成都火車南站樞紐城市綜合體項目光導照明使用和節能介紹

且志韜(成都交通樞紐場站建設管理有限公司,四川成都 610041)

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成都火車南站樞紐城市綜合體項目光導照明使用和節能介紹

且志韜
(成都交通樞紐場站建設管理有限公司,四川成都 610041)

【摘 要】天然光作為大自然饋贈于人類的寶貴財富,是一種取之不盡,用之不竭的綠色能源。同時也是人類長期進化過程中最為適應的光源。光導照明作為一項新的照明技術,就是利用自然光用于照明。光導照明具有環保、安全、節能等特點。本文通過對成都火車南站樞紐城市綜合體項目光導照明設計情況介紹、探討光導照明在建筑領域中的運用,以期能為同行做出參考。

【關鍵詞】建筑照明 光導照明 節能建筑

本文所述的光導照明系統是通過室外的采光裝置捕獲室外的日光,并將其導入系統內部,然后經過光導裝置強化并高效傳輸后,由漫射器將自然光均勻導入室內需要光線的任何地方。從黎明到黃昏,甚至是陰天或雨天,光導照明系統導入室內的光線仍然十分充足。它將天然光高效聚集、傳遞到室內陰暗的空間或地下建筑,可以有效地減少電能消耗,取得很好的采光照明效果,顯著改善室內環境和增強人體健康,是太陽能光利用的一種有效方式。

1 項目情況介紹

本項目位于成都市南部新區,成都地標之一天府立交橋西側。成都火車南站樞紐城市綜合體項目為集商業、住宅及辦公于一體的綜合性建筑。設有三層整體地下室,地上設有一棟綜合樓,由六層商業裙房上分別設有四棟二十三層住宅樓組成,另設有一棟二十二層辦公樓。此兩棟在地上分別設置的建筑,通過開敞式連接平臺相連為一個整體的綜合性建筑群。

本項目成都火車南站樞紐城市綜合體項目擬在一層綠化帶及人行鋪裝處設置光導管照明,用作地下一層商業休息區普通照明。

2 光導照明選用情況及其能耗分析

2.1 光導照明系統基本結構

光導照明系統主要由采光罩、導光管、漫射器三部分組成。

圖1 光導照明原理圖

(1)采光罩。采光罩的材料使用PC(聚碳酸脂)板材熱成型,聚碳酸脂是一種性能優異,無臭、無毒、高度透明的無色工程塑料,英文名稱:Polycarbon_ate,簡稱PC。它具有優越的光學透明性(可見光透過率目前最高為90%)和很高的抗沖擊強度、優良的熱穩定性、耐蠕變性、耐寒性、以及良好的電絕緣性、阻燃性。其拉伸強度、彎曲強度、壓縮強度高;蠕變性小,尺寸穩定;具有良好的耐熱性和耐低溫性,在較寬的溫度范圍內具有穩定的力學性能,可在-60～120℃下長期使用。在室外環境下,由聚碳酸脂材料制作的采光罩,表面涂有60微米的防紫外線涂層,大大增加了產品的品質和延長了使用壽命,其使用壽命可達30年以上。

(2)導光管。導光管采用先進的超級納米級鍍膜技術,在導光管內壁生成420層,總厚度僅0.05mm,的高分子復合鍍層,使其超越光線反射物理極限,其全光譜反射率達99.7%,并具有超高抗老化性。廠家提供的材料的伸張強度160-200Mpa;屈服強度140-180Mpa;延伸度大于2%,此材料制作的導光管的使用壽命在30年以上。

(3)漫射器。漫射器材料使用亞克力,化學名稱:聚甲基丙烯酸甲脂,英文名稱:Polymethyl Methacrylate,簡稱PMMA,比重1.18克/立方厘米,其特點是透明性極好、透光均勻,強度較高,不易破碎,有一定的耐熱、耐寒性,耐腐蝕,絕緣性良好。在室內使用環境下,亞克力材料制作的漫射器的壽命可達30年以上。

光導管原理見圖1:

2.2 光導照明系統的光學特性

(1)光導照明系統各部件的采光參數如下:

1)采光罩透光系數(%):89%

2)漫射器透光系數(%):86%

3)導光筒反射系數(%):98%

圖2

圖3

圖4 系統的安裝示意圖

(2)系統的效率及采光性能等級如下:

1)系統效率(%)(透光折減系數):66%

2)采光性能等級:5級

2.3 光導照明系統設計方案

本項目光導照明系統的設計采用國家照度標準設計,具有整套科學的設計方法和系統,完全能夠實現精確地照明需求。

2.3.1 設計工具

采用Visual照度設計軟件、全球光度文件2.0、光損失率計算器、Solatube照度設計IES文件。

2.3.2 項目照度標準

TDD光導照明系統可以參照的照明計算設計依據包括:

GB/T50033-2001 《建筑采光設計標準》

GB/50034-2004 《建筑照明設計標準》

GB/50189-2005 《公共建筑節能設計標準》

JGJ153-2007 《體育場館照明設計及檢測標準》

根據GB/T 50034-2004《建筑照明設計標準》及實際建筑環境,選取如下表面反射比為設計計算參考值:

公共建筑:

頂棚標準反射系數:0.8

墻面標準反射系數:0.5

地面標準反射系數:0.2

根據標準規定,公共場所照度標準值為300 lux。

該項目照度設計標準:使用日光照明達到140 lux,同時使用燈光補充照明,達到300 lux。

選用型號:S330DS-O-DA-F11 FI-E2 R-L2-M

2.3.3 設計基礎數據

(1)選用設備型號為:Solatube 330DS開放式光導照明系統,導光管直徑530mm。

(2)成都地區太陽高度角設定為:40°。

圖5 防水打樣圖

(3)通過所有管道,得光率:91.71%

(4)成都地區,選用S330DS的產品平均流明輸出為7477,設計結果,使用16套S330DS光導照明系統達到:

最大照度:140 lux,

最小照度:176 lux,

平均照度:77 lux。

2.3.4 天然光利用時數

在室外,我國主要城市不同臨界照度值時的全年天然光利用時數,見表1。

2.3.5 設計結果

本項目光導照明系統照明應用于地下一層商業賣場的公共休息區,應用建筑面積為1900m2,按100lux照度,室外臨界照度為10000lux時,單套標準直徑530mm的光導照明系統可覆蓋的照明面積可達120m2,需安裝約16套直徑530mm的光導照明系統并在光導照明系統內置12瓦的LED芯片,可以解決該區域夜間照明的問題。具體位置見圖2。光導管分布如圖3所示。

2.4 能耗計算

2.4.1 本項目使用光導照明系統 (內含12瓦的LED芯片) 照明直接節省耗電計算

(1)本項目光導照明系統有效工作時間:根據現實已有經驗及歷史數據,光導照明系統每天的有效工作時間會根據季節的不同而有所變化,在成都的相關數據為:在春秋兩季,約為10小時(8:00am-6: 00pm);在夏季,約為11小時(7:30am-6:30pm);在冬季,約為9小時(8:30am-5:30pm)。根據歷年氣象記錄,影響系統有效工作的特殊天氣,多出現在秋冬兩季,約為10天/季,而在春夏兩季,約為5天/季。另外,一年四季的天數分別為:春季92天,夏季92天,秋季91天,冬季90天,共365天。

每年度光導照明系統有效工作時間為:(92-5)×10+(92-5)× 11+(91-10)×10+(90-10)×9= 3357(小時)

(2)以普通熒光燈方式進行照明,按國家標準LPD取值范圍為: 3W/m2--5W/m2,在此我們取中間值4W/m2。

(3)計算對比分析(表2)

(4)如全年在有效時間內均使用光導照明系統,則每年度節省照明用電量為:

25512-981=24531(kWh)

(5)直接能耗節約率:

(25513.2-981.12)/25513.2×100%≈96.15%

2.4.2 與普通熒光燈照明系統相比較,本項目使用光導照明系統 (內含12瓦的LED芯片)照明間接節省耗電計算

采用普通熒光燈照明系統時其燈具發熱量產生的冷負荷計算

表1

表2 數據對比計算

公式如下:

Q= 1.2× n×N×X

其中:1.2——考慮熒光燈鎮流器的冷負荷增加系數;

n——照明燈具同時使用系數,本計算取n=1;

N——照明燈具功率;

X——燈具的冷負荷系數,查表得X=0.9

備注:該公式引用于《實用供熱空調設計手冊》第二版 下冊p1550-p1552

普通熒光燈照明系統的單位時間散熱量=1.2×1×(190×40)× 0.9/1000=8.21(kW)

年度普通熒光燈照明的總散熱量=3357×8.21=27561(kWh)

通常空調的COP值(制冷效率)為:2.5

備注:COP值(制冷效率)=空調系統所能實現的制冷量(制熱量)和輸入功率的比值。

則本項目地下商業場可減少空調裝機容量為:8.21/2.5=3.28 (KW)。

年度節省空調運行用電量(年度普通熒光燈照明的總散熱量/ COP值):27561/2.5=11024(kWh)。

2.4.3 每年直接間接節省用電量

每年直接間接節省用電量=每年度節省照明用電量+年度節省空調運行用電量=24531+11024=35555(kWh)。

2.4.4 系統節能量計算

每年節省用電量35555kWh,相當于節省了14.08噸標準煤。

2.4.5 年均節省電費計算

電費存在季節差異和時段差異,假設成都地區平均電費價格為1元/(KW.h),計算得每年可節約電費為:35555 kWh×1元/ kWh =35555(元)。

2.4.6 每年可節約常規照明系統維護費計算

普通熒光燈的使用壽命一般在2500-3500小時(每天開關兩次)。在正常使用下平均使用壽命為3000小時。根據熒光燈的壽命3000小時計算,傳統電力照明熒光燈管的更換周期為:3000/3357(小時)/年≈0.89年。以每支40W熒光燈管10元的價格計算,采用光導照明,本項目每年可節省熒光燈管更換費:190×10/0.89=2135(元)。30年可節省費用:2135×30=64050(元)。

(7)因減少了常規照明系統產生的散熱量,可減少空調一次性投資約為10000(元)。

使用光導照明系統,因其開洞尺寸小,密封性能好,且不會產生熱量,降低了冷、熱傳導系數,保溫隔熱性能好。比傳統照明方式(電力照明,天窗照明)節省了采暖及制冷能耗。

2.5 檢測預留方案

自然光照明產品為替代節能產品,使用自然光照明的區域在設定的照度要求及時間段下,可以完全替代電力照明,完全不使用電力,因此可直接計算節能量。

2.6 運行維護方案

(1)數據收集方案。光導照明系統是類似于天窗的建筑材料,完全不用電,且屏蔽紫外線及紅外線,實現綠色照明。在使用區域,設計使用時間段完全不使用電進行照明,實現百分之百的電力節約。

(2)運行維護。光導照明系統具有自清潔能力,且不需要人工維護,不產生任何維護費用(人為破壞除外)。

3 技術經濟技術分析

3.1 可再生能源建筑應用部分投資概算

本項目光導照明系統共16套,每套造價約3萬元,投資概算總額約48萬元。

3.2 項目增量成本計算(參照常規能源系統)

若采用常規照明系統,需雙管熒光燈95套,電線WDZC-BYJ-2.5 12000米,JDG20電線管4200米,材料及安裝費合計約80000元,故成本增加(總增量投資)約:480000-80000-10000=390000元。

備注:10000元為節省空調投資費用。

3.3 項目費效比、回收年限計算

3.3.1 項目費效比計算

本項目16套光導照明系統總增量投資為39萬元,可免維護至少使用30年,

本項目總費效比=總增量投資/常規能源替代總量

=39×10000/[30×(25513.2-981.12)]

=390000/[30×24532.08]

=0.53(元/kWh)

3.3.2 回收年限計算

本項目因使用光導照明系統新增投資為39萬元,可免維護使用30年,根據前面的計算:年可節約用電35555kWh,假設成都地區平均電費價格為1元/kWh。

本項目投資回收年限=新增總投資/(年節約用電量×電價)

=(39-6.4)×10000/(35555×1)

=9.16(年)

備注:6.4萬元為30年燈管更換費用。

4 項目風險分析

光導照明系統作為建筑的一部分,設計壽命38年,實際壽命幾乎與建筑同壽命,且不需要維護。在不影響建筑結構的的情況下,幾乎不具備其他風險。

5 施工難點和重點

因為本項目在地下室頂部安裝光導照明,因此施工的難點和重點就是光導管與結構的防水處理,光導管總平鋪裝景觀的協調。安裝示意圖見下圖4、圖5。

6 結語

節約能源、保護環境,提高照明品質是綠色照明的宗旨,在能源日益緊張的今天,充分利用天然光,把太陽光通過導光管系統方式直接傳輸到室內需要照明的地方,特別是一些地下或無窗建筑,必然是未來太陽能綜合利用很好的一種方式,更有利于實現可持續發展戰略。

參考文獻:

[1]Solatube產品資料.

[2]《實用供熱空調設計手冊》第二版.下冊p1550-p1552.

[3]《照明設計手冊》第二版P23.

作者簡介:且志韜(1978—),男,四川大邑人,工程師,從事機電設備安裝工作。