【應用案例】地下污水廠低碳照明系統(tǒng)的設計及應用

未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

1引言

  隨著城市化進程的加速和人口的增長，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，易造成運行成本的提高，因此在電氣設計方面，照明系統(tǒng)的優(yōu)化設計顯得尤為重要。

  目前，我國面對日益嚴重的氣候變化和環(huán)境問題，先后發(fā)布了一系列建筑節(jié)能標準，制定了《節(jié)能中長期專項規(guī)劃》，這些規(guī)范標準明確了民用建筑的節(jié)能設計方向。但現(xiàn)代地下或半地下污水廠區(qū)別于民用建筑，只有針對性地對其進行分析與設

 計，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所需要保證良好的光照度，以確保工作人員的視覺清晰度和操作安全。照度的高低主要取決于工作場所的種類（如辦公室、車間、管道等）和要求，通常應根據(jù)國家或地方標準進行設置。

2.2色溫和色彩還原性

 地下污水廠的工作場所需要采用合適的光源，以保證良好的視覺效果和舒適度。色溫是指光的色調，如冷色調和暖色調等，應根據(jù)工作場所的需要進行設置。色彩還原性是指光源對物體顏色的還原效果，一些對顏色敏的操作，如檢測和分析，要求光源的色彩還原性要盡可能高。此外，光源選擇還應符合《室內照明用LED產品能效限定值及能效等級》（GB30255—2019）中關于能效等級的規(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)域因過于明亮或過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)中需要設置合適的控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)照明的自動化控制和調節(jié)，根據(jù)不同時間和工作場所的需求，靈活調整照明亮度和色溫等參數(shù)，從而達到節(jié)能和提高效率的目的。

3地下污水廠低碳照明系統(tǒng)的設計

3.1工程概況

 以銀川市某大型地下污水廠項目為研究對象，該工程規(guī)模為30萬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，設計形式為單層工業(yè)建筑。以二沉池區(qū)域為例，此部分長140m，寬75m，高6.5m，標準單元柱距為9.3m×7.5m。以12個標準單元為1個計算單元，即針對長37.2m、寬22.5m的計算單元空間進行燈具數(shù)量計算和布置，如圖1所示。燈具設計安裝高度為6.0m，工作面為地面。

3.2一般照明系統(tǒng)的設計

3.2.1燈具選型

 地下污水廠照明系統(tǒng)的設計，應結合污水廠的實際需求。為實現(xiàn)照明系統(tǒng)采購、運行、維護全流程的低碳理念，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、壽命長、熱量低、環(huán)保等優(yōu)點，符合當下低碳理念對照明燈具的應用要求。

 LED燈具可以消耗更少的量，帶來更高的光照度和更好的照明效果，從而降低能源消耗和運營成本。LED燈具可以通過數(shù)字化控制系統(tǒng)進行確的控制，可以調節(jié)照明亮度和色溫，實現(xiàn)自動化控制和遠程控制，滿足不同時間和工作場所的需要；可以實現(xiàn)定時開關、光線感應等智能控制，提高照明效率和能效比；LED燈具有較長的使用壽命，能夠保持較長時間的高亮度和穩(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費用；在環(huán)保方面，LED燈具不含有汞、鉛等有害物質，不會對環(huán)境產生污染，同時具有較高的能效比，減少了碳排放和能源消耗，符合綠色、低碳的照明設計理念。

3.2.2燈具布置

采用利用系數(shù)法計算燈具數(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為燈具的維護系數(shù)；U為燈具的利用系數(shù)。

 設計區(qū)域為地下污水廠的工作區(qū)，屬于經(jīng)常操作的區(qū)域，根據(jù)《建筑照明設計標準》（GB50034—2013）[1]的規(guī)定，設計照度標準值為100lx，即Eav=100lx；工作面面積A=37.2×22.5=837m2；因環(huán)境符合室內污染一般的特征，維護系數(shù)K取0.7。

關于利用系數(shù)U，需要先計算室形指數(shù)RI，其計算公式為

 式中：RI為室形指數(shù)；a為計算單元長度；b為計算單元寬度；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，因此可計算得出有效空間反射比ρeff≈0.1。經(jīng)查產品手冊，可知當RI=2.00時，U=0.78；當RI=2.50時，U=0.83，通過插值法計算得出當RI=2.337時，U=0.8137。根據(jù)產品手冊，選用95W的LED工廠燈，單個燈具光通量Φ=11400lm。因此，燈具數(shù)量為。考慮到計算單元區(qū)域由12個標準單元組成，在采用每個標準單元布置1盞95W的LED工廠燈。

3.2.3方案校驗

 *大允許距高比。根據(jù)《照明設計手冊（第三版）》[2]燈具配光曲線選擇表，選取寬配光的燈具時，*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設置1盞燈具，橫向間距9.3m設置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。

 實際照度值。經(jīng)計算實際照度為93.1lx，滿足與照度標準值的偏差不超過±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)能指標要求。

3.3光導照明技術的應用

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

 根據(jù)工藝需求，在地下污水廠的操作空間內部，還應劃分出一條供水廠工作人員日常巡視的通道，在此通道上，裝設有自控儀表、就地控制站、就地按鈕箱等裝置，可實現(xiàn)設備的現(xiàn)場控制和儀表的現(xiàn)場監(jiān)測?？紤]到光導技術中的導光管在項目建設初期造價較高的特點，為實現(xiàn)社會效益與經(jīng)濟效益的雙贏，只在地下操作空間的巡視通道布置導光管。

 污水廠位于寧夏銀川，在我國屬于光氣候第Ⅱ區(qū)，查《建筑采光設計標準》（GB50033—2013）[3]可知室外天光設計照度值Es為16500lx。在計算單元區(qū)域中，巡視通道長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，每個導光管的設計輸出光通量Φ=Es×At×η=7635lm。室空間比按照巡視走廊計算，取值8.7，經(jīng)查表后利用插值法計算，可知采光利用系數(shù)U=0.50，維護系數(shù)K=0.8。因此，采用光導管照明區(qū)域的平均照度為

。

 光導管照明區(qū)域的照度大于照度標準值75lx，滿足要求。在對導光管進行設備選型時，需滿足漫射器的設計要求，應將滿射角控制在37°以上。

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

3.4智能照明控制技術在的應用

 智能照明控制技術是一種通過感知和控制技術來實現(xiàn)燈光自動化的技術。在地下污水廠中，智能照明控制技術可以幫助實現(xiàn)更加智能、高的照明控制，從而達到節(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)由一臺照明控制計算機、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。照明控制計算機位于廠區(qū)綜合樓中控室內，負責對整個智能照明控制系統(tǒng)進行控制和管理，各照明控制模塊安裝于各分區(qū)的照明配電箱內。系統(tǒng)利用實時可靠的通信總線將網(wǎng)絡控制命令發(fā)送至各照明控制模塊，同時接收現(xiàn)場的手動/自動工作狀態(tài)、燈具的開關狀態(tài)和火災自動報警的聯(lián)動信號。在各室內區(qū)域現(xiàn)場主要出入口設置照明控制面板和紅外線傳感器，就地進行照明模式的切換與燈具的開關，*大限度地節(jié)約照明系統(tǒng)的能耗。通過建立智能照明控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了亮度感應、時間控制、遠程控制等功能，幫助地下污水廠實現(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

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

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。

4.2需要專安裝和維護。

 低碳照明系統(tǒng)的安裝和維護需要專技術人員，如光線的調節(jié)和安裝等，一旦出現(xiàn)問題，需要專人員維修或更換，增加了成本和維護難度。

4.3光照度不足。

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

5AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺

5.1平臺概述

 安科瑞電氣具備從終端感知、邊緣計算到能效管理平臺的產品生體系，AcrelEMS-SW智慧水務能效管理平臺通過在污水廠源、網(wǎng)、荷、儲、充的各個關鍵節(jié)點安裝保護、監(jiān)測、分析、治理裝置，用于監(jiān)測污水廠能耗總量和能耗強度，監(jiān)測主要用能設備能效，保護污水廠運行安全可靠，提高污水廠能效，為污水處理的能效管理提供科學、精細的解決方案。

5.1.1平臺組成

 AcrelEMS智慧水務綜合能效管理系統(tǒng)由變電站綜合自動化系統(tǒng)、電力監(jiān)控及能效管理系統(tǒng)組成，涵蓋了水務中壓變配電系統(tǒng)、電氣安全、應急電源、能源管理、照明控制、設備運維等，貫穿水務能源流的始終，幫助運維管理人員通過一套平臺、一個APP實時了解水務配電系統(tǒng)運行狀況，并且根據(jù)權限可以適用于水務后勤部門管理需要。

5.1.2平臺拓撲圖

5.2平臺子系統(tǒng)

5.2.1智能照明控制

 系統(tǒng)為污水廠、自來水廠、水泵站等提供了照明控制管理方案，支持單控、區(qū)域控制、自動控制、感應控制、定時控制、場景控制、調光控制等多種控制方式，模塊可根據(jù)經(jīng)緯度自動識別日出日落時間實現(xiàn)自動控制功能，盡量利用自然光照，實現(xiàn)室內、廠區(qū)照明的智能控制達到安全、節(jié)能、舒適、高的目的。

5.3消防應急照明和疏散指示

 根據(jù)預先設置的應急預案快速啟動疏散方案引導人員疏散。系統(tǒng)接入消防應急照明指示系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過平面圖顯示疏散指示燈具工作狀態(tài)和異常情況。

5.3.1消防設備電源監(jiān)測

 監(jiān)測消防設備的工作電源是否正常，保障在發(fā)生火災時消防設備可以正常投入使用。

5.4相關平臺部署硬件選型清單

5.4.1智能照明系統(tǒng)

5.4.2消防應急照明和疏散指示系統(tǒng)

6結語

 文章基于對低碳照明技術的分析，結合地下污水廠的實際需求，設計了一套低碳照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了LED、導光管和智能照明控制等低碳照明技術，實現(xiàn)了更加智能、效和舒適的照明。相信在不久的將來，低碳照明技術將會在更廣泛的場景中得到應用，為人類創(chuàng)造更加美好的照明環(huán)境。通過對地下污水處理廠照明設計的經(jīng)驗總結和對規(guī)范的研究，形成有效和對性照明設計方法。