高寒地区铁路站房照明与能耗模拟及其优化策略——以川藏铁路林芝站为例

张兴艳，严建伟

(1.天津大学建筑学院，天津 300072；2.中铁二院工程集团有限公司建筑院，四川 成都 610031)

引言

随着世界城镇化的持续推进，能源和环境问题已受到世界各国的广泛关注。我国建筑行业能耗巨大，占社会总能耗的三分之一甚至更多。近些年来，我国铁路建设的长足发展带动了大规模的客站建设，截至2017年底，我国已建成铁路客站1 094座[1]，在铁路客站能耗中，照明能耗占30%～40%，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[2]。廖宇[3]提出铁路客站照明应系统考虑节能设计，通过照度标准的确定、节能光源和灯具的选择、天然光的充分利用以及智能化的照明控制系统管理，达到铁路客站照明的节能目标；徐杰[4]以天津站为例，总结铁路客站光环境设计时应考虑光照环境舒适度、安全及旅客的心理舒适度等三要素；王立雄等[5]通过对京沪线7个站的人工光环境调研，针对性地提出京沪线高铁站候车厅在灯具选择、灯具布置和灯具控制方面的改造建议；欧丰榕[6]结合对福州站照明能耗情况的分析，提出使用LED和智能照明控制系统的有机结合，实现铁路站房的节能控制；在高寒地区铁路站房照明设计研究尚属空白，随着川藏、滇藏、新藏铁路的相继建设，结合高寒地区特有的自然条件，以绿色建筑设计的理念对铁路站房照明设计进行研究具有重要的理论价值与现实意义。

本文以高寒地区川藏铁路林芝站作为研究对象，采用DIALux evo软件对原照明方案和优化方案进行模拟，提出高寒地区铁路站房照明节能的主要技术措施，旨在为同类气候区的站房照明节能设计提供参考。

1 项目概况

川藏铁路是我国西部的重大干线铁路，是继青藏铁路之后的第二条进藏“天路”，线路总长1 838 km，设计速度160～200 km/h，全线被分为三大段：成康铁路(成都至康定又包括成雅铁路和雅康铁路)、康林铁路(康定—林芝)、拉林铁路(拉萨—林芝)[7]。新建林芝站拉林铁路终点站，最高聚集人数为2 000人，站房总建筑面积14 898.01 m2，其中地上建筑14 630.74 m2，地下建筑面积267.27 m2。林芝站站房主要功能分为客运用房、公安用房、设备用房、办公用房等。一层设候车厅、售票及售票办公、旅客服务、VIP候车、行包、设备区、出站厅、车务办公区和防爆室等；二层设候车厅、旅客服务(站内商业)和商务候车区[8]。

2 铁路站房照明设计标准

铁路站房根据《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)[9]确定公共区、设备区和办公区的照度标准。主要区域照明设计标准见表1。

表1 《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)规定的主要区域照明设计标准

3 林芝站照明环境模拟分析

3.1 模拟说明

利用照明模拟软件 DIALux evo，对林芝站进行模拟，得到其照明环境的各项参数，按照各项参数在DIALux evo 中建立林芝站各主要功能空间的建筑标准模型，再根据所提取的林芝站照明方案，在 DIALux evo 建筑标准模型中布置灯具。

根据林芝站站房照明设备选型(表2)，在DIALux evo中选取对应参数的模拟光源。优化方案光源则是在现状模拟的结果中选取更高效率的模拟光源进行计算模拟。以不影响照明舒适度为前提，通过控制站房各区域照度的变化，对林芝站站房主要空间的照明节能潜力进行研究。

表2 林芝站原照明方案灯具设备表

通过模拟，得到林芝站站房主要空间的照明功率密度、平均水平照度、照度均匀度、等照度图及点照度图。计算各参量对照明环境舒适度值的综合影响，并与照明环境舒适度最低标准值进行对比，验证原方案未达标部分与优化方案的效果提升，并使用LPD值作为评价照明能耗水平的指标。

3.2 原照明方案模拟及分析

照明模拟计算选取了林芝站站房空间内(包括候车厅、集散厅、售票厅、车务办公等)19个主要空间，共计11 677.26 m2的部分进行建模计算分析。该模拟空间面积占总建筑面积的77.85%(未模拟部分包括消防控制室、变电室等无需体现照明质量代表性结果的辅助空间以及除已选择的办公室和卫生间之外的大量该类型重复性空间)。站房照明模拟所采用的建筑内标准模型包括光源与地面的距离、天花板反射系数、墙壁反射系数、地板反射系数和维护系数，具体参数见表3。

表3 林芝站站房建筑标准模型参数

站房照明模拟光源选用与照明设备选型对应功率参数的模拟光源，模拟光源选择见表4。空间模拟结果如图1和图2所示，光环境质量模拟结果见表5，能耗模拟结果见表6。

表4 林芝站站房原照明方案模拟光源选型

图1 林芝站站房一层原照明方案模拟结果

林芝站原照明方案模拟共设置25套DIALux-26 W面板灯、376套DIALux-L1 36 W光源、168套DIALux-L2 50 W光源、84套DIALux-L3 70 W光源。通过模拟可知，车务办公类空间平均照度与标准值差距较大；商务候车室、寄存区、母婴室等空间略低于标准；卫生间等空间远高于标准。因此优化设计的重点主要放在提高办公区平均照度、提升候车区照明质量、降低卫生间照明能耗等部分。

林芝站原照明方案总功率28 996.2 W，其中一层候车室7 466.4 W，二层候车室17 452.2 W，占比最高。军人候车厅功率密度为6.18 W/m2，是全站最高，可以适当降低。集散厅与候车厅的功率密度为1.59 W/m2，是全站最低，需要重点提升。各空间全年总能耗计算式(1)为：

(1)

经计算，以开灯8 h作为参考值计算能耗结果为全年84 241 kWh，以开灯24 h作为参考值计算最大化全年能耗为409 150 kWh。其中车务办公部分年能耗因照度未达标，故低于理想值。卫生间部分因功率密度过大，年能耗高于理想值。

3.3 照明优化方案模拟及分析

3.3.1 优化设计策略

铁路站房照明节能设计优化需要在保证候铁路站房主要区域照明指标达标的同时，降低照明功率密度值(LPD)。根据林芝站的情况，有针对性地提出优化设计策略如下：

图2 林芝站站房二层原照明方案模拟结果

表5 林芝站站房原照明方案光环境质量模拟结果

续表5

表6 林芝站站房原照明方案能耗模拟结果

1)提升LED光源的效率，并适当降低灯具的功率，同样可以满足室内光环境舒适度的要求，因此，铁路站房应选用节能高效的LED 光源为优化光源。

2)调整灯具布置方式，适当减少灯具数量，不仅可以满足站房室内光环境舒适度的要求，还可以减少照明能耗。

3)选择合适的室内空间高度，可以节约照明能耗。

4)对不同的功能区进行分区照明，可以在满足各功能区光环境舒适度的同时节约照明能耗。

在本次林芝站照明方案优化设计中，主要采用提升光源效率和调整灯具布置的策略进行分析模拟，并计算节能结果，照明光源选型见表7。

表7 林芝站站房优化照明方案模拟光源选型

3.3.2 优化方案模拟

优化方案空间模拟结果如图3和图4所示，光环境质量模拟结果见表8，能耗模拟结果见表9。

图3 林芝站站房一层照明优化方案模拟结果

图4 林芝站站房二层照明优化方案模拟结果

表8 林芝站站房照明优化方案光环境质量模拟结果

续表8

表9 林芝站站房照明优化方案能耗模拟结果

林芝站照明优化方案模拟共设置24套DIALux-12 W 筒灯、28套DIALux-150 W光源、39套DIALux-36 W 面板灯、178套DIALux-70 W光源，共269套光源，与原方案的653套光源相比，节省了384套。节省率达到58.81%。通过模拟可知站房内所有主要空间平均照度均已达到标准值，且照度均匀度(Uo)与原方案相比更加平均，成本节省状况显著。

林芝站优化照明方案总功率18 306.4 W，其中一层候车室4 816.0 W与原方案7 466.4 W相比，减少了2 650.4 W，节能效率35.50%；二层候车室10 713.6 W，与原方案17 452.2 W相比，减少了6 738.6 W，节能效率38.61%。

车务办公部分功率密度显著提升，并达到照度标准要求。军人候车厅功率密度为2.26 W/m2，效率提升。集散厅与候车厅由于更换效率更高的照明光源，在完全满足空间照明质量要求的同时功率密度进一步下降。

经计算，以开灯8 h作为参考值计算能耗结果为全年52 934 kWh，与原方案84 241 kWh相比，减少了31 307 kWh，节能效率37.16%。以开灯24 h作为参考值计算最大化全年能耗与原方案一致，该使用场景只是理论最大值，不会实现，因此不做参照。

经过优化模拟，林芝站主要空间除办公空间由于原方案未达到照度标准而增加功率密度使功耗增加外，其余空间均达到节能预期。在采用了优化照明光源效率和调整灯具布局等策略后，DIALux EVO模拟结果显示，林芝站全年节省能耗29 539 kWh，节能效率37.24%；公式计算修正后全年节省能耗为31 307 kWh，节能效率37.16%，且灯具使用数量节省了58.81%，各空间平均照度指标均达标，照明均匀度和防眩光指标均达标，节能效果理想，如表10和表11所示。

表10 林芝站站房照明方案节能结果

表11 林芝站站房照明方案各房间节能结果

4 结论

综上所述，提出高寒地区铁路站房照明节能设计优化策略：

1)优化设计流程。在铁路站房设计各阶段实时配合照明方案设计，有效进行节能考虑。

2)改进设计方法。在进行高寒地区铁路站房照明设计时，宜采用专用的照明模拟分析软件进行照明计算，并进行多方案比较，以便在满足光环境质量要求的同时达到精准节能的目的。

3)选择节能高效的LED光源。

4)充分利用高原地区优越的天然光资源，适当改变灯具的布置方式，有策略的分区分点位布置灯具，减少灯具的数量，使铁路站房空间满足光环境舒适度要求的同时减少照明能耗。

5)有效控制室内装修材料的反射系数，选用反射系数高的材料，在获得明亮视觉效果的同时营造良好的室内光环境。

6)选择合适的室内空间高度，可以节约照明能耗。

7)综合考虑各种因素，进行站房照明空间综合优化，达到系统整体节能。

8)采用智能控制系统，结合地域气候、季节、日照时间、日照感应等技术，通过照明智能化控制系统管理灯具的开启与关闭，提升节能效率。

致谢：本研究得到中铁二院工程集团有限责任公司科研项目“高寒地区(以川藏线为例)铁路站房绿色建筑技术研究”[KYY2018040(18-19)]的资助，在此对参与本课题研究和参与新建铁路川藏线拉萨至林芝段设计的所有人员表示衷心的感谢。