光导照明在地下污水厂的运用

林承鑫, 吴 扬, 任国成

(中国建筑第八工程局有限公司 设计管理总院, 上海 201206)

0 引 言

随着城市用地紧张的矛盾日益突出及居民对居住环境舒适度要求的提高,地下污水厂数量越来越多、规模越来越大。地下污水厂由于其构筑物均集中于地下,体量较大,相比于地上污水厂,其照明系统复杂,对采光照明的要求加倍提高,照明能耗急剧上升,照明系统将直接影响到运维费用以及运维安全,降低照明能耗是降低地下污水厂能耗的主要方式之一[1-2]。封闭的地下污水厂缺乏自然光的照射,使得地下污水厂单调而且缺乏变化,往往会使人感觉不适。目前,我国地下污水厂照明大多采用人工光源,这显然不利于建筑节能。因此,在地下污水厂照明设计中,要充分合理利用自然光照明。采用自然采光,不仅能满足照度和降低照明能耗的要求,而且能为地下污水厂提供一个更为舒适的视觉环境[3]。

光导管采光技术是一种绿色健康、节能环保的自然采光技术,无需消耗电能,通过采光装置聚集室外的自然光,再由经过特殊制作的导光装置将聚集的自然光强化与高效传输后,通过系统底部的漫射装置将其均匀地导入到室内光线不足的地方。它不仅具有节约能源,清洁无污染的优点,还可以避免采用自然光照明的系统由于直接获得太阳光存在的炫目和潜在热等问题,目前已经列入各类建筑设计标准中[4]。本文主要研究光导照明系统在地下污水厂的运用,为其他地下污水厂工程提供经验及借鉴。

1 工程概况

某地下污水厂建设规模为40万m3/d,污水厂上部作为公共绿地,地下箱体平面尺寸约为350 m×350 m,在地下箱体南北2个主要通道设置光导照明系统,单个通道尺寸为350×8 m,一共设置119套光导系统。

2 光导系统方案设计

CJJ-T 120—2018《城镇排水系统电气与自动化工程技术标准》规定,地下污水处理厂的工作场所宜采用光导照明等利用自然光的照明装置。虽然光导照明效果良好,但是容易受建筑、结构、时段及天气状况的影响,考虑到污水厂运行的要求,一般必须设置照明灯具作为补充。因此,该项目在地下箱体主要通道上方设置光导照明系统,在光导照明两侧设置两组LED灯,共四个回路。光导照明及LED灯布置图如图1所示。在通道地面附近设置2个照度传感器,传感器安装在墙上或柱子上,感应面以上没有任何障碍物,同时要避免受到电气照明的照射,以免出现照度判断误差。污水厂地下箱体主要通道平均照度设计值按50 lx考虑。

光导照明装置组成如图2所示。光导照明装置主要由采光罩、导光管和漫射器三部分组成,采光罩高出地面0.3 m,漫射器底部离地4.0 m。

光导照明装置主要技术参数:产品型号DS750,管道直径750 mm,开孔尺寸820 mm,照射面积100～150 m2,标准管长度610 mm,有效采光长度25 m。

3 光导管布置

根据GB 5033—2013《建筑采光设计标准》及JGJ/T 374—2015《导光管采光系统技术规程》,该污水厂位于上海,属于Ⅳ区,室外天然光照度值为13 500 lx。该项目导光管管径参照工业厂房、地下车库等,采用DS 750 mm,根据《照明设计手册》(3版),导光管的有效采光面积为0.44 m2,地下污水厂箱体污染程度一般,维护系数取0.8,利用系数按0.8考虑,采光罩可见光透射比为0.9,漫射器可见光透射比为0.956,传输效率取0.944。

综合考虑室外景观、结构柱网、箱体内工艺管线布局、通道走向等多方面的因素,在箱体主通道上方设置119套光导照明,采用“每跨一点”的原则进行点位布置,即光导管之间的间距约为6 m,光导照明采光罩设置在绿化带上,绿化带附近没有高大的树木,以保证日光充分引入箱体内。经计算,地下箱体地面照度约66 lx。光导系统平面布置如图3所示。

4 主通道照明控制方案

本项目箱体主通道设置光导照明和LED灯具混合照明,同时还设置了智能照明控制系统,利用照度传感器探测主通道地面附近的照度,通过预先设定的程序,来控制光导管两侧的照明回路。在白天光照充足时,关闭主通道上方的LED灯,利用光导照明系统,将自然光引入到地下箱体主要通道。当白天光照不足或者夜间时,根据照度传感器探测到的照度,按需开启25%、50%、75%、100%的LED灯具。这种照明方式控制简单,光导照明和LED灯照明相结合能达到很好的节能效果。

5 光导照明节电及节能减排分析

该工程一共设置119套光导照明,考虑到阴雨天气采光不足等因素,光导照明以每天工作9 h计算。污水厂地下箱体主要通道设置548套34 W的LED三防灯。

考虑到施工费用及光导照明防水成本,按照厂家报价,每套光导照明约为5 000元。光导照明系统便于清洁清理,可以利用雨水,风吹等将采光罩上方的灰尘冲刷干净,产品可达到自洁效果,免去人工定期清洁的费用,同时,光导系统无需缴纳电费,其年运行费用为零。因此,光导照明的总投资为595 000元。

夜间或光照不足时,LED灯均要开启,当白天光照充足时,光导照明提供的照度满足地下箱体主要通道的照明需求,因此可以关闭箱体主要通道LED灯,每天以9 h计,年照明时间为3 285 h,工业电费按照峰时用电0.976元/kWh测算(上海),LED驱动电源功率损耗以10%计算,不考虑线路损耗等因素,年节约电费约为65 711元。

传统照明灯具根据国家标准寿命,一般为3年,按某厂家报价,LED三防灯的单价为250元。由于设置光导照明,LED灯具减少点亮时间,减少灯具更换频率而节约的成本为17 125元/年。

根据以上测算,采用光导照明系统投资回收期为7.2 a,约7 a。

节能环保方面,电的生产过程中会耗费大量的非可再生资源,同时会释放二氧化碳等有害物质,并伴随着热污染。依据国家标准计算,每节约1 kWh用电,相当于节省0.36 kg标准煤,同时也减少了因煤炭燃烧所排放的0.272 kg碳粉尘、0.997 kg二氧化碳(CO2)、0.03 kg二氧化硫(SO2)、0.015kg氮氧化物(NOx)[5]。该项目地下箱体主要通道采用光导管采光,1年时间节能减排效果显著:节约电67 327 kWh,节省煤24 237.7 t,减少CO2排放67 125.0 t,减少SO2排放2 019.8 t,减少NOx排放1 009.9 t,减少碳粉尘排放18 312.9 t。

虽然光导照明系统应用于地下污水厂的成本回收时间并不短,但是光导照明技术应用所产生的生态效益难以用金钱来衡量。

6 光导照明系统安装注意事项

(1) 屋面防水要求。防水施工方做墩座防水后,再做屋面整体防水,使得顶部防水成为一个系统,确保不产生渗漏。墩座防水应做至防水帽下边缘。

(2) 密封防尘要求。导光管连接必须对接吻合且完全密封,导光管与屋面孔洞之间必须有密封保温措施,密封圈具有抗老化、使用寿命长的特点,并能达到节点美观的要求。光导照明密封装置如图4所示。

(3) 防冷凝结露要求。导光管系统须采用良好的连接工艺和保温工艺,有较好的防结露措施,确保系统无结露。

(4) 采光罩设置在绿化带或者空旷的位置,与周围景观相结合,不能出现不连续的地段。采光罩不能设在大树或者建筑物附近,以免影响采光效果。

(5) 在箱体结构顶板浇筑成型前,需要预留光导管的孔洞,孔洞应避开梁,下方不能有工艺管线通过。

(6) 采用直径750 mm的导光管,在顶板预留820 mm的孔洞,采用局部小梁加固孔洞的方式,保证光导管的顺利实施,同时未对结构强度造成明显影响。

7 存在的问题

(1) 光导照明系统只能应用于白天,不能存储和转换,在阴雨天或夜间,需要采用电力照明措施,因此,除了安装光导照明系统外,还要设置电力照明装置,并且宜采用自动控制。

(2) 光导照明在土建施工阶段需要在地下箱体顶板预留孔洞,同时要考虑结构梁、工艺管线、风管、除臭管道等因素,预留孔洞的位置需要与结构、景观、工艺、建筑等专业协商确定。

(3) 室外照度与天气、地区、季节及时段等因素有关,光导照明具有不稳定性及不均匀性,造成室内照度时强时弱,因此,光导照明需要具备调整光通量的功能。

(4) 初期投入较高,成本回收周期较长。

8 结 语

本文介绍了光导照明系统在地下污水厂的设计应用,虽然初期投资较大,但其能合理有效地利用自然光,降低电力照明耗电量,具有良好的经济效益和社会效益,是现代绿色照明应当优先考虑的照明方案,在地下污水厂照明设计中具有广泛的应用前景。