成都火车南站枢纽城市综合体项目光导照明使用和节能介绍

且志韬(成都交通枢纽场站建设管理有限公司,四川成都 610041)



成都火车南站枢纽城市综合体项目光导照明使用和节能介绍

且志韬
(成都交通枢纽场站建设管理有限公司,四川成都 610041)

【摘 要】天然光作为大自然馈赠于人类的宝贵财富,是一种取之不尽,用之不竭的绿色能源。同时也是人类长期进化过程中最为适应的光源。光导照明作为一项新的照明技术,就是利用自然光用于照明。光导照明具有环保、安全、节能等特点。本文通过对成都火车南站枢纽城市综合体项目光导照明设计情况介绍、探讨光导照明在建筑领域中的运用,以期能为同行做出参考。

【关键词】建筑照明 光导照明 节能建筑

本文所述的光导照明系统是通过室外的采光装置捕获室外的日光,并将其导入系统内部,然后经过光导装置强化并高效传输后,由漫射器将自然光均匀导入室内需要光线的任何地方。从黎明到黄昏,甚至是阴天或雨天,光导照明系统导入室内的光线仍然十分充足。它将天然光高效聚集、传递到室内阴暗的空间或地下建筑,可以有效地减少电能消耗,取得很好的采光照明效果,显著改善室内环境和增强人体健康,是太阳能光利用的一种有效方式。

1 项目情况介绍

本项目位于成都市南部新区,成都地标之一天府立交桥西侧。成都火车南站枢纽城市综合体项目为集商业、住宅及办公于一体的综合性建筑。设有三层整体地下室,地上设有一栋综合楼,由六层商业裙房上分别设有四栋二十三层住宅楼组成,另设有一栋二十二层办公楼。此两栋在地上分别设置的建筑,通过开敞式连接平台相连为一个整体的综合性建筑群。

本项目成都火车南站枢纽城市综合体项目拟在一层绿化带及人行铺装处设置光导管照明,用作地下一层商业休息区普通照明。

2 光导照明选用情况及其能耗分析

2.1 光导照明系统基本结构

光导照明系统主要由采光罩、导光管、漫射器三部分组成。

图1 光导照明原理图

(1)采光罩。采光罩的材料使用PC(聚碳酸脂)板材热成型,聚碳酸脂是一种性能优异,无臭、无毒、高度透明的无色工程塑料,英文名称:Polycarbon_ate,简称PC。它具有优越的光学透明性(可见光透过率目前最高为90%)和很高的抗冲击强度、优良的热稳定性、耐蠕变性、耐寒性、以及良好的电绝缘性、阻燃性。其拉伸强度、弯曲强度、压缩强度高;蠕变性小,尺寸稳定;具有良好的耐热性和耐低温性,在较宽的温度范围内具有稳定的力学性能,可在-60～120℃下长期使用。在室外环境下,由聚碳酸脂材料制作的采光罩,表面涂有60微米的防紫外线涂层,大大增加了产品的品质和延长了使用寿命,其使用寿命可达30年以上。

(2)导光管。导光管采用先进的超级纳米级镀膜技术,在导光管内壁生成420层,总厚度仅0.05mm,的高分子复合镀层,使其超越光线反射物理极限,其全光谱反射率达99.7%,并具有超高抗老化性。厂家提供的材料的伸张强度160-200Mpa;屈服强度140-180Mpa;延伸度大于2%,此材料制作的导光管的使用寿命在30年以上。

(3)漫射器。漫射器材料使用亚克力,化学名称:聚甲基丙烯酸甲脂,英文名称:Polymethyl Methacrylate,简称PMMA,比重1.18克/立方厘米,其特点是透明性极好、透光均匀,强度较高,不易破碎,有一定的耐热、耐寒性,耐腐蚀,绝缘性良好。在室内使用环境下,亚克力材料制作的漫射器的寿命可达30年以上。

光导管原理见图1:

2.2 光导照明系统的光学特性

(1)光导照明系统各部件的采光参数如下:

1)采光罩透光系数(%):89%

2)漫射器透光系数(%):86%

3)导光筒反射系数(%):98%

图2

图3

图4 系统的安装示意图

(2)系统的效率及采光性能等级如下:

1)系统效率(%)(透光折减系数):66%

2)采光性能等级:5级

2.3 光导照明系统设计方案

本项目光导照明系统的设计采用国家照度标准设计,具有整套科学的设计方法和系统,完全能够实现精确地照明需求。

2.3.1 设计工具

采用Visual照度设计软件、全球光度文件2.0、光损失率计算器、Solatube照度设计IES文件。

2.3.2 项目照度标准

TDD光导照明系统可以参照的照明计算设计依据包括:

GB/T50033-2001 《建筑采光设计标准》

GB/50034-2004 《建筑照明设计标准》

GB/50189-2005 《公共建筑节能设计标准》

JGJ153-2007 《体育场馆照明设计及检测标准》

根据GB/T 50034-2004《建筑照明设计标准》及实际建筑环境,选取如下表面反射比为设计计算参考值:

公共建筑:

顶棚标准反射系数:0.8

墙面标准反射系数:0.5

地面标准反射系数:0.2

根据标准规定,公共场所照度标准值为300 lux。

该项目照度设计标准:使用日光照明达到140 lux,同时使用灯光补充照明,达到300 lux。

选用型号:S330DS-O-DA-F11 FI-E2 R-L2-M

2.3.3 设计基础数据

(1)选用设备型号为:Solatube 330DS开放式光导照明系统,导光管直径530mm。

(2)成都地区太阳高度角设定为:40°。

图5 防水打样图

(3)通过所有管道,得光率:91.71%

(4)成都地区,选用S330DS的产品平均流明输出为7477,设计结果,使用16套S330DS光导照明系统达到:

最大照度:140 lux,

最小照度:176 lux,

平均照度:77 lux。

2.3.4 天然光利用时数

在室外,我国主要城市不同临界照度值时的全年天然光利用时数,见表1。

2.3.5 设计结果

本项目光导照明系统照明应用于地下一层商业卖场的公共休息区,应用建筑面积为1900m2,按100lux照度,室外临界照度为10000lux时,单套标准直径530mm的光导照明系统可覆盖的照明面积可达120m2,需安装约16套直径530mm的光导照明系统并在光导照明系统内置12瓦的LED芯片,可以解决该区域夜间照明的问题。具体位置见图2。光导管分布如图3所示。

2.4 能耗计算

2.4.1 本项目使用光导照明系统 (内含12瓦的LED芯片) 照明直接节省耗电计算

(1)本项目光导照明系统有效工作时间:根据现实已有经验及历史数据,光导照明系统每天的有效工作时间会根据季节的不同而有所变化,在成都的相关数据为:在春秋两季,约为10小时(8:00am-6: 00pm);在夏季,约为11小时(7:30am-6:30pm);在冬季,约为9小时(8:30am-5:30pm)。根据历年气象记录,影响系统有效工作的特殊天气,多出现在秋冬两季,约为10天/季,而在春夏两季,约为5天/季。另外,一年四季的天数分别为:春季92天,夏季92天,秋季91天,冬季90天,共365天。

每年度光导照明系统有效工作时间为:(92-5)×10+(92-5)× 11+(91-10)×10+(90-10)×9= 3357(小时)

(2)以普通荧光灯方式进行照明,按国家标准LPD取值范围为: 3W/m2--5W/m2,在此我们取中间值4W/m2。

(3)计算对比分析(表2)

(4)如全年在有效时间内均使用光导照明系统,则每年度节省照明用电量为:

25512-981=24531(kWh)

(5)直接能耗节约率:

(25513.2-981.12)/25513.2×100%≈96.15%

2.4.2 与普通荧光灯照明系统相比较,本项目使用光导照明系统 (内含12瓦的LED芯片)照明间接节省耗电计算

采用普通荧光灯照明系统时其灯具发热量产生的冷负荷计算

表1

表2 数据对比计算

公式如下:

Q= 1.2× n×N×X

其中:1.2——考虑荧光灯镇流器的冷负荷增加系数;

n——照明灯具同时使用系数,本计算取n=1;

N——照明灯具功率;

X——灯具的冷负荷系数,查表得X=0.9

备注:该公式引用于《实用供热空调设计手册》第二版 下册p1550-p1552

普通荧光灯照明系统的单位时间散热量=1.2×1×(190×40)× 0.9/1000=8.21(kW)

年度普通荧光灯照明的总散热量=3357×8.21=27561(kWh)

通常空调的COP值(制冷效率)为:2.5

备注:COP值(制冷效率)=空调系统所能实现的制冷量(制热量)和输入功率的比值。

则本项目地下商业场可减少空调装机容量为:8.21/2.5=3.28 (KW)。

年度节省空调运行用电量(年度普通荧光灯照明的总散热量/ COP值):27561/2.5=11024(kWh)。

2.4.3 每年直接间接节省用电量

每年直接间接节省用电量=每年度节省照明用电量+年度节省空调运行用电量=24531+11024=35555(kWh)。

2.4.4 系统节能量计算

每年节省用电量35555kWh,相当于节省了14.08吨标准煤。

2.4.5 年均节省电费计算

电费存在季节差异和时段差异,假设成都地区平均电费价格为1元/(KW.h),计算得每年可节约电费为:35555 kWh×1元/ kWh =35555(元)。

2.4.6 每年可节约常规照明系统维护费计算

普通荧光灯的使用寿命一般在2500-3500小时(每天开关两次)。在正常使用下平均使用寿命为3000小时。根据荧光灯的寿命3000小时计算,传统电力照明荧光灯管的更换周期为:3000/3357(小时)/年≈0.89年。以每支40W荧光灯管10元的价格计算,采用光导照明,本项目每年可节省荧光灯管更换费:190×10/0.89=2135(元)。30年可节省费用:2135×30=64050(元)。

(7)因减少了常规照明系统产生的散热量,可减少空调一次性投资约为10000(元)。

使用光导照明系统,因其开洞尺寸小,密封性能好,且不会产生热量,降低了冷、热传导系数,保温隔热性能好。比传统照明方式(电力照明,天窗照明)节省了采暖及制冷能耗。

2.5 检测预留方案

自然光照明产品为替代节能产品,使用自然光照明的区域在设定的照度要求及时间段下,可以完全替代电力照明,完全不使用电力,因此可直接计算节能量。

2.6 运行维护方案

(1)数据收集方案。光导照明系统是类似于天窗的建筑材料,完全不用电,且屏蔽紫外线及红外线,实现绿色照明。在使用区域,设计使用时间段完全不使用电进行照明,实现百分之百的电力节约。

(2)运行维护。光导照明系统具有自清洁能力,且不需要人工维护,不产生任何维护费用(人为破坏除外)。

3 技术经济技术分析

3.1 可再生能源建筑应用部分投资概算

本项目光导照明系统共16套,每套造价约3万元,投资概算总额约48万元。

3.2 项目增量成本计算(参照常规能源系统)

若采用常规照明系统,需双管荧光灯95套,电线WDZC-BYJ-2.5 12000米,JDG20电线管4200米,材料及安装费合计约80000元,故成本增加(总增量投资)约:480000-80000-10000=390000元。

备注:10000元为节省空调投资费用。

3.3 项目费效比、回收年限计算

3.3.1 项目费效比计算

本项目16套光导照明系统总增量投资为39万元,可免维护至少使用30年,

本项目总费效比=总增量投资/常规能源替代总量

=39×10000/[30×(25513.2-981.12)]

=390000/[30×24532.08]

=0.53(元/kWh)

3.3.2 回收年限计算

本项目因使用光导照明系统新增投资为39万元,可免维护使用30年,根据前面的计算:年可节约用电35555kWh,假设成都地区平均电费价格为1元/kWh。

本项目投资回收年限=新增总投资/(年节约用电量×电价)

=(39-6.4)×10000/(35555×1)

=9.16(年)

备注:6.4万元为30年灯管更换费用。

4 项目风险分析

光导照明系统作为建筑的一部分,设计寿命38年,实际寿命几乎与建筑同寿命,且不需要维护。在不影响建筑结构的的情况下,几乎不具备其他风险。

5 施工难点和重点

因为本项目在地下室顶部安装光导照明,因此施工的难点和重点就是光导管与结构的防水处理,光导管总平铺装景观的协调。安装示意图见下图4、图5。

6 结语

节约能源、保护环境,提高照明品质是绿色照明的宗旨,在能源日益紧张的今天,充分利用天然光,把太阳光通过导光管系统方式直接传输到室内需要照明的地方,特别是一些地下或无窗建筑,必然是未来太阳能综合利用很好的一种方式,更有利于实现可持续发展战略。

参考文献:

[1]Solatube产品资料.

[2]《实用供热空调设计手册》第二版.下册p1550-p1552.

[3]《照明设计手册》第二版P23.

作者简介:且志韬(1978—),男,四川大邑人,工程师,从事机电设备安装工作。