模块化新型操场节水系统的设计及其应用
刘志强 胡耀东 刘逸飞 张鸿飞 高晓文
（1.聊城大学季羡林学院，山东 聊城 252000；
2.聊城大学建筑工程学院，山东 聊城 252000）
随着“碳达峰，碳中和”目标的提出，节能环保进校园成为社会关注的热点。“海绵校园”、“阳光操场”的设计提供了校园改造的典范。丁琨等[1]对安徽建筑大学新校区采用铺装透水、广场下沉等集水设施有效解决了校园热岛和内涝问题；
吴洁等[2]以湖北交通职业技术学院新建园区为例，建立SWWM模型对单项LID设施（下凹绿地、植草沟等）排水效果进行评估，为有效控制校园内雨水径流提供了解决方案；
黄锴强等[3]针对学生宿舍用电量大等问题，利用太阳能集热蓄热，设计了一种基于热回收的太阳能新风系统，对利用太阳能建设绿色校园实现了技术创新。
本文参考上述绿色校园的设计，结合聊城大学操场内涝严重、排水低效、使用不便以及缺少监测管理等问题，采用“模块化”思想设计了一种基于物联网和光伏发电技术的操场节水系统。本文就该模块化新型操场节水系统的设计和应用进行介绍。
1.1 设计背景
聊城大学东校区操场包括足球场、跑道、看台等，占地总面积约10000m2，在雨季排水缓慢内涝严重，积水深度可达1m，导致操场使用不便，雨水资源浪费。通过对操场内部设施进行初步调研后发现：操场的排水口为矩形，单个面积约15cm2，主要集中在跑道四周，且分布不均匀容易堵塞；
足球场铺盖人工草坪，存在渗水现象使雨水径流集中；
缺少管理人员或监测平台对雨量实时监测，雨水经排水口直接流入地下污水管道，没有采取“雨污分流”的节水措施，雨水循环利用率低。
1.2 设计思路
针对聊城大学操场易发生内涝且水资源浪费较为严重的现象，结合查找到的雨量监测仪器和方法，做出合理性假设：可以通过新型可再生能源和云端感应控制等技术方法实现水资源的循环利用。因此提出了一种立足于节能减排的基于太阳能供电的模块化智能监测雨水循环利用新型操场排水系统。设计时采用的主要设计思路为：
（1）以足球场作为主要排水功能区，扩大排水场地面积，利用草坪的渗水性将雨水渗流至地下蓄水模块；
（2）建立雨量监测与智能控制系统，根据雨量大小进行预警与控制不同数量的模块草皮的打开与关闭，便捷使用，节约电能；
（3）采用太阳能发电作为新型操场系统通信模块用电供给，实现系统绿色运行。
2.1 节水系统结构设计
设计了一种基于太阳能供电的模块化智能监测雨水循环利用新型操场排水系统，该监测系统包括草坪模块、排水模块、支撑模块、控制模块、通信模块、光学雨量传感器、太阳能电池板和蓄水池。其中，草坪模块包括草皮、垫板和隔振垫；
排水模块包括导水管、过滤网、感应阀门和总管道；
所述支撑模块包括支撑板和支撑架。光学雨量传感器、太阳能电池板安装在固定支架上，光学雨量传感器、感应阀门和通信模块均与控制模块电性连接，通信模块与监测平台无线连接，监测平台与管理人员终端通信连接。当降雨时光学雨量传感器检测雨量，通过通信模块传给监测平台，监测平台判断雨量阈值通过控制模块打开不同模块下的电磁阀进行排水；
当蓄水池超过蓄水池容量时，超过蓄水池容量的雨水通过控制装置打开管道阀门将雨水排入污水处理管道，通过蓄水池中的活性炭等净水物质除杂后的雨水用于灌溉草坪和清洁校园。其中整体结构模型图和单个模块结构示意图如图1和图2所示。
图1 整体结构模型图
图2 单个模块结构示意图
2.2 智能控制系统设计
该控制系统由控制模块、通信模块、检测平台、光学雨量传感器、检测平台和管理人员构成。光学雨量传感器、太阳能电池板安装在固定支架上，光学雨量传感器、感应阀门和通信模块均与控制模块电性连接，通信模块与监测平台无线连接，监测平台与管理人员终端通信连接。管理人员在发生极端的天气情况时进行实时操作排水系统。
2.3 隔震层小孔排列方案设计
为了更好的发挥模块草坪的渗水功能以及从经济上尽可能的减少实验项目的开支，优化该智能控制草坪，通过尝试不同小孔排列方式下该动态感应模块草皮的排水性能的差异比较得出最优解。采取了实验方法，该实验采用控制变量法，单个模块的小孔个数在3种阵列方案下均为4个，对此本实验课题提出了3种不同的实验设计方案。如图3所示。该实验的情景选取依次为小雨，中雨，大雨3种不同天气。模拟实验的装置采用实体模型，降雨的过程由人工洒水代替。实验计时道具为秒表，准确记录每个阵列组合下在24h的时间内排水的容量，每个情景均采取3次重复实验，取平均值。实验数据如表1所示。
图3 3种方案智能排水小孔阵列图
表1 单个模块草坪3种小孔阵列方式排水量（单位：m3）
由上述实验数据可知，在小雨、中雨和大雨降水状况下椭圆阵列的平均排水量依次为5.5m3，10.36m3，21.3m3，说明在椭圆形的阵列方式下排水的效果最好，因此该模块草坪的小孔宜选用椭圆性阵列方式。
3.1 雨水收集利用及蓄水容量计算分析
以聊城市聊城大学操场为例，传统的校园操场易发生内涝，水资源利用率较低。同时通过实际调查与实验，发现聊城大学操场以人造草坪为主，具备一定的渗水功能，地下设有盲沟，地表开排水孔，排水采用渗排方式，但由于排水孔较小，无法起到快速和高效排水，也缺少对雨水的循环处理，雨水资源的利用仅限于排污，利用率极低。该系统可以通过单个模块下的排水管道传送至地下蓄水池收集雨水，实现灌溉草坪、消防用水和清洁校园等功能，做到雨水资源的高利用。系统中的排水管道分布于每个模块化草坪下方，雨水汇聚至总管道流入蓄水池，草坪面积约为7200m2，需控制及利用的雨水径流总量[4]：
式中：
Φc——雨量径流系数；
Φ0——控制径流峰值所对应的径流系数；
hy——设计日降水量；
F——硬化汇水面积。
结合聊城市海绵城市的技术导则，参数取值为：Φc=0.9，Φ0=0.5，hy=85mm，F=9500m2。代入参数后计算可得：
根据每公顷硬化地面不低于250m3的雨水调蓄计算：蓄水池的容积V为：
因此考虑到操场系统的灌溉与清洁功能，蓄水池的容积V应设为180m3。
雨水净利用效率计算：
由计算可得：该系统的蓄水容量为180m3，雨水利用效率提高了约为55%，有效解决了传统操场雨水资源浪费及内涝严重的问题。
3.2 太阳能发电与系统用电计算分析
本装置使用三块长620mm，宽350mm的太阳能板，总面积为0.651m2。在不考虑当地的特殊天气（如雨天）的影响时，每平方米太阳能板所接受的太阳能辐射量为[5]：
式中：
T——该月份的平均日长；
α——空气质量下的光照量。
α的取值与角度φ的关系如下：
φ′为中午太阳角度的平均值，φ″为太阳能板相对于地面的南北夹角，角度关系如下：
已知聊城市东昌府区的纬度为36度，假定当前月份为四月份，参考文献可得：φ′=39°，T=12.64h，将数据带入公式得：SI=3.032kW·h/m2。即在太阳能板固定不动时，太阳能板平均每天接收的太阳辐射量W1为：
应用于聊城大学东校区操场的模块化草坪的控制系统，用电集中在排水孔阀门处，其数量为n=44个，功率为P=0.18W，以全天24h计算雨天工作日下该系统的用电量W2为：
该系统日平均节电量W3为W1与W2数值差，计算得W3=1.794kW·h。按照年平均晴天数为200计算，推广至年平均节电量W为323kW·h。根据专家统计：“节约1度电=减排0.997千克二氧化碳”，计算得到二氧化碳减排量E为357.42kg。
通过计算太阳能板发电与排水孔阀门用电的差值得到该系统的日平均节电量为1.794kW·h，节电效果突出，同时可以减少碳排放降低污染，符合“双碳”政策。
4.1 经济效益
通过雨季时期储存的雨水可以达到180m3左右的水资源，将储存的雨水资源用于校园清洁，校园灌溉等方面，太阳能板每年可大约产生360度电，将太阳能的发电用于校园发电，可以节省校园的电费和水费的支出。
4.2 生态效益
利用太阳能资源进行节电，可节省煤量为144kg，减排二氧化碳量为357.42kg，雨水的储备提高了校园水资源的承载能力，维护了环境生态平衡，也美化了环境。
4.3 社会效益
该新型操场排水系统可用于校园的推广使用，以山东省为例，按照校园数量约为14267所计算，可节水2.566×106m3，储存的雨水资源极大的缓解用水压力；
节电5.115×106kW·h，节煤2.052×106kg，减排二氧化碳量为5.095×106kg，高效利用自然资源创造更大的社会效益，为节能减排建设海绵城市、海绵校园助力。
本研究为解决校园操场存在的内涝、排水系统设计不合理和雨水无法回收利用等问题，设计了一种基于太阳能供电的模块化智能监测、雨水循环利用新型操场节水系统。该系统的技术创新在于校园操场的模块化草坪，不仅降低了排水过程中系统的电耗，还方便了同学们使用操场，能高效利用雨水；
应用创新在于利用太阳能板、云端平台、感应控制系统物联集成化形成了以“发电—用电—省电”、“测雨—降雨—集雨—用雨”的节能循环模式。也就是说，该新型操场节水系统利用太阳能资源为动力，做到既能解决校园操场的内涝问题，方便同学们的校园活动，又能充分利用了水资源，缓解校园的用水压力，具有非常重要的意义，推广应用市场前景广阔。如果该系统成功运用到各大校园，其节能减排降耗能效将能得到巨大发挥。