試論LED 燈在高鐵站房的節能優勢

王云鵬, 馮星明, 汪 雋

(中南建筑設計院股份有限公司,武漢 430071)

0 引言

近年來,隨著我國高速鐵路快速發展,各地高鐵客運站房能耗問題日益突出,運營成本居高不下。 在現有大部分已建成的大中型鐵路客運站房內,多采用傳統燈具(如熒光燈、陶瓷金鹵燈等),然而傳統燈具在能耗、燈具壽命、與裝飾材料相結合等方面都存在一定的問題。 隨著半導體材料及制造工藝的發展,LED 驅動芯片也在完善,高亮度、大功率的LED 光源在能耗、綠色環保、營造舒適溫馨的照明環境等方面具有愈趨明顯的優勢。

本文以襄陽東津高鐵站為例,應用DIALux 照明設計軟件,對比分析鐵路站房內高架候車廳不同燈具的照明設計方案。

1 光源和燈具的選擇

1.1 照明空間分析

本文將東津站高架候車層作為分析的室內照明 空 間, 長309m, 寬116 ～162m, 總 面 積 為35 741m2。 候車廳高度為21m,屬室內高大空間。高架候車廳是旅客等候列車停留、休息的場所,要求整體環境給人以安靜、舒適的感覺,還要考慮在等候過程中閱讀書報雜志或進行其他視覺工作的需要。

高架候車廳頂棚采用金屬條板、金屬垂片吊頂,反射率按0.8 計算。 墻面采用鋁板,反射率按0.7 計算。 地面采用灰麻花崗巖色地磚,反射率按0.4 計算。 參照平面按地面考慮。 燈具采用雙燈組合的布置方式,見圖1。

1.2 光源和燈具的分析

通過DIALux 照明設計軟件對東津站候車大廳進行建模,其照明空間如圖2 所示。

圖1 照明空間平面效果圖

圖2 照明空間模型圖

通過照明空間模型圖可知,中部區域距離頂棚較高,地面距頂棚約18m,兩側候車大廳商業夾層上空距離頂棚空間較近,地面距頂棚約8m。 因此,本項目中部區域照明采用較大功率燈具,兩側候車商業夾層上空照明采用較小功率燈具。

本文高架候車大廳為高大空間,故選取陶瓷金鹵燈、LED 燈兩種光源,通過DIALux 照明設計軟件進行分析。

1.2.1 陶瓷金鹵燈

陶瓷金鹵燈是在汞和稀有金屬的鹵化物混合蒸汽中產生電弧放電發光的氣體放電燈,是在高壓汞燈基礎上添加各種金屬鹵化物制成的光源。 陶瓷金鹵燈的基本原理是將多種金屬以鹵化物的方式加入到高壓汞燈的電弧管中,使這些金屬原子像汞一樣電離、發光。 陶瓷金鹵燈具有光效高、顯色性好、性能穩定等優點。

本文兩側候車夾層上空選用的陶瓷金鹵燈,光源功率為70W,燈具功率為97.7W,額定電壓為220V,顯色指數90,色溫4 000K,光通量為5 700lm,配光曲線如圖3 所示。 中部區域上空選用的陶瓷金鹵燈,光源功率為150W,燈具功率為165.1W,額定電壓為220V,顯色指數90,色溫4 000K,光通量為13 998lm,配光曲線如圖4 所示。

1.2.2 LED 燈

LED 的核心部分是半導體晶片,其由兩部分組成,一部分是空穴占主導地位P 型半導體,另一部分是電子占主導地位N 型半導體。 當兩種半導體

圖3 70 W 金鹵燈配光曲線

圖4 150 W 金鹵燈配光曲線

連接起來就形成“P-N 結”。 當電流通過導線作用于半導體晶片時,電子就會被推向P 區,在P區里電子跟空穴復合,以光子的形式發出能量。LED 燈具尺寸較小,為定向發光,便于燈具配套和提高燈具效率。 同時,LED 燈具有使用壽命長、質量輕、安全可靠性高、發熱量低、無熱輻射、響應時間短等優點。

本文兩側候車夾層上空選用的LED 燈,燈具功率為50W,額定電壓為220V,顯色指數90,色溫4 000K,光通量為5 500lm,配光曲線如圖5 所示。中部區域上空選用的LED 燈,燈具功率為120W,額定電壓為220V,顯色指數90,色溫4 000K,光通量為12 820lm,配光曲線如圖6 所示。

圖5 50W LED 燈配光曲線

圖6 120W LED 燈配光曲線

2 照明空間指標分析

本文通過DIALux 照明設計軟件進行仿真計算。 DIALux 軟件是DIAL 公司聯合多家國際知名照明廠家共同研發的一款照明設計軟件,通過對照度模擬值和照度實測值的對比,得出該軟件的平均誤差僅為1.2%,因此,利用DIALux 軟件進行同一室內空間分析不同光源照明的結果,可以模擬真實數據。

2.1 照明設計標準

根據規范TB 10089-2015《鐵路照明設計規范》,候車大廳照度值詳見表1。

鐵路旅客車站內候車大廳照明標準值 表1

襄陽東津站為客運專線鐵路旅客車站,站房遠期(2030 年)高峰小時發送量為4 500 人,最高聚集人數為4 000 人。 根據GB 50226-2007《鐵路旅客車站建筑設計規范》(2011 年版)第1.0.5 條,本工程屬于中型鐵路旅客車站,故本文設計的站房候車大廳照度要求值為150lx。

2.2 燈具布置

候車大廳等場所可采用不同的布燈方式,但在使用下射筒燈的情況時,在距高比一致、照明功率一致、照明功率、燈具總量相同的前提下,通過選擇合適的配光曲線的燈具,不同布燈方式對照度影響不大,差別基本在5%以內。 本文考慮天花形式和維修馬道等因素,候車大廳上空燈具采用雙燈組合的布置方式。 照明指標是根據陶瓷金鹵燈、LED 燈采用相同的布置方式下得出的結果。

本項目根據雙燈組合的布置方式,中部區域采用大功率的燈具,兩側候車層夾層的上空采用較小功率的燈具。 候車廳布置圖如圖7 所示。

圖7 燈具布置圖

2.3 照明計算結果

燈具布置完成后,利用DIALux 軟件進行照度就散,得到陶瓷金鹵燈和LED 燈在相同燈具布置方式下的候車層區域照度曲線,如圖8～9 所示。

圖8 陶瓷金鹵燈照度等值線

圖9 LED 燈照度等值線

2.4 照明設計綜合分析

候車大廳采用陶瓷金鹵燈布置時,地面平均照度為188lx;采用LED 燈布置時,地面平均照度為184lx,以上兩種光源均可以滿足設計指標要求。

兩種燈具的照明總功率統計如表2 所示。

燈具數量及功率匯總表 表2

由于陶瓷金鹵燈單燈功率較大,同時考慮金鹵燈自電感鎮流器的消耗。 LED 燈相較于陶瓷金鹵燈的節能用電量為31.9%。 因此,LED 燈的使用在站房后期運營具有很明顯的節能效果和經濟優勢。

3 LED 燈對比傳統燈具的優勢

3.1 LED 燈節能優勢

LED 燈具與其他傳統照明燈具相比,在調光方面也有較大優勢。 調光控制并不會對LED 燈具的使用壽命和工作效率帶來影響,反而如果對LED 燈具進行合理調光控制,還會降低LED 結節的溫度,延長LED 燈具的使用壽命。 LED 作為半導體二極管可以實現快速開通關斷控制且開關速率可以達到微秒以上。 因此,可考慮對LED 燈具進行調光控制。

本項目采用PWM 調光原理,在脈沖周期恒定(10ms)的情況下,控制脈沖的寬度及占空比。 此時,在通電瞬間作用在LED 上的電流是恒定的,因此,色度也是恒定的。 通過改變通和斷之間的時間比例,考慮到人眼的視覺暫留特性,就可以調節LED 的亮度。 因此,通過LED 調光可進一步降低燈具的損耗。

總體來說,陶瓷金鹵燈等傳統燈具亮度不能進行線性的控制,且實際運行功率比額定功率高10%;而LED 燈具實際運行功率就是其額定功率,且通過調光控制可進一步降低運行功率。 LED 燈具的光衰相較傳統燈具也較小,10 000h 衰減不到10%,但光通量維持率依然可以達到91.6%,在使用期間可以持續保持很高的發光效率,實現節能環保的效果。

3.2 LED 燈與裝飾結合性優勢

本項目結合裝飾天花布置,中部頂棚為打破吊頂呆板樣式設條形燈光帶,營造更加靈活的光環境。 條形燈光帶長度為18～36m,如圖10 所示。

圖10 頂棚裝飾線條效果圖

由于LED 燈在長寬等尺寸任意定制,且LED 燈具之間的安裝可以做到無縫拼接,因此,LED 燈具有傳統熒光燈無法替代的優點,更能夠滿足人民對生活舒適性的需求。 LED 在顯色指數方面也具有更大的優勢,更利于對色彩差別的分辨,提高視覺辨識效果。

3.3 LED 燈安全性優勢

金鹵燈在關閉后再啟動時需要5 ～10min,LED燈啟動時間只有60ns。 在照明回路供電故障切除后恢復供電時, LED 燈快速點亮的特性,更適用于高鐵站房這類人員密集場所。

4 結束語

本文通過對高鐵站房候車大廳照明設計中陶瓷金鹵燈與LED 光源的對比分析,證明了LED 光源應用于站房照明的可行性。 LED 光源在運行中具有能耗更低,并且其設計壽命與運行壽命都遠高于傳統燈具等特點,且鐵路站房照明應用LED 光源,在候車大廳、貴賓室等區域可通過調光達到更好的舒適性,在構建站房暢通融合、綠色溫馨、節能環保方面具有很大的優勢。