模塊化新型操場(chǎng)節(jié)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

劉志強(qiáng) 胡耀東 劉逸飛 張鴻飛 高曉文

（1.聊城大學(xué)季羨林學(xué)院，山東 聊城 252000；2.聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252000）

0 引言

隨著“碳達(dá)峰，碳中和”目標(biāo)的提出，節(jié)能環(huán)保進(jìn)校園成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)。“海綿校園”、“陽(yáng)光操場(chǎng)”的設(shè)計(jì)提供了校園改造的典范。丁琨等[1]對(duì)安徽建筑大學(xué)新校區(qū)采用鋪裝透水、廣場(chǎng)下沉等集水設(shè)施有效解決了校園熱島和內(nèi)澇問(wèn)題；吳潔等[2]以湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院新建園區(qū)為例，建立SWWM模型對(duì)單項(xiàng)LID設(shè)施（下凹綠地、植草溝等）排水效果進(jìn)行評(píng)估，為有效控制校園內(nèi)雨水徑流提供了解決方案；黃鍇強(qiáng)等[3]針對(duì)學(xué)生宿舍用電量大等問(wèn)題，利用太陽(yáng)能集熱蓄熱，設(shè)計(jì)了一種基于熱回收的太陽(yáng)能新風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)利用太陽(yáng)能建設(shè)綠色校園實(shí)現(xiàn)了技術(shù)創(chuàng)新。

本文參考上述綠色校園的設(shè)計(jì)，結(jié)合聊城大學(xué)操場(chǎng)內(nèi)澇嚴(yán)重、排水低效、使用不便以及缺少監(jiān)測(cè)管理等問(wèn)題，采用“模塊化”思想設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)和光伏發(fā)電技術(shù)的操場(chǎng)節(jié)水系統(tǒng)。本文就該模塊化新型操場(chǎng)節(jié)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1 新型操場(chǎng)節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景與設(shè)計(jì)思路

1.1 設(shè)計(jì)背景

聊城大學(xué)東校區(qū)操場(chǎng)包括足球場(chǎng)、跑道、看臺(tái)等，占地總面積約10000m2，在雨季排水緩慢內(nèi)澇嚴(yán)重，積水深度可達(dá)1m，導(dǎo)致操場(chǎng)使用不便，雨水資源浪費(fèi)。通過(guò)對(duì)操場(chǎng)內(nèi)部設(shè)施進(jìn)行初步調(diào)研后發(fā)現(xiàn)：操場(chǎng)的排水口為矩形，單個(gè)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(chǎng)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(cè)平臺(tái)對(duì)雨量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，雨水經(jīng)排水口直接流入地下污水管道，沒(méi)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(jì)思路

針對(duì)聊城大學(xué)操場(chǎng)易發(fā)生內(nèi)澇且水資源浪費(fèi)較為嚴(yán)重的現(xiàn)象，結(jié)合查找到的雨量監(jiān)測(cè)儀器和方法，做出合理性假設(shè)：可以通過(guò)新型可再生能源和云端感應(yīng)控制等技術(shù)方法實(shí)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(yáng)能供電的模塊化智能監(jiān)測(cè)雨水循環(huán)利用新型操場(chǎng)排水系統(tǒng)。設(shè)計(jì)時(shí)采用的主要設(shè)計(jì)思路為：

（1）以足球場(chǎng)作為主要排水功能區(qū)，擴(kuò)大排水場(chǎng)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(cè)與智能控制系統(tǒng)，根據(jù)雨量大小進(jìn)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(yáng)能發(fā)電作為新型操場(chǎng)系統(tǒng)通信模塊用電供給，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)綠色運(yùn)行。

2 新型操場(chǎng)節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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

設(shè)計(jì)了一種基于太陽(yáng)能供電的模塊化智能監(jiān)測(cè)雨水循環(huán)利用新型操場(chǎng)排水系統(tǒng)，該監(jiān)測(cè)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(xué)雨量傳感器、太陽(yáng)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(guò)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(xué)雨量傳感器、太陽(yáng)能電池板安裝在固定支架上，光學(xué)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(cè)平臺(tái)無(wú)線連接，監(jiān)測(cè)平臺(tái)與管理人員終端通信連接。當(dāng)降雨時(shí)光學(xué)雨量傳感器檢測(cè)雨量，通過(guò)通信模塊傳給監(jiān)測(cè)平臺(tái)，監(jiān)測(cè)平臺(tái)判斷雨量閾值通過(guò)控制模塊打開不同模塊下的電磁閥進(jìn)行排水；當(dāng)蓄水池超過(guò)蓄水池容量時(shí)，超過(guò)蓄水池容量的雨水通過(guò)控制裝置打開管道閥門將雨水排入污水處理管道，通過(guò)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(gè)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(gè)模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)由控制模塊、通信模塊、檢測(cè)平臺(tái)、光學(xué)雨量傳感器、檢測(cè)平臺(tái)和管理人員構(gòu)成。光學(xué)雨量傳感器、太陽(yáng)能電池板安裝在固定支架上，光學(xué)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(cè)平臺(tái)無(wú)線連接，監(jiān)測(cè)平臺(tái)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(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作排水系統(tǒng)。

2.3 隔震層小孔排列方案設(shè)計(jì)

為了更好的發(fā)揮模塊草坪的滲水功能以及從經(jīng)濟(jì)上盡可能的減少實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開支，優(yōu)化該智能控制草坪，通過(guò)嘗試不同小孔排列方式下該動(dòng)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(shí)驗(yàn)方法，該實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，單個(gè)模塊的小孔個(gè)數(shù)在3種陣列方案下均為4個(gè)，對(duì)此本實(shí)驗(yàn)課題提出了3種不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。如圖3所示。該實(shí)驗(yàn)的情景選取依次為小雨，中雨，大雨3種不同天氣。模擬實(shí)驗(yàn)的裝置采用實(shí)體模型，降雨的過(guò)程由人工灑水代替。實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)道具為秒表，準(zhǔn)確記錄每個(gè)陣列組合下在24h的時(shí)間內(nèi)排水的容量，每個(gè)情景均采取3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，取平均值。實(shí)驗(yàn)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(gè)模塊草坪3種小孔陣列方式排水量（單位：m3）

由上述實(shí)驗(yàn)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(shuō)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(chǎng)節(jié)水系統(tǒng)應(yīng)用效果計(jì)算分析

3.1 雨水收集利用及蓄水容量計(jì)算分析

以聊城市聊城大學(xué)操場(chǎng)為例，傳統(tǒng)的校園操場(chǎng)易發(fā)生內(nèi)澇，水資源利用率較低。同時(shí)通過(guò)實(shí)際調(diào)查與實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)聊城大學(xué)操場(chǎng)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(wú)法起到快速和高效排水，也缺少對(duì)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(guò)單個(gè)模塊下的排水管道傳送至地下蓄水池收集雨水，實(shí)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(gè)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(duì)應(yīng)的徑流系數(shù)；

hy——設(shè)計(jì)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(jì)算可得：

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

因此考慮到操場(chǎng)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(jì)算：

由計(jì)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(chǎng)雨水資源浪費(fèi)及內(nèi)澇嚴(yán)重的問(wèn)題。

3.2 太陽(yáng)能發(fā)電與系統(tǒng)用電計(jì)算分析

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

式中：

T——該月份的平均日長(zhǎng)；

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(yáng)角度的平均值，φ″為太陽(yáng)能板相對(duì)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(dāng)前月份為四月份，參考文獻(xiàn)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(yáng)能板固定不動(dòng)時(shí)，太陽(yáng)能板平均每天接收的太陽(yáng)輻射量W1為：

應(yīng)用于聊城大學(xué)東校區(qū)操場(chǎng)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(gè)，功率為P=0.18W，以全天24h計(jì)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(jì)算得W3=1.794kW·h。按照年平均晴天數(shù)為200計(jì)算，推廣至年平均節(jié)電量W為323kW·h。根據(jù)專家統(tǒng)計(jì)：“節(jié)約1度電=減排0.997千克二氧化碳”，計(jì)算得到二氧化碳減排量E為357.42kg。

通過(guò)計(jì)算太陽(yáng)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(shí)可以減少碳排放降低污染，符合“雙碳”政策。

4 新型操場(chǎng)節(jié)水系統(tǒng)應(yīng)用效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

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

4.2 生態(tài)效益

利用太陽(yáng)能資源進(jìn)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(chǔ)備提高了校園水資源的承載能力，維護(hù)了環(huán)境生態(tài)平衡，也美化了環(huán)境。

4.3 社會(huì)效益

該新型操場(chǎng)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(jì)算，可節(jié)水2.566×106m3，儲(chǔ)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(huì)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(yǔ)

本研究為解決校園操場(chǎng)存在的內(nèi)澇、排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理和雨水無(wú)法回收利用等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于太陽(yáng)能供電的模塊化智能監(jiān)測(cè)、雨水循環(huán)利用新型操場(chǎng)節(jié)水系統(tǒng)。該系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新在于校園操場(chǎng)的模塊化草坪，不僅降低了排水過(guò)程中系統(tǒng)的電耗，還方便了同學(xué)們使用操場(chǎng)，能高效利用雨水；應(yīng)用創(chuàng)新在于利用太陽(yáng)能板、云端平臺(tái)、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(cè)雨—降雨—集雨—用雨”的節(jié)能循環(huán)模式。也就是說(shuō)，該新型操場(chǎng)節(jié)水系統(tǒng)利用太陽(yáng)能資源為動(dòng)力，做到既能解決校園操場(chǎng)的內(nèi)澇問(wèn)題，方便同學(xué)們的校園活動(dòng)，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(chǎng)前景廣闊。如果該系統(tǒng)成功運(yùn)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。