【應(yīng)用案例】地下污水廠低碳照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

1引言

  隨著城市化進(jìn)程的加速和人口的增長(zhǎng)，地下污水廠的重要性日益凸顯。受限于城市規(guī)劃、土地利用率、自然環(huán)境等因素，地下或半地下污水廠成為城市污水處理規(guī)劃的新方向。然而，地下污水廠通常缺少日光和自然光，易造成運(yùn)行成本的提高，因此在電氣設(shè)計(jì)方面，照明系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

  目前，我國(guó)面對(duì)日益嚴(yán)重的氣候變化和環(huán)境問(wèn)題，先后發(fā)布了一系列建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，制定了《節(jié)能中長(zhǎng)期專項(xiàng)規(guī)劃》，這些規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)明確了民用建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)方向。但現(xiàn)代地下或半地下污水廠區(qū)別于民用建筑，只有針對(duì)性地對(duì)其進(jìn)行分析與設(shè)

 計(jì)，才能提高地下污水廠照明系統(tǒng)的能效和環(huán)保性，減少能源消耗，降低二氧化碳排放，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2地下污水廠照明需求

2.1光照度

 地下污水廠的工作場(chǎng)所需要保證良好的光照度，以確保工作人員的視覺(jué)清晰度和操作安全。照度的高低主要取決于工作場(chǎng)所的種類（如辦公室、車間、管道等）和要求，通常應(yīng)根據(jù)國(guó)家或地方標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置。

2.2色溫和色彩還原性

 地下污水廠的工作場(chǎng)所需要采用合適的光源，以保證良好的視覺(jué)效果和舒適度。色溫是指光的色調(diào)，如冷色調(diào)和暖色調(diào)等，應(yīng)根據(jù)工作場(chǎng)所的需要進(jìn)行設(shè)置。色彩還原性是指光源對(duì)物體顏色的還原效果，一些對(duì)顏色敏的操作，如檢測(cè)和分析，要求光源的色彩還原性要盡可能高。此外，光源選擇還應(yīng)符合《室內(nèi)照明用LED產(chǎn)品能效限定值及能效等級(jí)》（GB30255—2019）中關(guān)于能效等級(jí)的規(guī)定。

2.3光照均勻性

 地下污水廠的地下空間較大，需要保證光的均勻分布，以防止一些區(qū)域因過(guò)于明亮或過(guò)于暗而影響操作效果和員工視力健康。在地下污水廠的照明系統(tǒng)中需要設(shè)置合適的控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)照明的自動(dòng)化控制和調(diào)節(jié)，根據(jù)不同時(shí)間和工作場(chǎng)所的需求，靈活調(diào)整照明亮度和色溫等參數(shù)，從而達(dá)到節(jié)能和提高效率的目的。

3地下污水廠低碳照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1工程概況

 以銀川市某大型地下污水廠項(xiàng)目為研究對(duì)象，該工程規(guī)模為30萬(wàn)t/d，其地下操作層包含生物池、加藥間、除系統(tǒng)、二沉池等區(qū)域，設(shè)計(jì)形式為單層工業(yè)建筑。以二沉池區(qū)域?yàn)槔?，此部分長(zhǎng)140m，寬75m，高6.5m，標(biāo)準(zhǔn)單元柱距為9.3m×7.5m。以12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元為1個(gè)計(jì)算單元，即針對(duì)長(zhǎng)37.2m、寬22.5m的計(jì)算單元空間進(jìn)行燈具數(shù)量計(jì)算和布置，如圖1所示。燈具設(shè)計(jì)安裝高度為6.0m，工作面為地面。

3.2一般照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.2.1燈具選型

 地下污水廠照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)結(jié)合污水廠的實(shí)際需求。為實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)采購(gòu)、運(yùn)行、維護(hù)全流程的低碳理念，在綜合樓、廠房、道路等區(qū)域全部采用LED燈具。LED燈具有高節(jié)能、可控性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、熱量低、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，符合當(dāng)下低碳理念對(duì)照明燈具的應(yīng)用要求。

 LED燈具可以消耗更少的量，帶來(lái)更高的光照度和更好的照明效果，從而降低能源消耗和運(yùn)營(yíng)成本。LED燈具可以通過(guò)數(shù)字化控制系統(tǒng)進(jìn)行確的控制，可以調(diào)節(jié)照明亮度和色溫，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和遠(yuǎn)程控制，滿足不同時(shí)間和工作場(chǎng)所的需要；可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)開(kāi)關(guān)、光線感應(yīng)等智能控制，提高照明效率和能效比；LED燈具有較長(zhǎng)的使用壽命，能夠保持較長(zhǎng)時(shí)間的高亮度和穩(wěn)定性，減少了更換燈具的頻率和成本，降低了地下污水廠的維護(hù)費(fèi)用；在環(huán)保方面，LED燈具不含有汞、鉛等有害物質(zhì)，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，同時(shí)具有較高的能效比，減少了碳排放和能源消耗，符合綠色、低碳的照明設(shè)計(jì)理念。

3.2.2燈具布置

采用利用系數(shù)法計(jì)算燈具數(shù)量：

 式中：N為燈具數(shù)量；Eav為工作面上的平均照度，lx；A為工作面面積，m2；Φ為光源光通量，lm；K為燈具的維護(hù)系數(shù)；U為燈具的利用系數(shù)。

 設(shè)計(jì)區(qū)域?yàn)榈叵挛鬯畯S的工作區(qū)，屬于經(jīng)常操作的區(qū)域，根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50034—2013）[1]的規(guī)定，設(shè)計(jì)照度標(biāo)準(zhǔn)值為100lx，即Eav=100lx；工作面面積A=37.2×22.5=837m2；因環(huán)境符合室內(nèi)污染一般的特征，維護(hù)系數(shù)K取0.7。

關(guān)于利用系數(shù)U，需要先計(jì)算室形指數(shù)RI，其計(jì)算公式為

 式中：RI為室形指數(shù)；a為計(jì)算單元長(zhǎng)度；b為計(jì)算單元寬度；c為工作面度；h為燈具的安裝高度。

 由頂棚反射比ρc=0.3、墻面反射比ρw=0.5、地面反射比ρf=0.2，可知空間表面平均反射比ρ=0.3922，因此可計(jì)算得出有效空間反射比ρeff≈0.1。經(jīng)查產(chǎn)品手冊(cè)，可知當(dāng)RI=2.00時(shí)，U=0.78；當(dāng)RI=2.50時(shí)，U=0.83，通過(guò)插值法計(jì)算得出當(dāng)RI=2.337時(shí)，U=0.8137。根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè)，選用95W的LED工廠燈，單個(gè)燈具光通量Φ=11400lm。因此，燈具數(shù)量為?？紤]到計(jì)算單元區(qū)域由12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元組成，在采用每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元布置1盞95W的LED工廠燈。

3.2.3方案校驗(yàn)

 *大允許距高比。根據(jù)《照明設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三版）》[2]燈具配光曲線選擇表，選取寬配光的燈具時(shí)，*大允許距高比LH為

 式中：L為燈具光中心間的距離，m；H為燈具的懸掛高度，m。廠房縱向間距7.5m設(shè)置1盞燈具，橫向間距9.3m設(shè)置1盞燈具，燈具均勻布置，則縱向距高比為7.5/6=1.25，橫向距高比為9.3/6=1.55，距高比均符合要求。

 實(shí)際照度值。經(jīng)計(jì)算實(shí)際照度為93.1lx，滿足與照度標(biāo)準(zhǔn)值的偏差不超過(guò)±10%的規(guī)范要求。

 功率密度值。功率密度值=12×95÷（37.2×22.5）≈1.36W/m2，滿足規(guī)范的節(jié)能指標(biāo)要求。

3.3光導(dǎo)照明技術(shù)的應(yīng)用

 在污水廠廠房箱體處理區(qū)域設(shè)計(jì)了一套低碳環(huán)保的光導(dǎo)照明系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)以室外自然光為光源，通過(guò)特殊的傳輸裝置高地將光線導(dǎo)入室內(nèi)場(chǎng)所，為得到理想的地下空間照明效果，需進(jìn)行照度分析。

 根據(jù)工藝需求，在地下污水廠的操作空間內(nèi)部，還應(yīng)劃分出一條供水廠工作人員日常巡視的通道，在此通道上，裝設(shè)有自控儀表、就地控制站、就地按鈕箱等裝置，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制和儀表的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)?？紤]到光導(dǎo)技術(shù)中的導(dǎo)光管在項(xiàng)目建設(shè)初期造價(jià)較高的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏，只在地下操作空間的巡視通道布置導(dǎo)光管。

 污水廠位于寧夏銀川，在我國(guó)屬于光氣候第Ⅱ區(qū)，查《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50033—2013）[3]可知室外天光設(shè)計(jì)照度值Es為16500lx。在計(jì)算單元區(qū)域中，巡視通道長(zhǎng)55.8m，寬4m，通道采光面積A為223.2m2。根據(jù)制造商提供的數(shù)據(jù)可知，導(dǎo)光管管徑尺寸為900mm，截面積At=0.64m2，系統(tǒng)效率η=0.723，因此，每個(gè)導(dǎo)光管的設(shè)計(jì)輸出光通量Φ=Es×At×η=7635lm。室空間比按照巡視走廊計(jì)算，取值8.7，經(jīng)查表后利用插值法計(jì)算，可知采光利用系數(shù)U=0.50，維護(hù)系數(shù)K=0.8。因此，采用光導(dǎo)管照明區(qū)域的平均照度為

。

 光導(dǎo)管照明區(qū)域的照度大于照度標(biāo)準(zhǔn)值75lx，滿足要求。在對(duì)導(dǎo)光管進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)，需滿足漫射器的設(shè)計(jì)要求，應(yīng)將滿射角控制在37°以上。

 通過(guò)應(yīng)用光導(dǎo)照明技術(shù)，在地下污水廠在日常維護(hù)中實(shí)現(xiàn)了零能耗、免維護(hù)、低成本、自然舒適的目標(biāo)。光導(dǎo)照明在白天基本取代了電力照明，降低了污水廠內(nèi)部的白天照明能耗，這也間接降低了二氧化碳和其他污染物的排放。導(dǎo)光管內(nèi)部中空，無(wú)須定期更換燈具，除擦拭采光器外，實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)。并且光導(dǎo)技術(shù)的光源取自太陽(yáng)光，光線柔和、全頻譜、無(wú)閃爍、顯色性好，可以減少人們的視覺(jué)疲勞，工作環(huán)境更加舒適。

3.4智能照明控制技術(shù)在的應(yīng)用

 智能照明控制技術(shù)是一種通過(guò)感知和控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)燈光自動(dòng)化的技術(shù)。在地下污水廠中，智能照明控制技術(shù)可以幫助實(shí)現(xiàn)更加智能、高的照明控制，從而達(dá)到節(jié)能、舒適和環(huán)保的效果。地下污水廠的智能照明控制系統(tǒng)由一臺(tái)照明控制計(jì)算機(jī)、若干照明控制模塊，以及照明控制面板、照度傳感器、紅外線傳感器等組成。照明控制計(jì)算機(jī)位于廠區(qū)綜合樓中控室內(nèi)，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理，各照明控制模塊安裝于各分區(qū)的照明配電箱內(nèi)。系統(tǒng)利用實(shí)時(shí)可靠的通信總線將網(wǎng)絡(luò)控制命令發(fā)送至各照明控制模塊，同時(shí)接收現(xiàn)場(chǎng)的手動(dòng)/自動(dòng)工作狀態(tài)、燈具的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警的聯(lián)動(dòng)信號(hào)。在各室內(nèi)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)主要出入口設(shè)置照明控制面板和紅外線傳感器，就地進(jìn)行照明模式的切換與燈具的開(kāi)關(guān)，*大限度地節(jié)約照明系統(tǒng)的能耗。通過(guò)建立智能照明控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了亮度感應(yīng)、時(shí)間控制、遠(yuǎn)程控制等功能，幫助地下污水廠實(shí)現(xiàn)了更加智能、高、舒適和環(huán)保的照明控制。

4 地下污水廠低碳照明系統(tǒng)的特點(diǎn)

 在地下污水廠中應(yīng)用低碳照明系統(tǒng)，可以在減少能源消耗和碳排放的前提下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和燈具長(zhǎng)壽命、色彩還原度高、易于控制等方面的目標(biāo)。但不可否認(rèn)的是低碳照明系統(tǒng)的應(yīng)用仍然存在一些缺點(diǎn)。

4.1初始成本高。

 低碳照明系統(tǒng)采用的LED等光源成本較高，增加了設(shè)備的初始投資，但在使用壽命和節(jié)能效果上可以得到回報(bào)。

4.2需要專安裝和維護(hù)。

 低碳照明系統(tǒng)的安裝和維護(hù)需要專技術(shù)人員，如光線的調(diào)節(jié)和安裝等，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，需要專人員維修或更換，增加了成本和維護(hù)難度。

4.3光照度不足。

 低碳照明系統(tǒng)的光源亮度比傳統(tǒng)照明設(shè)備低，需要更多的LED光源才能達(dá)到傳統(tǒng)照明設(shè)備相同的光照度，增加了設(shè)備的數(shù)量和成本。

5AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)

5.1平臺(tái)概述

 安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計(jì)算到能效管理平臺(tái)的產(chǎn)品生體系，AcrelEMS-SW智慧水務(wù)能效管理平臺(tái)通過(guò)在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)、充的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝保護(hù)、監(jiān)測(cè)、分析、治理裝置，用于監(jiān)測(cè)污水廠能耗總量和能耗強(qiáng)度，監(jiān)測(cè)主要用能設(shè)備能效，保護(hù)污水廠運(yùn)行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學(xué)、精細(xì)的解決方案。

5.1.1平臺(tái)組成

 AcrelEMS智慧水務(wù)綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務(wù)中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應(yīng)急電源、能源管理、照明控制、設(shè)備運(yùn)維等，貫穿水務(wù)能源流的始終，幫助運(yùn)維管理人員通過(guò)一套平臺(tái)、一個(gè)APP實(shí)時(shí)了解水務(wù)配電系統(tǒng)運(yùn)行狀況，并且根據(jù)權(quán)限可以適用于水務(wù)后勤部門管理需要。

5.1.2平臺(tái)拓?fù)鋱D

5.2平臺(tái)子系統(tǒng)

5.2.1智能照明控制

 系統(tǒng)為污水廠、自來(lái)水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動(dòng)控制、感應(yīng)控制、定時(shí)控制、場(chǎng)景控制、調(diào)光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動(dòng)識(shí)別日出日落時(shí)間實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能，盡量利用自然光照，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)、廠區(qū)照明的智能控制達(dá)到安全、節(jié)能、舒適、高的目的。

5.3消防應(yīng)急照明和疏散指示

 根據(jù)預(yù)先設(shè)置的應(yīng)急預(yù)案快速啟動(dòng)疏散方案引導(dǎo)人員疏散。系統(tǒng)接入消防應(yīng)急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過(guò)平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

5.3.1消防設(shè)備電源監(jiān)測(cè)

 監(jiān)測(cè)消防設(shè)備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災(zāi)時(shí)消防設(shè)備可以正常投入使用。

5.4相關(guān)平臺(tái)部署硬件選型清單

5.4.1智能照明系統(tǒng)

5.4.2消防應(yīng)急照明和疏散指示系統(tǒng)

6結(jié)語(yǔ)

 文章基于對(duì)低碳照明技術(shù)的分析，結(jié)合地下污水廠的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一套低碳照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了LED、導(dǎo)光管和智能照明控制等低碳照明技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更加智能、效和舒適的照明。相信在不久的將來(lái)，低碳照明技術(shù)將會(huì)在更廣泛的場(chǎng)景中得到應(yīng)用，為人類創(chuàng)造更加美好的照明環(huán)境。通過(guò)對(duì)地下污水處理廠照明設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和對(duì)規(guī)范的研究，形成有效和對(duì)性照明設(shè)計(jì)方法。