連至開放排水溝之直下管的本發明之主單元的雙層建築物之前視圖；

第2a圖係為與槽溝之切除段形成直列配置並通過彎管而鄰近直下管之本發明之主單元且主單元以水平旁通管與彎管連接之放大圖；

第2b圖係為如第2a圖所示之包括水泵控制單元之主單元之局部末端剖視圖；

第2c圖係為裝載有二個過濾板及具有頂蓋之水泵控制單元之主單元俯視圖；

第2d圖係為移除過濾板後之不具有頂蓋之水泵控制單元及水泵之位置俯視圖；

第3a圖係為如第2d圖所示之水泵控制單元之具有處在抬起位置的蹺蹺板槓桿臂之第一實施例透視圖；

第3b圖係為水泵控制單元之具有處在抬起位置之蹺蹺板槓桿臂的第一實施例剖視圖；

第4a圖係為如第2d圖所示之水泵控制單元之具有處在關閉位置之蹺蹺板槓桿臂的第一實施例透視圖；

第4b圖係為水泵控制單元之具有處在關閉位置之蹺蹺板槓桿臂的第一實施例剖視圖；

第5圖係為水泵控制單元之具有處在抬起位置之蹺蹺板槓桿臂的第二實施例透視圖；

第6圖係為雨水儲存槽連接至局部顯示之現有自來水儲存槽且隨著電氣控制而令本發明係為全自動化之側剖視圖；

第7圖係為用於表示本發明之系統運作之狀態的主開關面板範例圖；以及

第8圖係為描繪令本發明全自動化之電氣控制的電路圖範例圖。