以廣州地鐵為例談地下空間的節能研究★

張 煜 趙甲薦 鄭俊穎 朱旭堅

(仲愷農業工程學院城市建設學院，廣東 廣州 510225)

以廣州地鐵為例談地下空間的節能研究★

張 煜 趙甲薦 鄭俊穎 朱旭堅

(仲愷農業工程學院城市建設學院，廣東 廣州 510225)

以廣州地鐵為例，闡述了廣州地下空間能源消耗的現況和特點，研究了地下空間利用太陽能、LED節能系統等進行節能的措施，為城市發展與城市能源可持續利用提供了可行的解決辦法。

地下空間，節能研究，地鐵，太陽能，LED節能系統

隨著人類文明的進步，人口的不斷增加，土地資源日趨枯竭，人類為了延伸其生存領域開始不斷地向地下空間發展。地下空間作為一個新的概念，其被許多學者和專家提出并進行論證研究，它的開發和利用必將引起社會發展的重大變革。但由于地下空間相對封閉，其采光、通風、冷控等方面都需要消耗大量電能，能源消耗問題十分突出[1-4]。然而可持續發展是未來城市建設的主題，地下空間開發利用的節能研究，已成為衡量一個城市現代化的重要標志。因此，地下空間的節能降耗對城市的可持續發展具有重大意義。本文以廣州地鐵為例，闡述了地下空間節能研究的相關舉措及意義。

1 廣州地下空間能源消耗

作為中國第三大城市的廣州，在黨中央和廣東省委的大力支持下，于1997年6月28日開通地鐵，是中國大陸第四個開通并運營地鐵的城市。近年來,隨著我國經濟水平逐漸提高，廣州的地鐵事業也在迅速發展,在未來的幾年，將會有更多的地鐵線路建成并投入使用。縱橫交錯的廣州地鐵為人們的出行帶來了極大的便利, 但也帶來了各種能源的巨大消耗。眾所周知,我國是一個能源相對比較缺乏的國家，地下空間的能耗問題尤顯突出。因此,以廣州地鐵為例，進行地下空間的節能研究，便具有重要意義。

通過多次前往市二宮、江南西、大學城北、大學城南、體育西等50多個地鐵站的現場調研發現，廣州地鐵系統的能源消耗主要是電能，且主要消耗于公用照明(見圖1)、功能性標志牌(見圖2)、電視視頻宣傳、地鐵線路指示、文明宣傳燈箱、廣告燈箱等。

根據調研顯示，廣州地鐵營業時間通常為6：30～23：30，每天多達17 h以上，而且全年基本沒有節假日，全運營過程照明耗電量極大。此外由于地鐵人流量極大，內部發熱量大，空調開啟時間也較其他公共建筑長，其冷凍機一般從3月中旬開啟一直運行到11月下旬(整年空調開啟時間會根據廣州地區氣候條件進行調整)，故地鐵單位面積的電耗在公共建筑中是最高的。而在空調系統中，冷凍機電耗占空調總用電量的23%[23 kWh/(m2·年)]；冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔耗合計占10.6%；地鐵采用的是全空氣系統，空調箱風機全年運行，因此風機電耗所占比重大，占所用空調系統總用電量的65.4%[65.4 kWh/(m2·年)][5]。

綜合分析廣州地鐵和國內地下空間的能源消耗情況，其具有以下幾個突出特點：

1)空調系統能耗高，電能是主要消耗能源；

2)單位面積能耗指標高，其耗電量在100 kWh/(m2·年)～150 kWh/(m2·年);

3)空調系統和照明系統是電耗的主要組成部分；

4)空調系統的風機、水泵耗電量偏高，在比重上甚至超過了冷凍機[1]；

5)地下空間必須全部依靠人工采光。

2 地下空間節能措施研究

2.1 健全能源使用管理體制

根據資料顯示，過去我們注重傳統意義上的能源安全，即保證能源在開采、運輸和應用安全，忽略了由于能源的大量消耗引起的各種與可持續發展不協調、對生態環境產生致命性破壞的安全問題。隨著能源與環境問題的日益突出，必須重視能源使用安全，即既要重視能源在開發、運輸、消費過程中的安全問題，更要防治能源的使用對環境的污染與破壞，把能源安全與環境保護結合在一起進行考慮，協調好能源法與環境法兩者之間的關系。

為保障能源安全與使用協調，就應健全能源法與環境法的協調機制，優化地下空間的能源使用方案。可根據人流量制定相應節能方案。如照明系統、運輸系統、暖通系統不應全運營過程無差別通電，應根據人流量和環境情況決定多少照明燈通電、多少臺制冷機運行等。

此外，電器停用時的待機狀態耗能量也不可忽視。以某辦公建筑為例，由于制冷機選型較大，夏季最熱時僅需1臺運行，為避免機器常年閑置失效，3臺制冷機輪流運行，操作人員每天進行一次切換，其余兩臺處于待機狀態。一臺制冷量為1 582 kW的制冷機在待機狀態下電流為10 A左右，3臺制冷機全年待機電耗將高達12萬kWh[5]。因此，在多臺設備輪流使用的情況下，可以通過優化設備使用方案，減少設備待機耗能，杜絕無效益式能源消耗。

2.2 推廣使用新型能源——太陽能

根據調研顯示，目前我國電能仍有相當一部分來自于火力發電，面對經濟社會高速發展的強大壓力，火力發電方式再次對日益惡化的生態環境提出挑戰。因此，推廣使用新型能源對經濟社會的可持續發展具有重大意義。

太陽能作為一種“零污染、高產出”的新型能源成為了我們關注的焦點。目前，我國大部分太陽能資源豐富的地區在應用太陽能光伏技術時多采用晶體硅太陽能電池板，其光電轉換效率較高，約為12%～16%；而非晶硅的光電轉換效率較低，只有10%左右[6]。

廣州市地處太陽能資源豐富區，太陽高度角低，日照時間長，太陽能利用技術研究和太陽能產業發展較快，開發利用太陽能具有得天獨厚的優勢。

根據資料顯示，廣州平均年太陽總輻射為4 279.58 MJ/m2，年最小值為3 325.50 MJ/m2，年最大值為5 402.49 MJ/m2，總體呈顯著減少趨勢，減少速率為每年10.3 MJ/m2。夏季輻射豐富，冬季偏少，夏季總輻射量是冬季的1.57倍，月平均總輻射7月最多(475. 22 MJ/m2)，2月最少(226.67 MJ/m2)。每天的10:00～14:00太陽能資源最為豐富，期間每小時輻射強度均超過1.45 MJ/m2[7]。

根據廣州的氣候特征，可在大面積無遮擋且人流較少的地方采用太陽能光伏發電系統，既能保證發電的效率效益，又能夠減少光污染問題對居民的影響。再結合廣州一年的日照情況，宜選用晶硅薄膜電池。雖其生產耗能和造價都比非晶硅電池高，若全面推廣經費較大。但在廣州這個太陽能資源十分豐富的地區，大力推廣晶硅薄膜電池利大于弊。一方面因為晶硅薄膜電池的光電轉換效率高，投入回收效益好，另一方面其質量較好且使用周期長，符合可持續發展戰略精神。因此，推廣使用太陽能新能源對于地下空間節能具有重大意義。

2.3 使用新型節能設備——LED節能系統

在推廣使用新型能源的同時，如何從源頭節約地下空間照明系統和指示系統的耗能也是節能研究的重中之重。傳統的照明燈、指示標志以及廣告屏幕因其耗電高、壽命短、維修周期短而無法應對日益嚴峻的能源危機挑戰。因此，研究新型節能照明系統勢在必行。

LED節能系統在這樣的時代呼喚下應運而生，其具有以下的突出優點：

1)與傳統白熾燈和熒光燈相比，其發光效應并不依靠燈絲發熱；2)電能的轉化效率高，同樣的發光效應電能消耗只有白熾燈的10%左右、熒光燈的50%左右；3)LED照明系統采用固體封裝，整體結構穩定，平均使用壽命大于100 000 h，比普通熒光燈多9 000 h[8]；4)產品不含汞，在壽命結束廢棄后，不會對生態環境造成二次污染；5)可回收利用，對可持續發展戰略具有重要意義；6)光色柔和，對眼睛起到很好的保護作用。

根據調研統計，地下空間的電能使用中，超過40%的電能用于照明系統、指示標志系統和廣告宣傳系統。而目前國內仍有相當一部分的地下空間(如隧道和涵洞等)大量使用熒光燈和熾燈，雖其造價一次性投入較少，但并不符合可持續發展和資源的合理配置。從長遠的角度上講，地下空間引進LED照明系統、LED標志系統和LED廣告系統，既能節能減排，又能滿足群眾的“公共養生”要求。

目前國內市場LED節能燈多種多樣，按其主要組成部分可分為三種：

1)由草帽型小功率LED制成的LED節能燈，電源采用阻容降壓電路。該種節能燈雖價格相對低廉，但質量較差，散熱性能較差，在使用一段時間后，光色會變深，亮度降低。

2)由3528或5050貼片中小功率LED制成的LED節能燈，電源亦是采用阻容降壓電路，相比草帽型LED，因具有導熱基板，能散發一定的熱量。但由于通電后電壓電流不穩定，亮度也不恒定，光衰依然嚴重。

3)由大功率貼片LED制成的LED節能燈，電源則采用恒流隔離電路，即電流在通電過程幾乎沒有改變，亮度保持恒定。且具有良好的散熱效益，能夠讓使用產生的熱量及時散去，從而確保LED節能燈充分發揮“耐用”的優勢。

結合廣州地鐵和國內主要地下空間對照明系統和指示系統的需求實際看，所用的LED燈往往需要滿足長時間連續使用要求，并且在人流多的地方還必須具備不傷眼、不發熱的特點。因此，從長遠角度上講，選用由大功率貼片LED制成的LED節能燈是最符合地鐵空間照明要求的。

3 結語

節能理念應包括：盡量減少傳統燃料、盡量減少建筑中技術設備開支、盡量減少可能的降溫需求、盡量減少傳送和通風過程中的熱量損失、盡量減少能源和材料的消耗。因此，通過合理的制度保障、大力推廣新型能源和新型材料，地下空間的能源使用情況將會有巨大的改善。這樣的舉措，既能夠滿足人民群眾日益增長的物質文化需要，又能夠促進經濟與環境的可持續健康發展。提高能源使用效率和使用效益，增加城市乃至國家的能源競爭力，是我國未來經濟社會發展的重要主題，節能研究勢在必行。

[1] 譚柏平.我國能源安全面臨的挑戰及法律對策[J].廣西師范大學學報(哲學社會科版)，2012,48(6):194-198.

[2] 廣東省建設廳科教處.廣東省太陽能開發利用情況調查報告[J].建筑監督檢測與造價,2008,1(2):64-66.

[3] 羅承先.太陽能發電的普及與前景[J].中外能源,2010,15(11):37-39.

[4] 羅伯特·貢薩洛，卡爾·J·赫伯曼.建筑節能設計——從規劃到施工[M].北京:中國建筑工程出版社,2008:186.

[5] 薛志峰.公共建筑節能[M].北京:中國建筑工業出版社,2007:25-57.

[6] 劉 柯,鮑家聲.光纖采光照明系統在建筑中的應用[J].南方建筑,2006(9):91-94.

[7] 劉愛君,陳雯超,秦 鵬.廣州市太陽能資源的分析與評估[J].廣東氣象,2014,36(3):59-61.

[8] 安星明.淺析地下空間節能關鍵技術[J].建筑節能,2012,40(5):43-46.

Discussion on underground space energy-saving research with Guangzhou subway as an example★

Zhang Yu Zhao Jiajian Zheng Junying Zhu Xujian

(CollegeofCityConstruction,ZhongkaiCollegeofAgricultureEngineering,Guangzhou510225,China)

Taking Guangzhou subway as an example, the article describes underground space energy consumption status and features of Guangzhou city, studies underground energy-saving measures including using solar energy and LED energy-saving system and so on, which has provided feasible solving methods for urban development and sustainable urban energy utilization.

underground space, energy-saving research, subway, solar energy, LED energy-saving system

2015-04-08★：廣東省教育廳大學生創新創業訓練計劃項目(項目編號：K1133097)；廣東省教育廳卓越人才培養計劃項目(項目編號：KA1548883)

張 煜(1992- )，男，在讀本科生

1009-6825(2015)17-0192-02

TU201.5

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