劉志強 胡耀東 劉逸飛 張鴻飛 高曉文

（1.聊城大學季羨林學院，山東 聊城 252000；2.聊城大學建筑工程學院，山東 聊城 252000）

0 引言

隨著“碳達峰，碳中和”目標的提出，節(jié)能環(huán)保進校園成為社會關(guān)注的熱點?！昂＞d校園”、“陽光操場”的設(shè)計提供了校園改造的典范。丁琨等[1]對安徽建筑大學新校區(qū)采用鋪裝透水、廣場下沉等集水設(shè)施有效解決了校園熱島和內(nèi)澇問題；吳潔等[2]以湖北交通職業(yè)技術(shù)學院新建園區(qū)為例，建立SWWM模型對單項LID設(shè)施（下凹綠地、植草溝等）排水效果進行評估，為有效控制校園內(nèi)雨水徑流提供了解決方案；黃鍇強等[3]針對學生宿舍用電量大等問題，利用太陽能集熱蓄熱，設(shè)計了一種基于熱回收的太陽能新風系統(tǒng)，對利用太陽能建設(shè)綠色校園實現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新。

本文參考上述綠色校園的設(shè)計，結(jié)合聊城大學操場內(nèi)澇嚴重、排水低效、使用不便以及缺少監(jiān)測管理等問題，采用“模塊化”思想設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和光伏發(fā)電技術(shù)的操場節(jié)水系統(tǒng)。本文就該模塊化新型操場節(jié)水系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用進行介紹。

1 新型操場節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計背景與設(shè)計思路

1.1 設(shè)計背景

聊城大學東校區(qū)操場包括足球場、跑道、看臺等，占地總面積約10000m2，在雨季排水緩慢內(nèi)澇嚴重，積水深度可達1m，導(dǎo)致操場使用不便，雨水資源浪費。通過對操場內(nèi)部設(shè)施進行初步調(diào)研后發(fā)現(xiàn)：操場的排水口為矩形，單個面積約15cm2，主要集中在跑道四周，且分布不均勻容易堵塞；足球場鋪蓋人工草坪，存在滲水現(xiàn)象使雨水徑流集中；缺少管理人員或監(jiān)測平臺對雨量實時監(jiān)測，雨水經(jīng)排水口直接流入地下污水管道，沒有采取“雨污分流”的節(jié)水措施，雨水循環(huán)利用率低。

1.2 設(shè)計思路

針對聊城大學操場易發(fā)生內(nèi)澇且水資源浪費較為嚴重的現(xiàn)象，結(jié)合查找到的雨量監(jiān)測儀器和方法，做出合理性假設(shè)：可以通過新型可再生能源和云端感應(yīng)控制等技術(shù)方法實現(xiàn)水資源的循環(huán)利用。因此提出了一種立足于節(jié)能減排的基于太陽能供電的模塊化智能監(jiān)測雨水循環(huán)利用新型操場排水系統(tǒng)。設(shè)計時采用的主要設(shè)計思路為：

（1）以足球場作為主要排水功能區(qū)，擴大排水場地面積，利用草坪的滲水性將雨水滲流至地下蓄水模塊；

（2）建立雨量監(jiān)測與智能控制系統(tǒng)，根據(jù)雨量大小進行預(yù)警與控制不同數(shù)量的模塊草皮的打開與關(guān)閉，便捷使用，節(jié)約電能；

（3）采用太陽能發(fā)電作為新型操場系統(tǒng)通信模塊用電供給，實現(xiàn)系統(tǒng)綠色運行。

2 新型操場節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計要點

2.1 節(jié)水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計了一種基于太陽能供電的模塊化智能監(jiān)測雨水循環(huán)利用新型操場排水系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)包括草坪模塊、排水模塊、支撐模塊、控制模塊、通信模塊、光學雨量傳感器、太陽能電池板和蓄水池。其中，草坪模塊包括草皮、墊板和隔振墊；排水模塊包括導(dǎo)水管、過濾網(wǎng)、感應(yīng)閥門和總管道；所述支撐模塊包括支撐板和支撐架。光學雨量傳感器、太陽能電池板安裝在固定支架上，光學雨量傳感器、感應(yīng)閥門和通信模塊均與控制模塊電性連接，通信模塊與監(jiān)測平臺無線連接，監(jiān)測平臺與管理人員終端通信連接。當降雨時光學雨量傳感器檢測雨量，通過通信模塊傳給監(jiān)測平臺，監(jiān)測平臺判斷雨量閾值通過控制模塊打開不同模塊下的電磁閥進行排水；當蓄水池超過蓄水池容量時，超過蓄水池容量的雨水通過控制裝置打開管道閥門將雨水排入污水處理管道，通過蓄水池中的活性炭等凈水物質(zhì)除雜后的雨水用于灌溉草坪和清潔校園。其中整體結(jié)構(gòu)模型圖和單個模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1和圖2所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)模型圖

圖2 單個模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 智能控制系統(tǒng)設(shè)計

該控制系統(tǒng)由控制模塊、通信模塊、檢測平臺、光學雨量傳感器、檢測平臺和管理人員構(gòu)成。光學雨量傳感器、太陽能電池板安裝在固定支架上，光學雨量傳感器、感應(yīng)閥門和通信模塊均與控制模塊電性連接，通信模塊與監(jiān)測平臺無線連接，監(jiān)測平臺與管理人員終端通信連接。管理人員在發(fā)生極端的天氣情況時進行實時操作排水系統(tǒng)。

2.3 隔震層小孔排列方案設(shè)計

為了更好的發(fā)揮模塊草坪的滲水功能以及從經(jīng)濟上盡可能的減少實驗項目的開支，優(yōu)化該智能控制草坪，通過嘗試不同小孔排列方式下該動態(tài)感應(yīng)模塊草皮的排水性能的差異比較得出最優(yōu)解。采取了實驗方法，該實驗采用控制變量法，單個模塊的小孔個數(shù)在3種陣列方案下均為4個，對此本實驗課題提出了3種不同的實驗設(shè)計方案。如圖3所示。該實驗的情景選取依次為小雨，中雨，大雨3種不同天氣。模擬實驗的裝置采用實體模型，降雨的過程由人工灑水代替。實驗計時道具為秒表，準確記錄每個陣列組合下在24h的時間內(nèi)排水的容量，每個情景均采取3次重復(fù)實驗，取平均值。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 3種方案智能排水小孔陣列圖

表1 單個模塊草坪3種小孔陣列方式排水量（單位：m3）

由上述實驗數(shù)據(jù)可知，在小雨、中雨和大雨降水狀況下橢圓陣列的平均排水量依次為5.5m3，10.36m3，21.3m3，說明在橢圓形的陣列方式下排水的效果最好，因此該模塊草坪的小孔宜選用橢圓性陣列方式。

3 新型操場節(jié)水系統(tǒng)應(yīng)用效果計算分析

3.1 雨水收集利用及蓄水容量計算分析

以聊城市聊城大學操場為例，傳統(tǒng)的校園操場易發(fā)生內(nèi)澇，水資源利用率較低。同時通過實際調(diào)查與實驗，發(fā)現(xiàn)聊城大學操場以人造草坪為主，具備一定的滲水功能，地下設(shè)有盲溝，地表開排水孔，排水采用滲排方式，但由于排水孔較小，無法起到快速和高效排水，也缺少對雨水的循環(huán)處理，雨水資源的利用僅限于排污，利用率極低。該系統(tǒng)可以通過單個模塊下的排水管道傳送至地下蓄水池收集雨水，實現(xiàn)灌溉草坪、消防用水和清潔校園等功能，做到雨水資源的高利用。系統(tǒng)中的排水管道分布于每個模塊化草坪下方，雨水匯聚至總管道流入蓄水池，草坪面積約為7200m2，需控制及利用的雨水徑流總量[4]：

式中：

Φc——雨量徑流系數(shù)；

Φ0——控制徑流峰值所對應(yīng)的徑流系數(shù)；

hy——設(shè)計日降水量；

F——硬化匯水面積。

結(jié)合聊城市海綿城市的技術(shù)導(dǎo)則，參數(shù)取值為：Φc=0.9，Φ0=0.5，hy=85mm，F(xiàn)=9500m2。代入?yún)?shù)后計算可得：

根據(jù)每公頃硬化地面不低于250m3的雨水調(diào)蓄計算：蓄水池的容積V為：

因此考慮到操場系統(tǒng)的灌溉與清潔功能，蓄水池的容積V應(yīng)設(shè)為180m3。

雨水凈利用效率計算：

由計算可得：該系統(tǒng)的蓄水容量為180m3，雨水利用效率提高了約為55%，有效解決了傳統(tǒng)操場雨水資源浪費及內(nèi)澇嚴重的問題。

3.2 太陽能發(fā)電與系統(tǒng)用電計算分析

本裝置使用三塊長620mm，寬350mm的太陽能板，總面積為0.651m2。在不考慮當?shù)氐奶厥馓鞖猓ㄈ缬晏欤┑挠绊憰r，每平方米太陽能板所接受的太陽能輻射量為[5]：

式中：

T——該月份的平均日長；

α——空氣質(zhì)量下的光照量。

α的取值與角度φ的關(guān)系如下：

φ′為中午太陽角度的平均值，φ″為太陽能板相對于地面的南北夾角，角度關(guān)系如下：

已知聊城市東昌府區(qū)的緯度為36度，假定當前月份為四月份，參考文獻可得：φ′=39°，T=12.64h，將數(shù)據(jù)帶入公式得：SI=3.032kW·h/m2。即在太陽能板固定不動時，太陽能板平均每天接收的太陽輻射量W1為：

應(yīng)用于聊城大學東校區(qū)操場的模塊化草坪的控制系統(tǒng)，用電集中在排水孔閥門處，其數(shù)量為n=44個，功率為P=0.18W，以全天24h計算雨天工作日下該系統(tǒng)的用電量W2為：

該系統(tǒng)日平均節(jié)電量W3為W1與W2數(shù)值差，計算得W3=1.794kW·h。按照年平均晴天數(shù)為200計算，推廣至年平均節(jié)電量W為323kW·h。根據(jù)專家統(tǒng)計：“節(jié)約1度電=減排0.997千克二氧化碳”，計算得到二氧化碳減排量E為357.42kg。

通過計算太陽能板發(fā)電與排水孔閥門用電的差值得到該系統(tǒng)的日平均節(jié)電量為1.794kW·h，節(jié)電效果突出，同時可以減少碳排放降低污染，符合“雙碳”政策。

4 新型操場節(jié)水系統(tǒng)應(yīng)用效益分析

4.1 經(jīng)濟效益

通過雨季時期儲存的雨水可以達到180m3左右的水資源，將儲存的雨水資源用于校園清潔，校園灌溉等方面，太陽能板每年可大約產(chǎn)生360度電，將太陽能的發(fā)電用于校園發(fā)電，可以節(jié)省校園的電費和水費的支出。

4.2 生態(tài)效益

利用太陽能資源進行節(jié)電，可節(jié)省煤量為144kg，減排二氧化碳量為357.42kg，雨水的儲備提高了校園水資源的承載能力，維護了環(huán)境生態(tài)平衡，也美化了環(huán)境。

4.3 社會效益

該新型操場排水系統(tǒng)可用于校園的推廣使用，以山東省為例，按照校園數(shù)量約為14267所計算，可節(jié)水2.566×106m3，儲存的雨水資源極大的緩解用水壓力；節(jié)電5.115×106kW·h，節(jié)煤2.052×106kg，減排二氧化碳量為5.095×106kg，高效利用自然資源創(chuàng)造更大的社會效益，為節(jié)能減排建設(shè)海綿城市、海綿校園助力。

5 結(jié)束語

本研究為解決校園操場存在的內(nèi)澇、排水系統(tǒng)設(shè)計不合理和雨水無法回收利用等問題，設(shè)計了一種基于太陽能供電的模塊化智能監(jiān)測、雨水循環(huán)利用新型操場節(jié)水系統(tǒng)。該系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新在于校園操場的模塊化草坪，不僅降低了排水過程中系統(tǒng)的電耗，還方便了同學們使用操場，能高效利用雨水；應(yīng)用創(chuàng)新在于利用太陽能板、云端平臺、感應(yīng)控制系統(tǒng)物聯(lián)集成化形成了以“發(fā)電—用電—省電”、“測雨—降雨—集雨—用雨”的節(jié)能循環(huán)模式。也就是說，該新型操場節(jié)水系統(tǒng)利用太陽能資源為動力，做到既能解決校園操場的內(nèi)澇問題，方便同學們的校園活動，又能充分利用了水資源，緩解校園的用水壓力，具有非常重要的意義，推廣應(yīng)用市場前景廣闊。如果該系統(tǒng)成功運用到各大校園，其節(jié)能減排降耗能效將能得到巨大發(fā)揮。