【淺談城市噴泉工程中節(jié)能環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用】
作者：小編更新時(shí)間：2025-01-16
噴泉作為一種人工景觀，在全國各地甚至是全世界，已越來越多的出現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域。設(shè)計(jì)精美的噴泉，一方面可以美化城市環(huán)境，提高廣場、公園等公共場所的品位，另一方面，可以給人帶來美的享受，讓人能感受到人與自然的和諧，同時(shí)，噴泉噴水過程中，噴泉周圍環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的空氣負(fù)離子，這些負(fù)離子具有廣泛的生物醫(yī)學(xué)效應(yīng)，可以有效改善人體的健康狀況，讓人感覺心情愉悅[1,2,3]。但由于大多數(shù)噴泉建設(shè)在室外，因此，不可避免的會(huì)受到各種污染物質(zhì)的污染，例如軍團(tuán)病菌就是一種能借助噴泉而進(jìn)行繁殖、散發(fā)和傳播的致病細(xì)菌[4]。因此，一個(gè)好的噴泉，在設(shè)計(jì)與建造時(shí)，一方面要考慮其巨大的投資與運(yùn)行費(fèi)用，另一方面要考慮其環(huán)保及節(jié)能措施，以使在后期的運(yùn)行過程中不至于產(chǎn)生“建得起用不起”的狀況。
由于噴泉在建設(shè)與運(yùn)行過程中，主要的能源消耗為水、電等方面，因此，本文將就噴泉設(shè)計(jì)與建造過程中一些可能的環(huán)保與節(jié)能技術(shù)進(jìn)行探討，期望能為我國的噴泉建設(shè)與發(fā)展提供環(huán)保節(jié)能的思路。
1、噴泉水源節(jié)約技術(shù)
噴泉在運(yùn)行過程中，主要通過改變水的形態(tài)，以及組合各種水的造型來產(chǎn)生各種圖案，給人以美的享受，因此，噴泉在運(yùn)行時(shí)，首要的節(jié)約能源即為水資源。根據(jù)目前我國噴泉的建設(shè)與發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合筆者多年的噴泉建設(shè)與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為可以從以下幾方面來節(jié)約水資源。
1）噴泉水循環(huán)技術(shù)
目前國內(nèi)的噴泉，不論是水池噴泉還是旱地噴泉，都基本上能實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)使用。目前存在的主要問題是：1）噴泉水在循環(huán)使用過程中未進(jìn)行處理。未經(jīng)處理的水，在多次反復(fù)使用時(shí)，必然會(huì)存在污染問題。尤其是旱噴，地面上大量的污染物質(zhì)會(huì)進(jìn)行循環(huán)水池，如果不對(duì)其進(jìn)行處理，受污染的噴泉水在與人身體接觸后，就會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅。2）噴泉循環(huán)水在處理時(shí)工藝過于簡單，大多數(shù)只是進(jìn)行了簡單的過濾處理，而沒有進(jìn)行消毒。過濾處理只能去除一些懸浮物及漂浮物，卻很難消滅水中的致病細(xì)菌，因此噴泉水的長期使用也會(huì)對(duì)人體健康造成不良影響。3）長時(shí)間使用的噴泉需要換水和補(bǔ)水，需要耗費(fèi)大量水資源。如果長期使用未經(jīng)處理的水，經(jīng)過一段時(shí)間后，必然要對(duì)噴泉水池的水進(jìn)行全部更換或補(bǔ)充新鮮水。越是大型的噴泉，其一次更換水的費(fèi)用越高，有的甚至可達(dá)上萬元。同時(shí)，噴泉在運(yùn)行過程中，因?yàn)樗恼舭l(fā)、漂移等情況，會(huì)產(chǎn)生水量損失，需要不定期的對(duì)水池進(jìn)行補(bǔ)水。因此采取合適的循環(huán)水處理技術(shù)，可以極大的減少換水與補(bǔ)水次數(shù)。
根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，本著以人為本的原則，借鑒相關(guān)的研究經(jīng)驗(yàn)[4]，建議當(dāng)噴泉水量小于50m3時(shí)，可以不對(duì)噴泉水進(jìn)行處理而直接進(jìn)行全部更換的方式。當(dāng)噴泉水量大于50m3時(shí)，需對(duì)噴泉水進(jìn)行循環(huán)使用，考慮到人體健康原因，必須增加過濾水處理設(shè)備和消毒處理設(shè)備，消毒可使用化學(xué)藥劑，如次氯酸納等，也可使用電殺菌器等方法。
2）雨水利用技術(shù)
由于噴泉大多數(shù)建設(shè)在公園、廣場等公共場所，因此，必然會(huì)在噴泉周邊存在大面積的可供游人使用的不透水場地。這些不透水地面在降雨達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的雨水。如果能將這些雨水加以收集，一方面可以用作噴泉補(bǔ)水，另一方面也可作為廣場或公園的綠化用水，減少對(duì)自來水的浪費(fèi)，節(jié)約水資源。但雨水利用時(shí)需注意以下問題：1）初期雨水需棄流。根據(jù)研究，降雨產(chǎn)生的初期雨水，其中的很多污染指數(shù)與一般城市污水相當(dāng)，甚至有些比一般城市污水還要高[5~7]，因此，需要對(duì)收集的初期雨水設(shè)置棄流裝置。根據(jù)相關(guān)研究[8]，筆者建議可將初期雨水棄流量控制在5mm左右，只收集后期雨水來進(jìn)行再利用。2）使用雨水需對(duì)其進(jìn)行處理。根據(jù)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《水景噴泉工程技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，噴泉用水需滿足一定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。筆者建議設(shè)計(jì)時(shí)可參考《噴泉水景工程技術(shù)規(guī)程》來進(jìn)行噴泉水質(zhì)處理設(shè)計(jì)。
3）風(fēng)速控制噴泉技術(shù)
大多數(shù)大型的噴泉都建在室外，因此，在噴泉使用過程中，不可避免的由于蒸發(fā)、漂移等原因，會(huì)產(chǎn)生水量損失，其中，因?yàn)轱L(fēng)產(chǎn)生的漂移損失占其中損失的一大部分，同時(shí)，風(fēng)也會(huì)對(duì)噴泉的花型效果產(chǎn)生極大的影響[10]。因此，合理的控制噴泉的噴高，或使用控制噴泉噴高的相關(guān)技術(shù)來降低水量損失是必要的。目前，大型的噴泉基本上都采用了變頻控制技術(shù)，因此，筆者建議采用風(fēng)速測速儀，對(duì)噴泉所在位置進(jìn)行風(fēng)速測定，并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換軟件將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為水泵控制參數(shù)，來改變噴泉的噴高，以降低噴泉水量損失。
2、電氣節(jié)能技術(shù)
1）水泵控制技術(shù)
噴泉在我國經(jīng)過多年的發(fā)展，從最初的無法自動(dòng)的控制噴泉，到彩色噴泉，再到程控噴泉、音樂噴泉，音控噴泉，已經(jīng)取得了極大的進(jìn)步。但從噴泉的動(dòng)力設(shè)備上來看，依然依靠的是水泵。因此，噴泉運(yùn)行過程中的節(jié)能，主要還是通過對(duì)水泵的控制來進(jìn)行。筆者認(rèn)為可從以下幾方面進(jìn)行考慮。1）水泵的選型。目前噴泉上使用的水泵主要包括離心泵與潛水泵兩種。從水泵的性能和使用來看，離心泵的性能、效率、維修率等明顯低于潛水泵，但潛水泵在靈活性方面則遠(yuǎn)勝于離心泵。因此，見于離心泵的使用存在的諸多限制，比如要有單獨(dú)的泵房，揚(yáng)程雖可通過變頻來控制，但無法適用于水型變化多樣的噴泉等，可在建設(shè)假山噴泉、瀑布、矩陣噴泉等要求揚(yáng)程統(tǒng)一的情況下使用離心泵。而在諸如受場地限制，或者一些隨時(shí)需要單噴頭變換揚(yáng)程的噴泉設(shè)計(jì)中考慮使用潛水泵。2）變頻泵與工頻泵。隨著變頻技術(shù)的成熟，變頻泵已被大多數(shù)的大型噴泉采用。相對(duì)于工頻泵而言，變頻泵的效率更高，控制更加自由，噴泉花型也相對(duì)豐富。但由于變頻泵價(jià)格相對(duì)較高，因此首次建設(shè)費(fèi)用較高，但后期運(yùn)行費(fèi)用會(huì)相對(duì)較低。筆者建議在噴泉設(shè)計(jì)時(shí)，考慮在投資方可承受范圍內(nèi)，多采用變頻泵。
2）彩燈使用
噴泉之所以絢爛多姿，很大的原因在于其彩燈的使用，一個(gè)大型的噴泉，其彩燈的使用量可達(dá)幾千只，因此，彩燈在現(xiàn)代噴泉建設(shè)使用過程中必不可少。我國的噴泉以前使用較多的多為普通的水下彩燈多和水下射燈，其功率一般為80W或更大，但隨著科技的發(fā)展，LED燈，即發(fā)光二極管越來越成熟，應(yīng)用也越來越多。LED它是一種半導(dǎo)體材料制成的組件，可將電能轉(zhuǎn)化為光能，不但體積小，且具有耐震動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓低、功率小（3W-12W）、耗電少、發(fā)熱少、開關(guān)速度快、使用壽命長、多變幻、色彩純度高、綠色環(huán)保等特性。相比于普通水下彩燈，LED燈更節(jié)能，也更適于現(xiàn)代噴泉的發(fā)展。
3、噴泉控制節(jié)能技術(shù)
噴泉能吸引人的，除了其色彩豐富外，其變化多樣的形態(tài)，也是讓人驚嘆的一個(gè)方面。而這些形態(tài)的變化，主要依靠的是噴泉的控制技術(shù)。噴泉的控制技術(shù)從最初的僅有開關(guān)控制，到后來的程序控制，到現(xiàn)在的音控，越來越體現(xiàn)出科技的發(fā)展。一個(gè)好的噴泉控制系統(tǒng)，一方面可以使噴泉更豐富多姿，另一方面可以產(chǎn)生更好的節(jié)能效果。
目前較為先進(jìn)的控制系統(tǒng)有：
1）網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)
目前噴泉控制普遍采用的是集中式控制系統(tǒng)，工控機(jī)和電氣驅(qū)動(dòng)柜都置于一個(gè)單獨(dú)的噴泉控制室內(nèi)，然后電纜直接從控制室連人設(shè)備現(xiàn)場(噴泉池)。這種傳統(tǒng)的控制方式具有很大的局限性，只適用于控制點(diǎn)數(shù)不多，且分布比較集中的場合，然而，目前大型噴泉系統(tǒng)的控制點(diǎn)數(shù)（包括模擬量和數(shù)字量）達(dá)到數(shù)百或上千，而且傾向于多池化設(shè)計(jì)，設(shè)備也越來越分散化，若采用傳統(tǒng)控制方式，務(wù)必會(huì)耗費(fèi)大量電纜，成本太高且不易維護(hù)和擴(kuò)展。李晨曦等人提出的基于以太網(wǎng)分布式架構(gòu)，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靈活、可靠性高、擴(kuò)展性好等優(yōu)勢[11]。因此，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，采用分散控制的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)為噴泉的遠(yuǎn)程、自由、方便控制提供了可能。分散控制可擴(kuò)展性強(qiáng)，同時(shí)可以節(jié)省電纜等設(shè)備的投資，也能節(jié)省運(yùn)行過程中的損耗，達(dá)到節(jié)能的效果。
2）專家控制系統(tǒng)
專家控制是智能控制的一個(gè)重要分支，其實(shí)質(zhì)是把專家系統(tǒng)的理論、技術(shù)與控制理論、方法、技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，在未知的環(huán)境下，效仿專家的智能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。
在音樂噴泉專家控制器中，音樂噴泉領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)性知識(shí)和一般性知識(shí)以一定的表示形式存儲(chǔ)于知識(shí)庫中。在進(jìn)行音樂噴泉表演時(shí)，推理機(jī)根據(jù)當(dāng)前音樂特征信息，按一定的搜索策略在知識(shí)庫中搜索可與之匹配的知識(shí)，推出某些中間結(jié)論，然后再以這些中間結(jié)論為證據(jù)，在知識(shí)庫中進(jìn)行再搜索，如此反復(fù)進(jìn)行，直到最終推出結(jié)論，即與音樂特征信息相吻合的噴泉控制方案為止[12]。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)的專家控制系統(tǒng)，一方面可以達(dá)到音樂、噴泉造型、現(xiàn)場氣氛的最佳融合，另一方面可以在一定情況下可以達(dá)到節(jié)能的效果。
3）其它先進(jìn)控制技術(shù)
隨著各種噴泉建設(shè)的發(fā)展，越來越多的大型音樂噴泉不斷出現(xiàn)，其控制要求也越來越高。噴泉在控制過程中，主要需要克服的是音樂與噴泉造型之間滯后問題。因此在設(shè)計(jì)與建設(shè)過程中，往往需要耗費(fèi)大量的硬件來彌補(bǔ)由此產(chǎn)生的問題。近年來，隨著軟硬件的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了各種先進(jìn)的控制技術(shù)。例如，張鴻業(yè)等人提出的基于預(yù)測算法的計(jì)算機(jī)音樂噴泉控制技術(shù)[13]，通過對(duì)控制算法進(jìn)行改進(jìn)，極大消除了大滯后環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)過渡過程的影響，同時(shí)采用少量的硬件，既可保證延遲時(shí)間的長度，又可實(shí)現(xiàn)延遲的靈活性。因此，采用預(yù)測補(bǔ)償控制和軟件信號(hào)延遲方法大大提高了音樂與水流配合的同步性。
4、結(jié)論
噴泉的設(shè)計(jì)與運(yùn)行是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過程，在實(shí)際的很多噴泉工程中，僅僅注重了噴泉噴頭、管道、水泵、電氣設(shè)備等的基本選型以及噴泉各種花型的組合設(shè)計(jì)，這些往往能滿足的噴泉的基本功能，但在噴泉的長期運(yùn)行及噴泉的環(huán)保節(jié)能方面的設(shè)計(jì)，經(jīng)常受到忽視。本文通過對(duì)噴泉設(shè)計(jì)及運(yùn)行過程中可能的節(jié)能環(huán)保環(huán)節(jié)進(jìn)行簡單的總結(jié)，提出了噴泉在設(shè)計(jì)與運(yùn)行過程中的一些節(jié)能環(huán)保的建議，希望能為我國噴泉的建設(shè)提供參考思路。