地鐵車站照明系統能耗分析及節能對策*

穆廣友 李曉龍 尹力明 黃海界,3

(1.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院,200092,上海;2.上海軌道交通設備發展有限公司,200233,上海;3.上海阿爾斯通交通設備有限公司,200245,上海∥第一作者,工程師、在職碩士生)

1 我國地鐵能耗概況

2009年12月,國務院又批復了22個城市的地鐵建設規劃,總投資達8 820億元。到2010年,中國城市軌道交通線路數量將達到 55條、里程達1 500 km;至2016年我國將新建城市軌道交通線路89條,總建設里程為2 500 km。地鐵建設如此快速,使得地鐵能耗問題日益突出,地鐵系統節能工作也變得更加必要和緊迫。

1.1 地鐵系統的能耗特點

盡管地鐵較其他城市交通方式具有耗能低的優點,但龐大的地鐵系統仍然使其躋身于城市能耗大戶行列。資料顯示,深圳地鐵1號線運營1年耗電1億kWh以上,運營的電費占可變成本的36%左右,為地鐵運營成本的第3位。上海軌道交通1號線2008年度委托運營管理合同中的相關數據表明,2008年上海軌道交通1號線總費用為29 558萬元,其中電費成本高達11 885萬元,占總成本的40.2%。

1.2 地鐵車站系統的能耗分布

地鐵運營的主要能耗為用電負荷。根據目前運營線路的能耗統計數據分析,車輛用電占總用電的50%～60%;車站、基地用電占總用電的40%～50%。車站內動力、照明、通風空調系統占車站用電量的90%以上。以上海城市軌道交通9號線的車站為例：某車站的動力照明設計負荷如表1所示;對上海軌道交通9號線7個地下車站(宜山路站至中春路站)降壓所和跟隨所的照明負荷統計結果如表2所示。

表1 某車站的動力照明設計負荷

表2 上海軌道交通9號線7個地下車站降壓所和跟隨所照明負荷表

近年來隨著科技的進步和節能管理的加強,許多設備都采用節能控制模式。比如空調和通風系統,只在滿足一定溫度和空氣質量的條件下才開始工作。地鐵自動扶梯大部分已經采用節能控制方式,在沒有乘客踏上電梯時電梯以理論耗能12.5%的狀態工作[1]。表2顯示,照明系統雖然只占整個車站平均設備負荷的14.2%～16.1%,但每個車站照明總負荷已經達到197 kW和207 kW,并且其具有長期持續運行的特點。由于設計規范的限制和運營管理不到位,使當前的車站照明系統能源浪費較為嚴重。

2 地鐵車站照明系統的技術要求

2.1 地鐵車站照明系統分類

地鐵照明分為：車站一般照明,車站應急照明,區間工作照明,區間應急照明,廣告照明,以及安全照明。其中應急照明為一級負荷,車站一般照明、區間工作照明、安全照明為二級負荷,廣告照明為三級負荷。

2.2 地鐵照明照度設計標準

根據GB 50034—2004《建筑照明設計標準》、GB 50016—2006《建筑設計防火規范》及 GB/T 16275—2008《城市軌道交通照明》的照度要求,地鐵的照明照度標準值應按以下系列分級：1 lx,2 lx,3 lx,5 lx,10 lx,15 lx,20 lx,30 lx,50 lx,75 lx,100 lx,150 lx,200 lx,300 lx,500 lx,750 lx,1 000 lx,1 500 lx和2 000 lx(如表3所示[2])。

3 地鐵車站照明系統的能耗分析

3.1 照明系統照度實測試驗案例

現以上海軌道交通9號線某站照明系統的照度測量為例進行分析。試驗儀器為 TES-1335照度計。站臺照明試驗測點布置如圖1所示,站臺面照度實測數據如表4所示,樓梯和自動扶梯照度實測數據如表5所示。

通過表4、表5中的照度實測數據可知：站臺的平均照度為215.2 lx,超過了標準要求的照度200 lx;樓梯的平均照度為100.7 lx,自動扶梯的平均照度為112.1 lx,都沒有達到照度標準150 lx,但已滿足乘客上下樓梯的需要。試驗中發現,沿著屏蔽門(站臺側)設置的一長條燈帶照明效果不明顯(表4中序號1及11的照度值沒有明顯高于附近測點,有些甚至還低于附近測點)。通過觀察發現,這條長燈帶內嵌在200 mm深的槽內,反光板涂料為亞光材料,燈帶對地面的照射較弱。資料顯示,該條長燈帶的設計目的,是在無屏蔽門的車站,為了安全而增加該區域的照度,以避免乘客跌落站臺。但是,目前幾乎所有的新建站臺都安裝了屏蔽門,舊式車站也在加裝屏蔽門,因此保留該區域長燈帶的照明是沒有必要的。

表3 我國地鐵車站照度標準

圖1 上海軌道交通9號線某站臺照明試驗測點(單位：mm)

表4 上海軌道交通9號線某站臺照度試驗數據 lx

表5 樓梯和自動扶梯照度實測數據 lx

3.2 廣告照明負荷能耗分析

表1的動力照明設計負荷顯示,廣告照明負荷占三級負荷的60%;表2顯示,降壓所和跟隨所的廣告照明負荷分別為92.6 kW和87.4 kW,已經很接近一、二級照明系統負荷 114.4 kW和 109.6 kW。可見廣告照明是地鐵車站照明系統的能耗大戶。廣州地鐵已經對站臺的廣告照明進行了一系列節能改造,效果明顯,每年可節約204.2萬元[3]。通過對目前地鐵廣告燈箱的研究發現,地鐵廣告燈箱的安裝設計是基于無屏蔽門的站臺設計,主要的受眾是站臺候車乘客,燈箱廣告通過其優美的畫面和明亮的色彩,達到其廣告訴求。但是,目前在各站臺設置屏蔽門后,受眾(乘客)已很少注意到屏蔽門內廣告牌的內容,故廣告效果已大打折扣。廣告商為了達到其目的,只有增加廣告色彩和燈箱的亮度,來吸引受眾,故能耗也就隨之增加。

另外,廣告燈箱設計與車站照明設計分離,車站設計中只是預留廣告燈箱位置和電氣控制,廣告燈箱的照明功能沒有利用起來。

3.3 浪費情況嚴重

在上海軌道交通9號線現場調研的半年多時間內,發現一天運營結束后,幾乎所有的站臺、站廳依然燈火通明。在與站務員交流后得知：站臺照明在晚上11：40自動關閉,但是在照明自動關閉后馬上會人為打開,故一直保持長明燈狀態;站廳則基本不關閉照明。每個車站沒有安裝電表,實際耗電沒有監控和記錄;只有銀行取款機、自動售貨機等商業店鋪裝有電表,用于對外核算費用。由于站臺的耗電沒有與職工的經濟利益掛鉤,因此也就很少有工作人員主動關閉照明設備以節約用電。

4 地鐵照明系統的節能對策

4.1 制定合理的照度設計標準

制定合理的設計標準是節能的基礎。乘客上下地鐵站臺的擁擠程度高于站廳,扶梯和樓梯的擁擠程度又高于站臺。由表3可知,站廳照度標準(200 lx)高于樓梯和自動扶梯照度標準(150 lx),顯然不合理。建議照度的設計標準應該與人群的擁擠程度成一定比例。通過現場統計,乘客穿過站廳進入站臺2～4 min后即乘車離開,站廳只是行走區域,沒有必要設置如此高的照度標準。

通過對比試驗,如果在地面達到100 lx的照度,在距離地面1 000 mm處乘客坐姿閱讀高度的照度將達到150～160 lx,完全可以滿足閱讀要求。所以,站臺中間處的照度標準達到100 lx即可,但在上下車門處的照度可加以提高。建議地鐵車站照度設計標準如表6所示。

表6 地鐵車站照度標準建議

4.2 改善燈具布局、采用節能燈具

地鐵車站是人員短時間逗留的公共場所,乘客完成一個乘車過程,從進站、候車到上車,在車站上僅耗時3～5 min,下車需要 3 min[4]。因此,在站臺兩側和車門處是燈具布置的重點,站臺中間可適當減弱;從人性化角度考慮,可在站臺中間座椅區域上部設立照明。

建議采用節能燈代替原熒光燈。取消原站臺一側屏蔽門上方116根36 W燈管的通長照明(見圖2),只在車門開啟位置的上方設置燈具(見圖3),并在沿著站臺兩側至樓梯的行走區域上方設置燈具。建議照明燈具的設計布局如圖3所示。

圖2 某車站原有燈具布局圖

圖3 某站改進設計后燈具布局圖(建議)

經計算,取消原屏蔽門上方通長照明燈帶232根燈管,單此一項節約負荷約8.4 kW,一個站臺一年節約用電73 000 kWh。

4.3 廣告燈箱的新設計和輔助照明的應用

取消站臺對面線路側的原廣告燈箱,將新的廣告燈箱沿地鐵站臺通長方向設計在屏蔽門的上方,如圖4所示。該設計將燈箱的照明與站臺照明有效地結合,既增加了廣告效果,最大程度實現了廣告訴求,又節省了原有照明燈具的負荷,可謂一舉兩得(燈箱也可以考慮采用LED節能燈)。

圖4 站臺廣告燈箱位置變更示意圖

4.4 區間隧道、高架橋照明

目前地鐵隧道區間照明為每隔6 m設一盞燈,其目的是便于維修人員維修設備。在日常運營中,地鐵車輛配有遠、近照燈,有效距離為200 m以上,司機可以根據車載照燈觀察前方線路和頂部的電網狀態。有關的地鐵運營管理規定“當車輛前照燈故障后,司機即清客下線”,運轉調度不會依據隧道區間照明情況而決定是否保持車輛運營。但考慮到隧道中若沒有任何燈光,會對地鐵司機造成一定的心里壓力,所以建議日常運營時采取大區間照明(采取每30～40 m開一盞節能燈照明),關閉區間其他照明。線路和架網檢修時可分區段開全照明。

地鐵高架線路上的示寬照明燈與司機基本處于同一個水平面,對司機有眩目的副作用,影響嘹望和開車,建議運行期間關閉示寬照明。此外,高架線路無論在市區還是郊區,都可以借助市政工程的照明進行輔助照明。

4.5 制定節能管理制度、加強執行力

制定節能管理規章制度,將節約用電與每個職工的利益聯系起來。表2中顯示每一個地下車站的照明負荷平均為404 kW。地鐵運營時間一般為每天5：30～ 23：00,除去線路維修等夜間作業時間,若每天節約4 h用電,每個地鐵站每年節約用電近600 000 kWh。按照上海工業用電單價0.631元/kWh計算,每站每年可節約電費約為38萬元。上海已開通的11條地鐵線路照明節約用電將是非常可觀的。建議各車站設獨立電表,每年設用電計劃,節約可嘉獎,其節電效果將會十分明顯。

5 結語

一個地鐵車站的照明系統能耗已達400 kW,這是一個易被忽視的能耗大戶。在實際測試中發現,站臺照明設計過于考慮寬敞明亮而忽視了節能。應制定一部節能的《地鐵照度標準》,并在工程實施中嚴格執行。燈具總體布局應偏向乘客擁擠區域,如樓梯、扶梯和進出地鐵車門等區域;要科學有效地利用廣告照明系統作為車站的輔助照明;同時還要制定相應的節能規章制度和獎勵制度,以提升職工的節能意識和積極性。

[1] 游澤銀,蘇忠.地鐵動力照明系統負荷對運營成本的影響[J].都市快軌交通,2006,1(19)：52.

[2] 劉敏.地鐵變配電系統的工程設計研究[D].長沙：湖南大學,2006.

[3] 羅華.地鐵建設中的節能措施與細節優化[J].山西建筑,2007,4(33)：248.

[4] GB 50157—2003地鐵設計規范[S].