太陽能智能噴淋系統的研究與開發

收稿日期：2023-02-09

通信作者：郭?。?986—），男，學士、高級工程師，主要從事物資、設備管理方面的工作。417300984@qq.com

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20230209.03 文章編號：1003-0417（2024）02-86-10

摘 要：在建筑工程項目施工前期，若缺乏市政用電，傳統噴淋系統則無法使用，亟需研究一種新的低能耗的噴淋系統，以滿足施工現場的噴淋需求。從傳統噴淋系統面臨的問題入手，開發出一種太陽能智能噴淋系統，介紹了該噴淋系統的開發思路及設計步驟，并通過測試對其是否可以滿足施工現場的噴淋需求進行了驗證。為降低成本，實現綠色環保要求，該噴淋系統采用“光伏+儲能”形式，且具備移動性與安全性，小容量光伏發電系統可以保障整個太陽能智能噴淋系統的低壓工作環境；針對光伏發電量不足的情況，該噴淋系統加裝了市政用電補償系統電源，從而可保障噴淋系統的實時運轉；該噴淋系統可通過遠程控制技術進行智能化管理，還可以與再生水系統相結合，可最大限度地對施工中的廢水進行再次利用，減少水資源的浪費。經過實際驗證，太陽能智能噴淋系統可以滿足施工現場的噴淋需求，符合綠色環保、節能減排的標準，且具備較好的安全性、經濟性和社會效益，為建筑施工項目進一步強化節能、提高能效提供了可能。

關鍵詞：噴淋系統；太陽能；光伏組件；用電設備；儲能裝置；環保

中圖分類號：TM615/TU733 文獻標志碼：A

0" 引言

20世紀90年代，美國太陽能協會創始人首次提出太陽能建筑住宅一體化的構想，根據這一構想，太陽能行業研究人員研究出了大量的太陽能建材產品，太陽能利用技術逐漸走進人們的視野[1]。例如，將光伏發電與建筑結合的應用形式，應用于建筑屋面的大功率光伏組件如圖1所示。

2021年，中共中央政治局會議提出，要統籌有序做好碳達峰、碳中和工作，盡快出臺2030年前碳達峰行動方案，堅持全國一盤棋，糾正運動式“減碳”。其中，及時制止運動式“減碳”這一政策備受人們關注[2]。中國大氣污染主要來源于煤炭的巨量消耗，而善加利用豐富的太陽能、地熱能、海洋能、風能、生物質能等可再生能源，可以改變能源結構。

據不完全統計，截至2022年底，中國家用光伏電源的累計推廣量約為15萬臺（套），總功率約為2.9 MW。光伏發電為上海世博會提供了很大幫助，為展館減輕了40%的能源壓力。由此可見，將“光伏+儲能”帶動電氣設備的概念運用在建筑的電氣設計中可更好地利用光伏發電技術的獨特優勢[3]。在部分城市街道上，經常能看到太陽能監控設備、太陽能警示燈、太陽能交通信號燈、太陽能路燈等各種太陽能設備，如圖2所示。

2013年，許耀新[4]研發了一種太陽能自動噴淋系統，發揮了太陽能的獨特優勢，利用水位差變化實現該系統的電能控制，使該系統具有定時開關的功能。該太陽能自動噴淋系統的產品示意圖[4]如圖3所示。

據了解，在建筑領域中，許多建筑工程項目由于夜間無市政用電照明，會在白天采用小的儲能裝置收集電能，并于夜間自動開啟用于現場照明。雖然太陽能照明類應用在建筑領域中很常見，但太陽能噴淋設備的應用卻鮮少見到。針對建筑工程項目而言，在打圍階段，需要為圍擋增加噴淋系統，噴淋系統是否有效運行會直接影響項目的施工進度。但傳統的噴淋系統自帶大功率用電設備，在缺少發電機、箱式變壓器的情況下，沒有市政用電會對項目的安全生產造成巨大影響。而利用“光伏+儲能”帶動大功率用電設備并非易事，因此研發出低能耗的太陽能噴淋系統成為當務之急。

縱觀國內市場，尚缺乏成熟的太陽能噴淋系統，鑒于此，本文針對傳統噴淋系統面臨的問題，從直流水泵入手，開發出一種太陽能智能噴淋系統。為降低其成本，實現綠色環保要求，該系統采用“光伏+儲能”的形式，將儲能裝置置于太陽能智能噴淋系統中以達到收集電能的目的，既可滿足直流水泵的使用要求，還可以滿足太陽能智能噴淋系統自身移動性與安全性的需求；最終通過測試對該系統是否可以滿足施工現場的噴淋需求進行驗證。

1" 太陽能智能噴淋系統方案的形成

1.1" 傳統噴淋系統面臨的問題

傳統噴淋系統實物圖如圖4所示。對傳統噴淋系統的結構組成進行研究后，發現有以下3個問題需要解決：

1）建筑工程施工隊伍進場后，需要在項目現場的臨時圍擋上搭設噴淋系統，安裝現場需要鋪設大量電纜線，而市政用電往往不能及時送達。

2）傳統噴淋系統采用的三級控制柜，無任何智能功能，一般施工時也不會派人專門值守，且控制柜數量較多，不方便操控。

3）傳統噴淋系統的用電設備大部分采用220 V高壓供電，更有甚者采用380 V高壓供電，且其用電設備的功率高，通常為3 kW或6 kW，而噴淋設備周邊環境難免潮濕，使用大功率用電設備存在安全隱患。

1.2" 太陽能智能噴淋系統的運行特性及開發思路[5]

針對上述傳統噴淋系統需要解決的3個問題，本文設計了一套能自動噴淋的太陽能智能噴淋系統，采用光伏組件、蓄電池、直流水泵、遠程控制器、儲水箱進行組合設計，利用光伏發電對噴淋系統自動供能，從而可節約市政用電。充分發揮局域網優勢，在太陽能智能噴淋系統中嵌入手機APP遠程控制，通過實時控制與監測的方式達到對施工現場噴淋系統智能管控的目的。為保障太陽能智能噴淋系統運行的安全性，借助低壓用電技術，采用新的用電設備并設計控制系統，保證用電設備與控制系統所采用的電壓均為12 V安全電壓。本太陽能智能噴淋系統的實物圖如圖5所示。

結合施工現場實際情況，本太陽能智能噴淋系統的開發思路包括：

1）開發控制系統可移動功能，通過將控制系統設置在可移動裝置中，使太陽能智能噴淋系統具備移動功能，以滿足太陽能智能噴淋系統可隨施工位置不斷變化快速就位的要求，從而減少控制系統的投入數量，但應滿足施工現場各種噴

淋養護的需要；同時，光伏組件采用自動追光設計，可隨日照方向自動旋轉，以提高光伏組件發電效率。

2）開發噴淋系統恒壓控制技術，采用“儲水箱+恒壓泵”組合，一方面保證噴淋系統的供水壓力，另一方面保證噴淋管網恒壓，以確保施工現場的噴淋效果；儲水箱的水位高度采用浮球閥進行自動控制。

3）采用市政用電補償控制技術，加裝市政用電補償系統電源[6]，從而可保障太陽能智能噴淋系統的日常正常運行，一旦出現光伏發電系統提供電力不足的情況，及時驅動市政用電實現補償。市政用電補償系統電源加裝在太陽能智能噴淋系統的配電柜中，如圖6所示。

2" 太陽能智能噴淋系統的設計步驟

對本太陽能智能噴淋系統的設計步驟進行具體說明。

1）選擇直流水泵及蓄電池的規格。查閱相關資料，確定本噴淋系統選擇規格為12V/100W的直流水泵；通過試驗對該直流水泵的性能進行驗證，測試得到其出水量為8 L/min，與該直流水泵廠家給出的參數相當，其工作電流為6 A。

蓄電池的容量P需要滿足以下公式：

P=IH" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：I為直流水泵的工作電流，A；H為直流水泵的工作時長，h。

以直流水泵的工作時長為8 h進行設計，根據式（1），蓄電池容量滿足大于48 Ah即可。綜合考慮，本太陽能智能噴淋系統的儲能裝置采用1組12V/65Ah的蓄電池。

通過測試發現，1組12V/65Ah的蓄電池可帶動12V/100W的直流水泵工作10 h，可滿足施工現場日常噴淋的工作需求。若想提高直流水泵的工作能力，采用2組12V/65Ah的蓄電池并聯，可帶動12V/100W的直流水泵工作19 h；采用3組12V/65Ah的蓄電池并聯，可滿足12V/100W的直流水泵24 h不停工作。

2）將蓄電池充滿電后，按12V/100W的直流水泵負載總長度200 m的噴淋管網和40個流量為0.02 L/min的噴頭進行測試，該噴淋系統未達到預期噴淋效果。考慮到可能是水壓造成的影響，為確保噴淋水壓，將負載減少為總長度100 m的噴淋管網和20個流量為0.04 L/min的噴頭再次進行測試，該噴淋系統達到了預期噴淋效果，能滿足施工現場噴淋需求。實驗條件下太陽能智能噴淋系統的使用效果如圖7所示。

3）進水處管道的進水流量為30 L/min，為了減少進水流量對儲水箱中浮球閥的沖擊，需要縮小進水管的管徑，管徑縮小后的進水流量為15 L/min。儲水箱容積的設計儲水量為“能滿足無補給水情況下工作20 min”，根據搭配負

載后的實測情況，當直流水泵的抽水流量為3 L/min時，儲水箱的設計儲水量至少為60 L。為了方便加工，儲水箱采用400 mm×500 mm×350 mm的容積尺寸。

4）儲水箱采用厚度為3 mm的不銹鋼板拼裝而成。在儲水箱指定位置加工進水口，并在進水口內側安裝浮球閥、在外側安裝DN15公頭；公頭一側與浮球閥連接，另一側與DN15軟水管的出水口對接；DN15軟水管的進水口與市政供水管網的出水口相連。

5）在儲水箱底部加工出水口，在出水口處安裝海底閥，以便清理儲水箱；儲水箱供水口與管徑為φ20的噴淋管網相連接。安裝海底閥后對儲水箱進行測試，打開海底閥，進水流量大于出水流量時，浮球閥正常工作，儲水箱能保持設計水位；關閉海底閥，進水流量為15 L/min、直流水泵不工作的情況下，浮球閥可控制儲水箱水位。儲水箱的水循環能滿足太陽能智能噴淋系統的噴淋需求。

6）安裝密封膠條，防止水濺射溢出儲水箱造成滴漏。在儲水箱上安裝鋼板，用于安裝直流水泵與蓄電池，并加裝遠程控制器。組裝完成后進行測試，可滿足設計要求。

7）設計1個尺寸為400 mm×500 mm×400 mm的配電柜對整個控制系統進行封裝。同時，考慮到施工現場的噴淋及養護用水點較為分散，在太陽能智能噴淋系統下部安裝移動裝置，可使該噴淋系統快速移動至作業需要的位置。

8）在配電柜上方安裝光伏組件（見圖5）。傳統噴淋系統采用固定式的市政電網方式進行供電，與之相比，本太陽能智能噴淋系統的優勢在于若無特殊情況，不需要配置電纜線，可采用光伏發電系統獨立供電，且具備較好的移動性。同時，光伏組件配置了追光系統，其可以隨著日照方位的變化而轉動，提高光伏組件接收的太陽輻射量，從而提高其發電效率。

需要說明的是，當前所描述配置為本太陽能智能噴淋系統的最低配置，本噴淋系統可以根據實際用電需求量增加光伏組件，也可以根據實際發電量增加蓄電池，從而保證太陽能智能噴淋系統可滿足各種施工現場作業參數需求。

9）加裝市政用電補償系統電源。陰、雨等天氣會造成光伏組件表面接收的太陽輻射量減少。將光伏組件與蓄電池連接，通過手機APP監測蓄電池的充放電情況。從測試數據可以看出，陰、雨天氣條件下蓄電池無充電電流。因此，若無電力補償裝置，特殊天氣條件時太陽能智能噴淋系統的正常運行會受到影響。

基于此，為彌補光伏發電的不足之處，采取市政用電補償策略，在太陽能智能噴淋系統中加裝市政用電補償系統電源[7]。在陰、雨天氣情況下，可手動打開市政用電供電開關（也可以一直開著），當光伏發電量不足時，啟動市政用電進行用電補償，確保太陽能智能噴淋系統的正常運行。太陽能智能噴淋系統增設了接觸器，可通過接觸器自動切換該噴淋系統的供電模式，控制光伏發電與市政用電單項輸入儲能裝置。接觸器安裝在配電柜中；儲能裝置電路設置有電壓表與鑰匙開關；配電柜設置開關，用于控制太陽能智能噴淋系統采用自動控制模式或手動控制模式。本太陽能智能噴淋系統策略圖如圖8所示。

本太陽能智能噴淋系統的電路圖如圖9所示。當接觸器常閉觸點閉合，此時光伏發電量通入控制器，太陽能智能噴淋系統采用光伏發電供電。當光伏發電量不能滿足需要時，啟動市政用電補償系統電源，繼電器KA1吸合，接觸器常開觸點閉合，此時市政用電通入控制器，太陽能智能噴淋系統采用市政用電供電；市政用電的充電器安裝在接觸器的前端，自帶保護功能，蓄電池充滿后會自動切斷市政用電。

經過實測驗證，加裝市政用電補償系統電源后，本太陽能智能噴淋系統在任何天氣條件下均可正常運行。

3" 實際運行情況分析

3.1" 根據電力需求調整光伏組件配置

安裝完成后進行太陽能智能噴淋系統使用測試。太陽能智能噴淋系統運行期間可在手機上通過APP對其運行情況進行監控；其還可以根據施工現場實際噴淋需求情況增加光伏組件配置的數量[8]。

以配置12V/100W的直流水泵、放電電流為6 A作為基礎條件，對本太陽能智能噴淋系統的光伏組件配置情況進行測試。光伏組件配置數量不同的情況下手機APP顯示的信息監控界面如圖10所示。

測試結果顯示：本太陽能智能噴淋系統配置12V/100W的直流水泵、放電電流為6 A的情況下，采用1塊光伏組件的配置（即最低配置）時，實測得到蓄電池的日累計充電量為14.5 Ah，可滿足太陽能智能噴淋系統每日工作2 h；采用6塊光伏組件并聯的配置時，實測得到蓄電池的最大充電電流可達5.2 A，日累計充電量可達55 Ah，可滿足太陽能智能噴淋系統24 h無間斷運行所需電量。用戶可根據施工現場噴淋要求自行調整光伏組件的配置數量。

3.2" 系統的維修保養

太陽能智能噴淋系統的維修保養需要注意以下幾個方面：

1）需要及時清潔光伏組件的采光面。先對光伏組件表面進行清掃，當污垢無法清掃干凈時，可以使用清水進行清洗。

2）需要重點做好光伏組件下方金屬支架的防腐與固定工作。

3）使用過程中需對光伏組件的電性能參數進行定期檢測，以保證光伏組件的正常運行。

3.3" 經濟效益分析

對單臺傳統噴淋系統與本太陽能智能噴淋系統的制造成本進行對比，具體如表1所示。

從表1可以看出：單臺太陽能智能噴淋系統的制造成本為5295元，單臺傳統噴淋系統的制造成本為8750元，太陽能智能噴淋系統的制造成本明顯低于傳統噴淋系統的制造成本。

另外，傳統噴淋系統只能依靠市政用電才能工作，以其工作電機為3 kW交流水泵為例進行估算，其每日工作8 h需要耗電24 kWh；按電價0.6元/kWh計算，電費為14.4元/天。

本太陽能智能噴淋系統已獲得國家實用新型專利（ZL 2022 2 1672505.9），但尚未被廣泛推廣使用。在房建施工領域，此前一直存在太陽能設備投入高、效率低的錯誤認知；再加上房建項目前期的資金非常緊張，傳統噴淋系統的安裝周期短，而本文設計的太陽能智能噴淋系統目前尚不能批量生產和安裝，制作周期較長且使用效果存在一定風險，一旦出現問題，施工現場的噴淋需求無法得到滿足，會影響施工現場的環保效果。因此，考慮是否可以采用本太陽能智能噴淋系統的光伏發電系統帶動傳統的3 kW交流水泵。經過估算，該噴淋系統的光伏發電系統采用最低配置時的日發電量為14.5×12=174 Wh，不足1 kWh，施工現場的噴淋需求無法得到滿足。由此可見，用電設備選型直接關系到噴淋系統的使用，因此，為提高經濟效益，需要采用低能耗的用電設備。

本太陽能智能噴淋系統采用12V/100W的直流水泵，降低用電設備能耗的同時，還可以調整光伏組件配置，從而滿足施工現場的實際噴淋需求。

在中鐵八局集團有限公司白鶴花園棚戶區改造項目一期、二期工程的施工中對本太陽能智能噴淋系統的實際使用情況進行了試驗。試驗分為4個區域，均為100 m臨時圍擋長度（均設置1臺噴淋設備），試驗時間為7個月。其中，分別采用傳統噴淋系統和太陽能智能噴淋系統的方案為24 h不間斷運行，采用“外架濕法作業+傳統噴淋系統”和“塔式起重機+太陽能智能噴淋系統”的方案為每日工作8 h。對試驗期間采用不同噴淋系統方案時的費用情況進行對比，具體如圖11、圖12所示。

從圖11、圖12可以看出：試驗期間，涉及太陽能智能噴淋系統的噴淋方案的費用均較低且較為平穩。另外，從4種噴淋方案的費用統計數據分析得出，除初期制造及安裝成本外，傳統噴淋系統一直有電費支出，而太陽能智能噴淋系統

為零支出（試驗期間日照條件較好，市政用電補償系統一直未啟動），經濟效益較為明顯。

3.4" 社會效益分析

為實施國家可持續發展戰略，基本國策中提出了環境保護，基于當前能源緊張的形勢，以及國家碳中和、碳達峰目標的提出和綠色發展的國情，政府在不斷推進可再生能源的發展，積極倡導使用太陽能產品，人們也越來越關注如何在生產生活中進行節能降耗。太陽能屬于可再生能源，雖然其不能循環利用，但因其具有獨特的優勢，其應用不僅可以減輕環境保護的壓力，從能源來源角度還是“免費”使用，大幅降低了能源成本。

在水資源利用方面，在開發設計太陽能智能噴淋系統期間，嘗試將此系統與再生水系統相結合，以達到最大限度地對施工中的廢水進行再次利用，減少水資源的浪費，使太陽能智能噴淋系統達到更好的環保效果，并提高該噴淋系統的社會效益。

3.5" 小結

綜合前文分析，對傳統噴淋系統和太陽能智能噴淋系統兩種方案的性能進行對比總結，如表2所示。

太陽能智能噴淋系統與其他噴淋系統最大的區別在于成本低，且其自身具備清潔與可再生能源產品的優勢，符合節能減排的政策要求；同時，其推廣應用也有助于可再生能源的開發利用，可以助力改善能源結構，實現綠色環保的可持續發展格局。基于此，建議可在全國范圍內推廣應用本太陽能智能噴淋系統。

4" 結論

本文針對傳統噴淋系統面臨的問題，開發出一種太陽能智能噴淋系統，介紹了該噴淋系統的開發思路及設計步驟，并通過測試對其是否可以滿足施工現場的噴淋需求進行了驗證。該噴淋系統為“光伏+儲能”形式，且具備移動性與安全性，小容量光伏發電系統可以保障整個太陽能智能噴淋系統的低壓工作環境；針對光伏發電量不足的情況，該噴淋系統加裝了市政用電補償系統電源，從而可保障系統的日常實時運轉；通過遠程控制技術，可對該噴淋系統進行智能化管理；該噴淋系統還可以與再生水系統相結合，可最大限度地對施工中的廢水進行再次利用，減少水資源的浪費。經過實際驗證，太陽能智能噴淋系統可以滿足施工現場的噴淋需求，其不僅能夠達到綠色環保、節能減排的標準，同時適用性與經濟性較好，操作人員的工作效率也得到明顯提升。

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RESEARCH AND DEVELOPMENT OF SOLAR INTELLIGENT SPRINKLER SYSTEM

Guo Jun

（No.7 Engineering Company of China Railway No.8 Engineering Group Co.，Ltd，Chengdu 610300，China）

Abstract：In the early stage of building construction projects，due to the lack of municipal electricity，traditional sprinkler systems cannot be used，and there is an urgent need to research a new low energy consumption sprinkler system to meet the sprinkler needs of the construction site. This paper starts with the problems faced by traditional sprinkler systems，develops a solar intelligent sprinkler system，introduces the development ideas and design steps of the sprinkler system，and verifies whether it can meet the sprinkler needs of construction sites through testing. To reduce costs and meet green environmental protection requirements，the sprinkler system adopts a \"PV + energy storage\" form and it has mobility and security. The small capacity PV power generation system can ensure the low-voltage working environment of the entire solar intelligent sprinkler system. In response to the insufficient PV power generation capacity，this sprinkler system has installed a municipal power compensation system power supply，which can ensure the real-time operation of the sprinkler system. This sprinkler system can be intelligently managed through remote control technology，and can also be combined with recycled water systems to maximize the reuse of wastewater during construction and reduce water resource waste. After practical verification，the solar intelligent sprinkler system can meet the sprinkler needs of construction sites，meet the standards of green environmental protection，energy conservation and emission reduction，and have good safety，economic and social benefits. It provides the possibility for building construction projects to further strengthen energy conservation and improve energy efficiency.

Keywords：sprinkler system；solar energy；PV modules；electrical equipment；energy storage devices；environmental protection