火车站候车大厅照明及其节能的仿真分析

孙建明,廖 美

(1.中铁第四勘测设计院集团有限公司,武汉 430063;2.湖北电力勘测设计院,武汉 430024)

1 概述

随着全国铁路建设高潮的兴起，铁路客站已进入大规模建设期。从2003年至2009年我国已经修建了300多座的铁路站房，预计未来几年我国将再度新建上百座的中小型旅客站房[1]。

在铁路客站能耗中，照明能耗占30%～40%[2]，根据客站照明系统的使用现状来看，照明系统仍有一定的节能空间，因此铁路客站照明节能设计研究显得尤为重要。本文将以某站候车大厅作为研究对象，采用照明分析软件建立照明仿真模型，进行多种照明方案的仿真计算，提出火车站候车大厅照明及其节能的主要技术措施。

2 候车大厅照明设计方案分析

2.1 候车大厅照明设计仿真模型

某火车站主站房分为上下两层，共有8个候车大厅，可同时容纳5 000名旅客候车。通过对其中1个候车大厅进行仿真计算，可以得到火车站照明节能的设计方法。

本次研究选择了二楼的1个普通候车大厅建立照明设计仿真模型，该大厅长、宽各为50.4 m，高度为7 m，大厅中间有一个净空与一楼的候车大厅相通，利用21 m高的采光天窗进行自然采光，候车厅三面都有大的玻璃幕墙可以自然采光；三维仿真模型如图1所示，通过DIAlux计算该候车大厅的照度，还在候车大厅四周中心位置1.2 m处设置了4个UGR观测点来检测统一眩光值，如图2所示。

图1 某站候车大厅三维模型(单位：m)

2.2 候车大厅照明设计方案仿真计算

方案一：候车大厅照明灯具布置方案见图3。

图2 UGR观察点位置(单位：m)

图3 某站候车大厅照明灯具布置方案一(单位：m)

图3中，共设有5排荧光灯带，荧光灯型号为Philips TBS326 2*TL-D36W C5，每排38套荧光灯，总共190套荧光灯；

采光天窗下方20.15 m的横梁上有2排150 W的金属卤化物灯，型号为Philips MCS450 1*CDM-T150W，每排5套，总共10套；

候车厅天花板上吸顶式安装了96套70 W的金属卤化物灯，型号为Philips MBS260 1*CDM-T70W EB 36。

将原始布灯方案导入到DIALux的三维模型(图4)中进行照明计算，可以得到以下的数据。

总光通量：2 046 600 lm

总功率：25 336.0 W

照明功率密度值：10.13 W/m2

照度值见表1，眩光指标见表2。

表1 方案一照度计算值 lx

表2 方案一UGR观测值

从以上计算数据可以看出，方案一的平均照度较高，远高于一般工作区的最低照度要求(150～200 lx)[3]，照度均匀度也比较差，照明功率密度高于行业标准值，造成电能浪费。

2.3 候车大厅照明方案改进分析

方案二：全部采用金属卤化物灯，并重新排列灯具，布灯方案如图5所示。

图4 方案一三维仿真效果图

图5 新照明设计方案(单位：m)

图5中，采光天窗下方20.15 m的横梁上有2排150 W的金属卤化物灯，型号为Philips MCS450 1*CDM-T150W，每排5套，总共10套；

候车厅天花板上吸顶式安装了149套70 W的金属卤化物灯，型号为Philips MBS262 1*CDM-T70W EB 36。

在进行方案二与方案一的对比计算时，为了避免外界因素的影响，将三维模型的参数值确定如下：维护系数按照设计标准确定为0.7，考虑到实际材料的反射比很难达到0.9，并且本次研究是在做方案的对比，故将顶棚反射比确定为0.8，墙壁的反射比为0.7，地面的反射比为0.4，计算面为地面。

将方案二的布灯方案导入到DIALux的三维模型中进行照明计算，可以得到以下的数据。

总光通量：1 123 400 lm

总功率：13 346.5 W

照明功率密度值：5.34 W/m2

照度值见表3，眩光目标见表4。方案二三维仿真效果图见图6。

表3 方案二照度计算值 lx

表4 方案二UGR观测值

图6 方案二三维仿真效果图

两方案的计算数据对比如表5所示。

表5 方案一与方案二照明指标对比

从对比数据可以看出，采用方案二重新布置灯具后，所消耗的功率仅为方案一的52.6%，平均照度得到了有效控制，照度均匀度也得到了明显的改善，照明功率密度值由原来的10.13 W/m2降到了5.34 W/m2，节能效果非常显著。虽然平均照度由599 lx下降至301 lx，但是仍然符合工作区的照度要求，不会对旅客照明舒适度产生很大的影响。方案一的灯具布置不合理，浪费较大。而方案二减少了灯具使用数量，并且重新布局，使得能耗显著降低，并且照明效果也能符合照度要求。

3 光源选择对照明的影响

为了分析不同灯具安装高度下电光源对照明的影响，本研究建立一个长宽均为50 m的矩形空间，它的维护系数设为0.7，天花板反射系数设为0.7，墙壁反射系数设为0.5，地面反射系数设为0.2。荧光灯和金属卤化物灯都在天花板均匀排列，且保持实际效能值相同。

3.1 荧光灯

荧光灯的布灯方案如图7所示。图中共有169套荧光灯，型号为Philips TBS318 2*TL-D 36W C2，总功率为12 168 W，实际能效值为4.87 W/m2(面积2 540.16 m2)。

图7 荧光灯布灯方案(单位：m)

将图7的布灯方案导入Dialux，空间高度分别设为3，7和11 m，可以得到的照明计算值见表6。

3.2 金属卤化物灯

金属卤化物灯的布灯方案如图8所示。同荧光灯一样，也采取空间均匀排列灯具，选用灯具型号为Philips MBS260 1*CDM-T70W EB 36。为了保证实际能效值与荧光灯的基本一样，在布置灯具时也选用169套金属卤化物灯，总功率为11 830 W，实际能效值为4.73 W/m2。将图8中的布灯方案导入Dialux，空间高度仍然采用3，7 m和11 m，可以得到表7中使用金属卤化物灯的照明计算值。

表6 采用荧光灯的照度计算值

图8 金属卤化物灯布灯方案(单位：m)

表7 采用金属卤化物灯的照度计算值

从表6和表7的数据分析得出：在实际效能值相同的情况下，金属卤化物灯的照度高于荧光灯照度，但是在空间高度比较低的时候，如果选用金属卤化物灯会导致照度均匀度很差，而在较高的空间中采用金属卤化物灯则会解决这个问题。所以在空间高度低的时候适合选用荧光灯，这样照度均匀度比较好，在高净空的空间中适合选用金属卤化物灯，这既可以使得平均照度高，又能保证照度均匀度。

4 常用光源能耗比较

目前站房照明最常用的光源有荧光灯和金属卤化物灯。

4.1 荧光灯

目前市场上的荧光灯主要有2种：使用普通荧光粉的荧光灯和使用三种稀土荧光粉的稀土三基色荧光灯[4]。直管荧光灯按照管径大小也分为3种：T12、T8、T5，管径越小，则使用的汞和荧光粉的量越少；管径越小，便于使用稀土三基色荧光粉，从而提高Ra和光效，有利于减小光衰，寿命更长(可达12 000 h)；管径越小，用汞量减少，更加符合环保要求。

下面以Philips灯具为例将普通荧光灯和稀土三基色荧光灯做一个比较，它们的性能和能耗费用比较列在表8和表9中。

表8 3种T8荧光灯性能比较

从以上对比数据可以看出，稀土三基色荧光灯尽管单价较普通荧光灯贵，但是其光效更高，显色指数更高，寿命也更长，减小了维护费用，不仅综合费用降低了，而且节能效果更好。

表9 3种T8荧光灯能耗费用比较

注：①前2种为普通荧光灯，第3种为稀土三基色荧光灯；②选用双管灯具，含镇流器和安装费，每套200元；③年利用小时：4 000 h；④电价：0.6元/kWh。

4.2 金属卤化物灯

金卤灯分为陶瓷金卤灯和石英金卤灯。以Philips陶瓷金卤灯CDM-T 70W和石英金卤灯MHN-TD 70W为例进行比较，比较数据列于表10和表11中。

表10 两种金卤灯的性能比较

从表10、表11可以看出，相同色温下陶瓷金卤灯的光效、光通量、显色指数和寿命明显优于石英金卤灯，尽管其价格比金卤灯高30～50元，但是通过与荧光灯类似的计算可以发现，在一两年内可以收回其差价成本。

5 室内反射系数对照明的影响

为研究室内空间中顶棚、墙面、地面的不同反射系数对室内照明的影响，建立了一个长、宽均为100 m，高为7 m的封闭空间。该空间的维护系数为0.7，灯具选用金卤灯Philips MBS262 1*CDM-T70W EB 36，安装方式为吸顶式，灯具数量为625套，灯具之间的间距为4 m，灯具与四边墙壁的距离为2 m。空间模型如图9所示。

图9 验证反射系数的三位空间模型

《建筑照明设计标准》(GB50034—2004)规定长时间工作的房间，其表面反射比宜按表12选取。

针对表12中各表面的反射系数范围，在规定范围内对顶棚、墙壁、地面选择不同的反射比，制定5种方案，见表13。

表12 工作房间表面反射比

表13 5种方案反射比

考虑到现实生活中材料的反射系数很难达到0.90，所以方案5中顶棚的最高反射比系数确定为0.85。

将三维模型导入到DIALux中进行5种不同方案的照明计算，可以得到以下的对比数据，列于表14中。

表14 各方案计算数据对比

从表14可以看出，在布灯方案等其他因素不变的情况下，改变顶棚、墙壁和地面的反射系数，会对室内空间照明产生巨大影响。方案5的平均照度是方案1的1.63倍，而UGR计算值却只有方案1的66.7%。因此提高室内空间各表面的反射系数，对改善室内空间的照明是有利的。在条件允许的情况下，空间表面的材质放射系数越高越好。

6 结论

综上所述，可以得出如下结论。

(1)大型场所照明设计宜利用专用照明分析软件进行照明计算，以便既满足照明质量要求又达到节能目的。

(2)宜选择发光效率高、寿命长的电光源。如稀土三基色荧光灯和陶瓷金卤灯都是现阶段室内较适合使用的电光源。

(3)在空间高度较低的室内照明宜选用稀土三基色荧光灯作为光源，高净空的场所宜选用陶瓷金卤物灯作为光源，既可以保证照度值，又可以满足照度均匀度要求。

(4)室内各表面材质的反射系数对室内照明影响很大，为了获得明亮、舒适的视觉效果，在满足设计规范的前提下，室内各表面材质宜选用反射系数高的材料，这样不仅可以对光进行重新利用，还可以明显控制眩光。

[1] 铁道部.中长期铁路网规划[Z].北京：2008：5-8．

[2] 廖宇.铁路客站照明节能设计的研究[J].建筑电气,2009，28(7)：39-41．

[3] 中华人民共和国建设部.GB50034—2004 建筑照明设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社，2004.

[4] 李蔚，喻辉，孙雁波.铁路客站电力与照明系统的设计要点与难点[J].智能建筑电气技术,2010(1)：78-82.

[5] 汪渊，路焙.我国推广高效照明电器的节能效益分析[J].照明工程学报，2003(2)：17-22.

[6] 王敏.绿色照明的节能潜力与对策[J].灯与照明，2003(2)：49-50.

[7] 韩文科，吕文斌，等.能效标准标识与绿色照明[M].北京：中国标准出版社，2006．

[8] 国家发展和改革委员会.节能中长期专项规划[Z].北京：中国环境科学出版社，2005．

[9] 王秀娟.北京南站景观照明设计[J].铁道标准设计，2010(2)：138-139.

[10] 廖双兴.飞利浦欧标金卤灯系统在工业照明中的应用[J].低压电气,2006，12(8)：18-19．

[11] 陈彦.天津铁路客站站房电气照明设计[J].铁道标准设计，2010(5)：109-112.

[12] 朱小清.照明技术手册[M].北京：机械工业出版社,1995．

[13] 邹天汉.照明器具及其应用电路[M].北京：机械工业出版社,2002．