绿色视角下的轨道交通照明系统节能研究

戴梦云 侯晓蓉 洪俊伟

摘 要：随着城镇化进程进一步加大，地铁作为城市轨道交通的重要组成部分，其能源需求已逐渐成为城市能源消费的主体，而车站照明用电量占能源消耗总量的30%左右，照明系统存在低效光源、高能耗灯具等设备的使用和低效的照明控制管理方式，造成能源的不必要浪费。因此，研究地铁车站照明系统的能源消耗及改善，对地铁能源效率的提升和可持续发展实现具有重要意义。本论文从低碳节能视野，对影响地铁车站照明系统的主要因素进行剖析，结合影响照明系统的能源消耗的主要因素，以南昌市地铁一号线为例，从设计与节能角度分析地铁车站不同区域的照明要求，并运用DIALux软件论证地铁站厅照明的最佳节能设计方案，提出采用智能控制技术以有效改善地铁车站照明系统的节能模式。为绿色交通的发展模式提供借鉴。

关键词：照明系统;影响因素;区域照明节能设计;智能照明控制技术

中图分类号：F062.4      文献标识码：A      文章编号：1008-4428（2018）07-0143-04

一、 引言

地铁作为城市轨道交通的主要系统制式，发展尤为迅速。目前拥有地铁运营线路的城市已由2012年的17个增加至27个，运营里程也由1740公里增长至3169公里，城市轨道交通年客运量由2012年的87亿人次增加至2016年底的160.9亿人次。截至2016年底，获准建设轨道交通的城市由2012年的35个增加到43个。到2020年建设地铁车站预计近千个，地铁运营里程达到8133公里，“十三五”期间新增里程为“十二五”期间的3.8倍。

作为承接“中部崛起计划”的江西省核心城市南昌，正大力推行城市轨道交通建设，目前已建成地铁一号线并投入使用，未来将新增三条地铁，预计将于2021年全部投入运营。但江西省能源供应严重依赖外部资源，地铁建设的高投入与高能耗使其能源供求矛盾加剧。地铁交通系统的能耗问题成为该省城市轨道交通建设要解决的关键问题之一。

由于地铁建设位置的特殊性，地下采光主要依靠人工照明来实现，以满足地铁运营的照明需求。据规定，地铁照明系统占地铁车站平均设备负荷的14.2%—16.1%。而交通部数据显示，地铁车站照明运行的用电量占总用电量高达20%—30%，以北京、上海和深圳等一线城市为例，其地铁的耗电量占运营成本达30%以上，即年耗电量在1亿千瓦时左右。受到设计规范限制和运营监管不到位影响，照明系统中存在大量低效率光源、低节能性灯具设备的使用和低效照明控制方式，不合理用电消耗占50%以上。因此车站照明系统存在巨大的节能空间。

随着社会需求增加，城市居民对地铁的要求也由单一的物质需求提升到心理层面。地铁内部环境的舒适度主要取决于地铁车站的光环境，舒适的光环境一定程度上可以释放居民的生活和工作压力，增加乘客的舒适感和愉悦感。从节能角度和社会服务价值来看，根据地铁车站特点、重点区域要求、乘客的出行行为和视觉平衡等要求，提供既经济节能又安全舒适的地下照明，是地铁照明工程中亟待解决的问题。计算机技术的快速发展促使地铁车站照明系统不断趋于信息化和智能化，但由于成本问题，智能照明未得到广泛的应用。

本文以“技术+管理”的能效提升为导向，通过对地铁照明系统运行能耗的成因进行综合分析，选取由德国DIAL

Gmbh公司开发的DIALux照明设计软件，针对光环境要求，结合智能控制模式，设计出地铁车站照明系统的节能方案，为地铁车站照明系统的技术设计和节能管理提供思路。

二、 影响地铁车站照明系统的因素

本文选取影响地铁车站照明的主要因素进行分析，通过对照度、色温、炫光、明适应与暗适应的分析，可为地铁照明系统节能方案的设计提供解决思路。

（一）照度

照度是指物体被照亮的程度。根据地铁光环境评价指标体系，物体被照亮的程度应符合人眼和设计的要求。因此应将照度控制在合理的范围内，既保证地铁车站的照明效果，提高乘客的舒适度，又能节能环保，避免不必要的能源消耗。

《城市轨道交通照明规定（GB/T16275-2008）》对地铁车站的各区域照明光源照度做出了详细的划分。该规定根据不同时段、不同人流量等情形将照度控制的合理范围做了要求。

（二）色温

色温是照明的功能性与艺术性结合，即色温既可以实现照明的功能，又可以提高乘客的舒适感。《城市轨道交通照明标准（GB/T16275-2008）》要求在設计节能的灯光布置方式时，应考虑到色温因素，根据车站不同地点的色温要求，将照明的功能性与艺术性充分结合起来。一般低于3000K色温的光源，使人感到亲切、温暖、休闲;过渡性地带保持自然的4000K左右的色温较好;站台边缘适宜选用5700K左右的色温;选用6500K色温以上的光源显得清凉，使人行动快捷，适合运用在地下商业空间。

（三）眩光

眩光是指视野中由于产生不均匀亮度分布，或在空间或时间上存在着极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件。可以通过增加光源的背景亮度或者降低光源的表面亮度来消除不舒适眩光，也可以调整光源的亮度、视野中光源的数量和位置、光源表面的尺寸和眼睛的适应亮度水平来消除眩光对视觉造成的干扰。在进行照明系统设计时，应避免由于亮度分配不均而产生的不舒适眩光现象，保证照明的功能性与乘客的舒适性。

（四）明适应与暗适应

地铁车站大多设置在地下，乘客在进出站口时由于光源条件的急剧变化，可能会产生看不清周围事物的现象。由暗处到亮处的视觉对环境亮度变化的顺应性称为明适应，反之称为暗适应。在进出地铁口的过程中，明暗适应会在心理和生理上给乘客带来一定程度的不舒适感。分析表明，照明条件应略高于眼睛适应光的水平，才能避免这两种现象的发生。乘客暗适应的时间为三十分钟到四十分钟，而明适应的过程持续约一分钟。地铁车站照明系统设计应充分考虑到明暗交替因素的影响，用过渡照明设计来满足眼睛的适应性的要求，减少事故发生。

三、 照明系统区域灯光布置节能设计

（一）光源布置的区域性分析

地铁车站根据功能可分为三个区域，分别是出入口区、站厅区和站台区。各区域之间相互包含相互连接，照明设置因其功能不同侧重点有所不同。

1.出入口区域

出入口区域是地上空间和地下空间的过渡区域。受明暗适应因素的影响，该区域宜采用自然光源和人工光源相结合的方式布置，采用玻璃等透光性强的建筑材料达到自然光的目的，自然光不足时由人工光源（如射灯、筒灯等）进行补充。此外，出入口区域还要注意灯具铺设方式的引导性，以满足引导乘客的要求，使乘客在照明过渡阶段能够保持良好的方向感。

地铁出入口区域的灯光布置，在出入口区使用少量人工灯光进行辅助照明，采用透光性能强的玻璃进行自然采光，且灯具采用平行均布的铺设方式以引导乘客适应光环境的变化。

2. 站厅区域

站厅区域是地铁站内的主要区域，具有面积大、功能分区多等特点，站厅区域因此也成为照明系统节能改造的主要领域。该区域不仅有出入口、站台与站厅区的过渡空间，还有购票、人工工作、出入闸口等区域，这些区域功能差异显著。设计站厅区域的照明布置时，应考虑各功能分区的要求，运用灯具混合搭配、组合排列方式来实现重点照明，体现照明布置的立体性和层次性。在各分区过渡段的照明布置要体现引导性，起到连接各分区的作用，使站厅区域的照明布置既突出重点又协调和谐，既富有层次又相互连结。

地铁站台区域的灯光布置实例：站厅的照明节能设置以功能区的重点照明和过渡区域的辅助照明相结合为原则，对闸机区域、人工售票窗口等区域以增加照明强度或灯具密度的方式来实现重点照明，对站厅其他区域进行满足照度要求的节能设定和引导性的灯具布置。

3. 站台区域

站台区域是乘客候车区域及上下地铁列车的过渡区域，照明布置以舒适和安全为主要原则。为了营造舒适的候车环境，站台区域的照明布置主要通过照度和色温的改变（即光源颜色）给予乘客自然愉悦的候车感受;安全起见，站台与车辆之间的屏蔽窗前须设置重点照明，如屏蔽门光带的使用，使乘客能够分辨出站台界限，避免事故产生。

（二）地铁站厅照明节能模拟设计

为考察地铁站厅的节能设计，研究地铁站站厅层的光环境，选取地铁站厅作为照明节能设计分析对象。利用DIALux软件专业性强，具有环境模拟与精确的数据分析功能，且开放性强，建模能力和操作性强，设计效率高等特点，根据设计要求提供整体照明系统数据，通过DIALux软件对光环境进行模拟。

首先，设定站厅层是一个长80米、宽30米、高5米的室内空间，设定了地板、天花板、墙壁和工作面的材质，并对出入口闸机、自动售票机、安检区和人工窗口等构造的位置和材质进行相应设定（如图1）。考虑到某些构造，如柱子，其表面出于商业用途会大面积贴上广告等纸质材料，故在设定材质时，根据实际情况，将此类构造的表面材质设定为纸质。其他构造的材质按照目前的通用材质进行设定。

其次，进行照明设备的种类选择及空间布置（如表1），以地铁站厅照度和色温要求为原则，对照明设备实行重点区域布置，既满足出入口区域、自动购票区、人工工作区、出入闸口区和安检区域的重点照明，又满足过渡区域的照明要求。

最后，对照明设计结果进行数据分析，得出配光曲线效果。配光曲线表示一个灯具或光源发射出的光在空间中的分布情况。在实际运用中，配光曲线描画了某一灯具平日内的发光强度，识别空间分，其表达着灯具照射出来的光在设定空间以内的分布形态。记录着该灯具在各个方向上的光强，还反映了灯具的光通量、光源数量、功率、功率因数、灯具尺寸和灯具效率等信息。配光曲线与灯具类型的选择有关，具体与反射器、透明件的形状、光源发光体形状和光源的位置等因素相关。其表示方法有极坐标法、直角坐标法和等光强曲线等三种。

实际应用中，根据站厅各区域照明要求差异，选择合适的灯具类型，在满足使用需求的前提下实现节能的最大化。因此，除了采用高效光源外，更重要的是衡量其光通利用率即灯具效率的高低。通过配光曲线可以判断光斑性质、计算演区照度和灯具效率，以此选择合适的灯具来达到节能目的。

在出入口闸机、安检处、人工窗口、售票机进行重点照明，在各区域的过渡带进行照明引导。在满足照度标准值的条件下，通过调整和平衡功能区和过渡区的照度来实现节能的最大化。具体可参照照度等值线（如图2），照度等值线详

細地反映了站厅光环境设计的分区化和衔接性，它不仅能直观地反映设计空间的整体照度分布和具体位置的照度值，而且能体现重点区域和过渡区域的照度差别，明确各个区域照度范围和相对界限。通过对以上信息的分析和呈现来指导设计人员根据实际照明环境和照明要求进行相应的节能设计。

在实际设计中，亦要兼顾伪色图的设计。伪色图是一种利用特殊的数位影像处理技术来将灰阶影像的图片转换成为全彩的彩色影像，是对站厅照度情况的一种更为直观的呈现。伪色图将以照度值为主要特征的等值线图转化为以颜色为特征的视图。伪色图的颜色表示相应的照度值，是对照度的一种更为直观的呈现。它能形象直观地反映照明分区范围和分区的照度分布情况，便于设计人员根据实际照明环境和节能要求调整设计方案。

四、 照明智能控制技术——以南昌地铁一号线为例

利用DIALux照明设计软件对地铁照明空间环境进行建模，确定其空间照度分布情况，结合相关的计算软件，确定相关模型系数并求解，以此实现室内照明的智能照明控制。现阶段，充分利用天然光照明，结合智能照明控制算法，能有效减少用电消耗，创造良好的照明环境，提高工作效率，具有良好的应用价值。

（一）智能照明控制技术概况

随着现代科学技术的进步，智能控制技术得到广泛认可与应用，传统控制理论面临很大挑战。在公共交通建设领域，智能照明技术能更好适应运营需要，更符合绿色环保、节约能源的发展理念。

照明控制技术经历了手动控制、自动控制到智能控制三个阶段。手动控制即通过人工拉动开关原件达到控制照明设备开关的目的。随着电气技术发展，照明技术逐渐完善，人工照明控制技术被逐步取代。在自动照明控制系统中，照明设备引入光、电、声技术，传感器通过捕捉光与声的变化将信息传递至开关，以此达到自动控制照明的效果。自传感器与灵敏原件的发明和使用使照明控制技术实现智能化、数字化和模块化。用户可以通过中央系统实现照明的自我管理。与传统控制系统相比，智能照明控制系统在节能化、系统化、数字化等方面更加完善。其特点主要体现在控制系统结构独立、运行系统简单稳定、可自动监视报警等。

智能照明控制系统采用分布式总线结构，系统内部传感器与驱动器为对等关系，具有独立CPU，系统中任何传感器与驱动器的故障、损坏不会影响其他元件运行，且维修与跟换元件简单方便，不需重新布线。发生故障时监控系统将自动报警，防止意外发生，系统运行稳定安全。传统照明控制系统采用单项通信结构，系统只支持调光而无法获取灯泡信息。系统在多灯泡系统中需要大量电缆，且需控制每个光源。若系统存在元件损坏情况需停止整个系统，重新布线维修。

（二）智能照明控制系统构成原理

智能照明控制系统一般由系统单元、输入单元和输出单元三部分组成。每一个设备设置唯一的地址，并使用软件设定功能。系统单元通过终端与传感器单元、照明灯控制单元的信号，调整各回路灯具的工作模式。在图3智能照明控制系统中，监控中心由计算机、ZigBee近距离无线组网通讯技术协调器与GSM全球移动通信系统组成。工作单位通过控制计算机实现与ZigBee协调器之间的数据传递，并结合GSM通信系统与协调器的信息转换，将监控指令传达至ZigBee路由器集群。照明灯ZigBee终端接收路由器集群传达的指令后，将响应工作命令，发布该指令至照明灯控制单元与传感器控制单元，实现整个智能照明控制系统的运作。

（三）南昌地铁智能照明系统方案

南昌地铁一号线智能照明控制系统统一采用DALI数字化调光方式，根据照明的分区，利用精细化的控制，以降低照明能耗，提高乘客舒适度。

1.照明分区

南昌地铁站照明系统按不同组织功能区可划分为站厅层照明分区、站台层照明分区和出入口照明分区。每一照明系统分区需满足不同功能运行条件。站厅层照明分区包含乘客流动区域照明，售票区域照明，广告及站厅层楼梯、手扶电梯区域照明;站台层照明分区包含乘客流动及休息区区域照明，列车屏蔽门光带区及站台层的高低转换区区域照明;出入口照明分区包含乘客流动区域照明与室外区的高低转换区区域照明（见表2）。

2.系统功能方案

南昌地铁智能照明控制系统主要由车控室中控机与对应的控制网关，车站照明配电室开关模块，DALI模块，照度传感器及红外传感器组成。根据使用范围与功能差异，照明系统又分为流动区、地铁辅助设备功能区、广告区、乘客休息区、屏蔽门光带区以及室外区。

南昌地铁系统功能方案采用精细化技术对照明进行分区控制，根据实际人流情况，在不影响乘客基本照明需求与地铁公共设备使用前提下，智能调整亮度。在乘客流动区，根据人流量大小，自动调整照明亮度;在辅助功能区，根据是否有乘客人体活动自动调整照明强弱;在广告区，依据灯箱附近照明强弱调整灯箱背景灯照明强度;在乘客休息区，根据该区域是否有乘客使用，自动调整照明灯亮度;在屏蔽门光带区，根据列车进出站情况，调整照度以提醒乘客进出站;在室外区，根据室内传感器探测外部自然光是否充足，自动调整照明设备服务与否。

3. 控制模式

由于方案采取的控制模式主要利用时间模块与分区情况，因此在不同的时间段，系统将自动切换区域的亮度，以此达到精细化控制车站内的照明。根据列车不同运营情形，地铁照明系统按以下模式控制：工作日上下班高峰期采用全亮模式;其他时间采用平峰模式;夜晚较少人搭乘时采用低峰模式;在节假日工作人员可根据实际运营情况自行切换合适模式。同时，系统预留空白模式以满足工作人员自行定义情形下不同亮度的运营需求。各运营模式如表3所示。

4. 预计节约能耗

以南昌地铁一号线双港站为例，该站公共照明区域共有776套灯（未含应急灯），其中192套为屏蔽门光带（功率为10W），剩余的584套为正常照明（功率为22W）。基于以上调光模式，预计使用智能照明控制系统后每日可节约电费约100千瓦时，按照0.824元每千瓦时的标准计算，一年可节约照明电费30000元。

可见，合理利用智能照明系统，可使有效降低地铁车站照明能耗，延长灯具寿命，也能提高运营人员的工作效率。在市郊高架站区域，智能照明系统可根据透入车站的照度而自动调节车站内的灯光，更加有效地降低照明的能耗。相比传统照明控制方式，智能照明控制技术在控制负载、检测电流、计次开关灯等方面具有明显优势，对地铁的照明控制和维护管理变得更加高效与简单。

五、 结论与展望

（一）结论

本论文基于节能角度，详细分析了影响地铁车站照明系统的主要因素，对地铁车站的光环境设计进行探讨，分析了地铁车站不同区域的照明要求，运用DIALux软件对地铁站厅照明节能方案进行设计与比较;在此基础上，进行了照明智能控制技术的实证分析。研究发现：

1.地铁车站照明系统影响因素如照度、色温、眩光、明适应与暗适应、光环境舒适度等均对地铁车站光环境产生影响，从灯光环境控制上加强对车站各个区域的调控要求，为节能方案的设计和智能控制模式的規划提供依据。

2.运用DIALux照明软件的设计，注重光源布置的区域性有利于实现经济、节能的绿色照明。以地铁车站站厅区域作为主要研究对象的照明节能设计输出的DIALux模拟地铁车站光环境3D图、配光曲线、照度等值线图和伪色图等研究结果表明，对包括出入口区、站厅区、站台区和工作区等四个重点区域和过渡区在内的地铁车站照明系统进行合理布置，有助于在满足地铁照明需求，同时减少能源消耗，为设计出一套更为合理的节能方案提供思路。

3.对智能照明控制系统的研究发现，地铁车站不同区域和运营时间的照明控制要求对照明节能设计具有指导性意义。基于各系统的照明功能，在对地铁车站不同区域和运营时间的照明控制实行差异化管理下，设计出的能够精细化控制、采用DALI数字化调光的照明控制方案，有助于降低照明能耗，提高乘客舒适度，达到节能减排之效用。

（二）展望

随着社会和科技的不断发展，影响地铁照明系统的因素将比现存的因素更多，作用机制也将更为复杂，因此地铁照明系统的节能不仅要满足照明的技术节能要求，更要以追求人性化为目标。本文照明系统设计只是为区域节能设计提供思路，由于数据获取有限性，无法用得出一个最优的节能设计方案。因此，在节能设计软件中，对于节能因子的选择、节能设计演算过程和节能结果评估标准的选择等问题都是值得研究的。本文仅对照明控制模式做了具体阐释和说明，并未设计出有效运行的智能控制系统。如今地铁照明节能化的瓶颈在于如何将智能照明控制系统大规模地运用到实际地铁车站中，目前仍有许多难题尚待攻克。

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作者简介：

戴梦云，女，福建福清人，江西财经大学，研究方向：工程管理;

侯晓蓉，女，湖南常德人，江西财经大学，研究方向：工程管理;

洪俊伟，男，江西余江人，江西财经大学，研究方向：工程管理。