【應用案例】地下污水廠低碳照明系統的設計及應用

 

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。受限于城市規劃、土地利用率、自然環境等因素，地下或半地下污水廠成為城市污水處理規劃的新方向。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，照明系統的優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境問題，先后發布了一系列建筑節能標準，制定了《節能中長期專項規劃》，這些規范標準明確了民用建筑的節能設計方向。但現代地下或半地下污水廠區別于民用建筑，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的能效和環保性，減少能源消耗，降低二氧化碳排放，達到節能減排的目的。

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中需要設置合適的控制系統，以實現照明的自動化控制和調節，根據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，從而達到節能和提高效率的目的。

3地下污水廠低碳照明系統的設計

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，該工程規模為30萬t/d，其地下操作層包含生物池、加藥間、除系統、二沉池等區域，設計形式為單層工業建筑。以二沉池區域為例，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。

3.2一般照明系統的設計

3.2.1燈具選型

 地下污水廠照明系統的設計，應結合污水廠的實際需求。為實現照明系統采購、運行、維護全流程的低碳理念，在綜合樓、廠房、道路等區域全部采用LED燈具。LED燈具有高節能、可控性強、壽命長、熱量低、環保等優點，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燈具可以通過數字化控制系統進行確的控制，可以調節照明亮度和色溫，實現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；在環保方面，LED燈具不含有汞、鉛等有害物質，不會對環境產生污染，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

采用利用系數法計算燈具數量：

 式中：N為燈具數量；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；U為燈具的利用系數。

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

關于利用系數U，需要先計算室形指數RI，其計算公式為

 式中：RI為室形指數；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，燈具數量為。考慮到計算單元區域由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《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，滿足規范的節能指標要求。

3.3光導照明技術的應用

 在污水廠廠房箱體處理區域設計了一套低碳環保的光導照明系統，如圖2所示。該系統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，可實現設備的現場控制和儀表的現場監測。考慮到光導技術中的導光管在項目建設初期造價較高的特點，為實現社會效益與經濟效益的雙贏，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，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。在計算單元區域中，巡視通道長55.8m，寬4m，通道采光面積A為223.2m2。根據制造商提供的數據可知，導光管管徑尺寸為900mm，截面積At=0.64m2，系統效率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，經查表后利用插值法計算，可知采光利用系數U=0.50，維護系數K=0.8。因此，采用光導管照明區域的平均照度為

。

 光導管照明區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更加智能、高的照明控制，從而達到節能、舒適和環保的效果。地下污水廠的智能照明控制系統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綜合樓中控室內，負責對整個智能照明控制系統進行控制和管理，各照明控制模塊安裝于各分區的照明配電箱內。系統利用實時可靠的通信總線將網絡控制命令發送至各照明控制模塊，同時接收現場的手動/自動工作狀態、燈具的開關狀態和火災自動報警的聯動信號。在各室內區域現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，*大限度地節約照明系統的能耗。通過建立智能照明控制系統，實現了亮度感應、時間控制、遠程控制等功能，幫助地下污水廠實現了更加智能、高、舒適和環保的照明控制。

4 地下污水廠低碳照明系統的特點

 在地下污水廠中應用低碳照明系統，可以在減少能源消耗和碳排放的前提下，實現節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的應用仍然存在一些缺點。

4.1初始成本高。

 低碳照明系統采用的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。

 低碳照明系統的安裝和維護需要專技術人員，如光線的調節和安裝等，一旦出現問題，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。

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

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、荷、儲、充的各個關鍵節點安裝保護、監測、分析、治理裝置，用于監測污水廠能耗總量和能耗強度，監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由變電站綜合自動化系統、電力監控及能效管理系統組成，涵蓋了水務中壓變配電系統、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運行狀況，并且根據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

5.2.1智能照明控制

 系統為污水廠、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，模塊可根據經緯度自動識別日出日落時間實現自動控制功能，盡量利用自然光照，實現室內、廠區照明的智能控制達到安全、節能、舒適、高的目的。

5.3消防應急照明和疏散指示

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

5.3.1消防設備電源監測

 監測消防設備的工作電源是否正常，保障在發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

 

 

 

5.4.2消防應急照明和疏散指示系統

 

 

 

 

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。該系統采用了LED、導光管和智能照明控制等低碳照明技術，實現了更加智能、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，為人類創造更加美好的照明環境。通過對地下污水處理廠照明設計的經驗總結和對規范的研究，形成有效和對性照明設計方法。