花園智能養護管理與城市綜合能源系統規劃建設的展望

石 巖

(華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206)

1 引言

目前，我國步入“五位一體”的發展新布局，同時在“十三五”期間確立“創新、協調、綠色、開放、共享”的發展新理念，城市中各式各樣的花園大面積出現。隨著綠地面積的增加，相應的配套養護管理手段仍大多局限于手工操作。這種監管模式一方面對每個勞動者提出了體力要求，另一方面無法實現自動監管導致對花園的各種響應不及時。例如僅花園養護管理中灌溉一項，就存在諸多問題，這些問題共同導致了水資源利用率低下。城市花園作為較為獨立的一個區域，可作為城市微網的最佳示范區，可極大提高資源利用率。同時，城市花園系統也可與海綿城市及地下綜合管廊系統緊密結合，提高城市智慧化水平。

2 城市花園管理現狀

2.1 自動化水平低

自工業革命以來，提高自動化就成為了各行各業的最終目標，以量化指標代替經驗指標。但作為快速發展的城市花園還大量依賴人力工作，養護管理水平依賴于園林工人的技術水平。為了降低人工成本，聘用園林工人大多沒有專業知識背景，即專業素質不高。這就導致病蟲害防治不及時、澆灌時間不合理、缺乏監護等問題的出現。

2.2 資源利用率低

我國水資源貧乏，人均可利用淡水資源僅為世界平均值的1/4。據統計我國部分城市綠化用水已達到城市居民生活用水的36.8%，但由于我國大部分城市采用大水漫灌的方式，導致約80%的水因深層泄露變成無效水[1]。我國的平均灌溉水利用率約40%，而發達國家的灌溉水利用率可達到80%～90%。同時，自然降水大多未得到及時蓄積利用，處理后的城市污水也很少用于花園灌溉的循環利用。

城市花園散布在市區中人口聚集區，大多是市民散步的最佳去處，故有必要安裝相應的照明設施。目前其照明常常采用連續不間斷照明，照明時間一般從晚七點至12點。但九點以后花園明顯人流減少，這就造成了電能的浪費，加重了電網負荷。

3 智能花園養護管理系統規劃

整個智能養護管理系統由智能澆灌系統、水路監控系統、照明控制系統3個模塊構成，3個系統之間互相耦合、信息共享。由于花園空間寬闊可采用光伏板及蓄電池，給控制系統及其他電力消耗裝置供能，以形成城市花園微網。

智能澆灌系統應該做到因灌溉對象的需水要求而設計，這就要求因“植”制宜，自動根據現場實時的氣候、植物、土壤濕度進行量化澆灌。在達到節水目標的同時，也有利于實現草坪、花卉的長勢均勻、色澤豐富。因而為實現對水資源的高效利用，需對氣象溫度、濕度、降水、光照等因素[2]進行綜合考慮，實現按需、按量自動灌溉。在建設初期對不同區域的規劃即可確定相應的澆灌方式，故而分布式計算機在獲得前述相關參數時可根據預設數值直接控制電磁閥啟停。值得注意的是，對于土壤濕度的檢測應選取表層及深層兩個參數，以提高檢測精度，由于大多數花園植被的根系不會低于土壤表面20 cm，故而可將深層取樣點定為據土壤表層20 cm處。

水路監控系統主要防止水管破裂及電磁閥“偷挑”引起的跑水，為了使其與現行管道鋪設達到最大兼容，受電路中KCL定律的啟發，在花園供水管道分支入口處增加基于霍爾效應的流量傳感器。在系統未達到開啟條件而存在流量數據時，即判斷為出現了跑水現象。此時也可通過電力線載波通信通知遠方值班人員及時處理故障。

照明設備應在無人時自動關停，有人時自動開啟，這可以通過光敏及人體紅外傳感器參數的變化，由分布式計算機控制。這樣在保證路人需求的前提下可以實現對電能的節約。

在不久的將來，我們甚至可以通過城市中的監控系統結合計算機視覺技術，在智能養護管理系統中實現城市花園病蟲害檢測預防、快速無損花園植被生長狀況監測等功能。

4 現代城市建設與綜合能源系統的展望

4.1 海綿城市與城市綜合管廊建設展望

海綿城市是指城市對于自然降水可以做到吸納、蓄存、過濾和凈化，減小城市內澇風險。在進行城市綜合管廊系統建設時，可將綠地供水系統與城市生活用水系統分離，這樣既可以降低對于自然水供水系統的供水壓力，又可以通過將蓄水池中的水直接泵至綠化水系統以提高雨水的消納與利用率。雖然雨水利用在20世紀的發達國家就達到了標準化及產業化水平，但在我國起步較晚，僅在部分極度缺水城市小規模得以嘗試性應用并取得了良好效果。以首鋼工業區改造為例，其構建的“生態海綿”城市區由雨水凈化系統、雨水滲透系統和雨水蓄集利用系統組成。改造中的核心技術是綠地改造，結合城市雨水匯集等綜合雨水利用技術實現了類似海綿吸收的生態方式。在未來城市花園中，綠化水的調度可僅作為海綿城市蓄水的重要部分，有效減緩缺水城市的供水壓力[3]。

4.2 綜合能源系統的應用展望

能源是人類賴以生存和發展的基礎，是國民經濟的命脈。原有各供能系統單獨規劃、單獨設計和獨立運行的模式，無法充分發揮能源潛力，會對能源造成浪費。對能源系統進行一體化規劃設計和運行優化，以形成統一的社會綜合能源系統、承接全球能源互聯網，將成為保障用能安全與社會穩定的必經之路。在能源需求大幅度增長與環境保護日益迫切的雙重壓力之下，美、加等國家將注意力投向了未來30～50年后人類社會能源的主要承載形式——綜合能源系統(integrated energy system，IES)[4]。微網(Microgrid)項目與美國、加拿大所提IES類似，目的是研究用戶側終端IES中各類能源的友好利用和開發。

由于城市花園的用電負荷需求穩定，不存在較大波動，這就對其孤島運行提供了極大便利。就城市能源網來看，城市花園作為一個獨立的荷節點，結合光伏及小型蓄電池，在日常中完全可以作為電力孤島運行。一旦出現長時間陰雨，則可以并網運行。實際上，德國等主要發達國家已建成了綜合能源系統的初步形式，例如德國馬德格堡氣電水綜合能源調度中心，就可以實現對馬德格堡所需全部氣電水進行同步調度，滿足居民需求。

5 結語

城市花園在提高城市宜居性的同時也帶來了一些問題，本文在電能與水資源利用方面進行了初步討論，便顯示出其廣闊的應用前景。相信城市花園終將克服其種種問題，為市民的生活提供便利，也為智慧城市的建設提供參考。