火車站候車大廳照明及其節能的仿真分析

孫建明,廖 美

(1.中鐵第四勘測設計院集團有限公司,武漢 430063;2.湖北電力勘測設計院,武漢 430024)

1 概述

隨著全國鐵路建設高潮的興起，鐵路客站已進入大規模建設期。從2003年至2009年我國已經修建了300多座的鐵路站房，預計未來幾年我國將再度新建上百座的中小型旅客站房[1]。

在鐵路客站能耗中，照明能耗占30%～40%[2]，根據客站照明系統的使用現狀來看，照明系統仍有一定的節能空間，因此鐵路客站照明節能設計研究顯得尤為重要。本文將以某站候車大廳作為研究對象，采用照明分析軟件建立照明仿真模型，進行多種照明方案的仿真計算，提出火車站候車大廳照明及其節能的主要技術措施。

2 候車大廳照明設計方案分析

2.1 候車大廳照明設計仿真模型

某火車站主站房分為上下兩層，共有8個候車大廳，可同時容納5 000名旅客候車。通過對其中1個候車大廳進行仿真計算，可以得到火車站照明節能的設計方法。

本次研究選擇了二樓的1個普通候車大廳建立照明設計仿真模型，該大廳長、寬各為50.4 m，高度為7 m，大廳中間有一個凈空與一樓的候車大廳相通，利用21 m高的采光天窗進行自然采光，候車廳三面都有大的玻璃幕墻可以自然采光；三維仿真模型如圖1所示，通過DIAlux計算該候車大廳的照度，還在候車大廳四周中心位置1.2 m處設置了4個UGR觀測點來檢測統一眩光值，如圖2所示。

圖1 某站候車大廳三維模型(單位：m)

2.2 候車大廳照明設計方案仿真計算

方案一：候車大廳照明燈具布置方案見圖3。

圖2 UGR觀察點位置(單位：m)

圖3 某站候車大廳照明燈具布置方案一(單位：m)

圖3中，共設有5排熒光燈帶，熒光燈型號為Philips TBS326 2*TL-D36W C5，每排38套熒光燈，總共190套熒光燈；

采光天窗下方20.15 m的橫梁上有2排150 W的金屬鹵化物燈，型號為Philips MCS450 1*CDM-T150W，每排5套，總共10套；

候車廳天花板上吸頂式安裝了96套70 W的金屬鹵化物燈，型號為Philips MBS260 1*CDM-T70W EB 36。

將原始布燈方案導入到DIALux的三維模型(圖4)中進行照明計算，可以得到以下的數據。

總光通量：2 046 600 lm

總功率：25 336.0 W

照明功率密度值：10.13 W/m2

照度值見表1，眩光指標見表2。

表1 方案一照度計算值 lx

表2 方案一UGR觀測值

從以上計算數據可以看出，方案一的平均照度較高，遠高于一般工作區的最低照度要求(150～200 lx)[3]，照度均勻度也比較差，照明功率密度高于行業標準值，造成電能浪費。

2.3 候車大廳照明方案改進分析

方案二：全部采用金屬鹵化物燈，并重新排列燈具，布燈方案如圖5所示。

圖4 方案一三維仿真效果圖

圖5 新照明設計方案(單位：m)

圖5中，采光天窗下方20.15 m的橫梁上有2排150 W的金屬鹵化物燈，型號為Philips MCS450 1*CDM-T150W，每排5套，總共10套；

候車廳天花板上吸頂式安裝了149套70 W的金屬鹵化物燈，型號為Philips MBS262 1*CDM-T70W EB 36。

在進行方案二與方案一的對比計算時，為了避免外界因素的影響，將三維模型的參數值確定如下：維護系數按照設計標準確定為0.7，考慮到實際材料的反射比很難達到0.9，并且本次研究是在做方案的對比，故將頂棚反射比確定為0.8，墻壁的反射比為0.7，地面的反射比為0.4，計算面為地面。

將方案二的布燈方案導入到DIALux的三維模型中進行照明計算，可以得到以下的數據。

總光通量：1 123 400 lm

總功率：13 346.5 W

照明功率密度值：5.34 W/m2

照度值見表3，眩光目標見表4。方案二三維仿真效果圖見圖6。

表3 方案二照度計算值 lx

表4 方案二UGR觀測值

圖6 方案二三維仿真效果圖

兩方案的計算數據對比如表5所示。

表5 方案一與方案二照明指標對比

從對比數據可以看出，采用方案二重新布置燈具后，所消耗的功率僅為方案一的52.6%，平均照度得到了有效控制，照度均勻度也得到了明顯的改善，照明功率密度值由原來的10.13 W/m2降到了5.34 W/m2，節能效果非常顯著。雖然平均照度由599 lx下降至301 lx，但是仍然符合工作區的照度要求，不會對旅客照明舒適度產生很大的影響。方案一的燈具布置不合理，浪費較大。而方案二減少了燈具使用數量，并且重新布局，使得能耗顯著降低，并且照明效果也能符合照度要求。

3 光源選擇對照明的影響

為了分析不同燈具安裝高度下電光源對照明的影響，本研究建立一個長寬均為50 m的矩形空間，它的維護系數設為0.7，天花板反射系數設為0.7，墻壁反射系數設為0.5，地面反射系數設為0.2。熒光燈和金屬鹵化物燈都在天花板均勻排列，且保持實際效能值相同。

3.1 熒光燈

熒光燈的布燈方案如圖7所示。圖中共有169套熒光燈，型號為Philips TBS318 2*TL-D 36W C2，總功率為12 168 W，實際能效值為4.87 W/m2(面積2 540.16 m2)。

圖7 熒光燈布燈方案(單位：m)

將圖7的布燈方案導入Dialux，空間高度分別設為3，7和11 m，可以得到的照明計算值見表6。

3.2 金屬鹵化物燈

金屬鹵化物燈的布燈方案如圖8所示。同熒光燈一樣，也采取空間均勻排列燈具，選用燈具型號為Philips MBS260 1*CDM-T70W EB 36。為了保證實際能效值與熒光燈的基本一樣，在布置燈具時也選用169套金屬鹵化物燈，總功率為11 830 W，實際能效值為4.73 W/m2。將圖8中的布燈方案導入Dialux，空間高度仍然采用3，7 m和11 m，可以得到表7中使用金屬鹵化物燈的照明計算值。

表6 采用熒光燈的照度計算值

圖8 金屬鹵化物燈布燈方案(單位：m)

表7 采用金屬鹵化物燈的照度計算值

從表6和表7的數據分析得出：在實際效能值相同的情況下，金屬鹵化物燈的照度高于熒光燈照度，但是在空間高度比較低的時候，如果選用金屬鹵化物燈會導致照度均勻度很差，而在較高的空間中采用金屬鹵化物燈則會解決這個問題。所以在空間高度低的時候適合選用熒光燈，這樣照度均勻度比較好，在高凈空的空間中適合選用金屬鹵化物燈，這既可以使得平均照度高，又能保證照度均勻度。

4 常用光源能耗比較

目前站房照明最常用的光源有熒光燈和金屬鹵化物燈。

4.1 熒光燈

目前市場上的熒光燈主要有2種：使用普通熒光粉的熒光燈和使用三種稀土熒光粉的稀土三基色熒光燈[4]。直管熒光燈按照管徑大小也分為3種：T12、T8、T5，管徑越小，則使用的汞和熒光粉的量越少；管徑越小，便于使用稀土三基色熒光粉，從而提高Ra和光效，有利于減小光衰，壽命更長(可達12 000 h)；管徑越小，用汞量減少，更加符合環保要求。

下面以Philips燈具為例將普通熒光燈和稀土三基色熒光燈做一個比較，它們的性能和能耗費用比較列在表8和表9中。

表8 3種T8熒光燈性能比較

從以上對比數據可以看出，稀土三基色熒光燈盡管單價較普通熒光燈貴，但是其光效更高，顯色指數更高，壽命也更長，減小了維護費用，不僅綜合費用降低了，而且節能效果更好。

表9 3種T8熒光燈能耗費用比較

注：①前2種為普通熒光燈，第3種為稀土三基色熒光燈；②選用雙管燈具，含鎮流器和安裝費，每套200元；③年利用小時：4 000 h；④電價：0.6元/kWh。

4.2 金屬鹵化物燈

金鹵燈分為陶瓷金鹵燈和石英金鹵燈。以Philips陶瓷金鹵燈CDM-T 70W和石英金鹵燈MHN-TD 70W為例進行比較，比較數據列于表10和表11中。

表10 兩種金鹵燈的性能比較

從表10、表11可以看出，相同色溫下陶瓷金鹵燈的光效、光通量、顯色指數和壽命明顯優于石英金鹵燈，盡管其價格比金鹵燈高30～50元，但是通過與熒光燈類似的計算可以發現，在一兩年內可以收回其差價成本。

5 室內反射系數對照明的影響

為研究室內空間中頂棚、墻面、地面的不同反射系數對室內照明的影響，建立了一個長、寬均為100 m，高為7 m的封閉空間。該空間的維護系數為0.7，燈具選用金鹵燈Philips MBS262 1*CDM-T70W EB 36，安裝方式為吸頂式，燈具數量為625套，燈具之間的間距為4 m，燈具與四邊墻壁的距離為2 m。空間模型如圖9所示。

圖9 驗證反射系數的三位空間模型

《建筑照明設計標準》(GB50034—2004)規定長時間工作的房間，其表面反射比宜按表12選取。

針對表12中各表面的反射系數范圍，在規定范圍內對頂棚、墻壁、地面選擇不同的反射比，制定5種方案，見表13。

表12 工作房間表面反射比

表13 5種方案反射比

考慮到現實生活中材料的反射系數很難達到0.90，所以方案5中頂棚的最高反射比系數確定為0.85。

將三維模型導入到DIALux中進行5種不同方案的照明計算，可以得到以下的對比數據，列于表14中。

表14 各方案計算數據對比

從表14可以看出，在布燈方案等其他因素不變的情況下，改變頂棚、墻壁和地面的反射系數，會對室內空間照明產生巨大影響。方案5的平均照度是方案1的1.63倍，而UGR計算值卻只有方案1的66.7%。因此提高室內空間各表面的反射系數，對改善室內空間的照明是有利的。在條件允許的情況下，空間表面的材質放射系數越高越好。

6 結論

綜上所述，可以得出如下結論。

(1)大型場所照明設計宜利用專用照明分析軟件進行照明計算，以便既滿足照明質量要求又達到節能目的。

(2)宜選擇發光效率高、壽命長的電光源。如稀土三基色熒光燈和陶瓷金鹵燈都是現階段室內較適合使用的電光源。

(3)在空間高度較低的室內照明宜選用稀土三基色熒光燈作為光源，高凈空的場所宜選用陶瓷金鹵物燈作為光源，既可以保證照度值，又可以滿足照度均勻度要求。

(4)室內各表面材質的反射系數對室內照明影響很大，為了獲得明亮、舒適的視覺效果，在滿足設計規范的前提下，室內各表面材質宜選用反射系數高的材料，這樣不僅可以對光進行重新利用，還可以明顯控制眩光。

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