城市地鐵照明的照度計算

莊金迅，劉 原

(遼寧科技大學建筑與藝術設計學院，鞍山114051)

0 引言

在地鐵照明方法的研究中，為了進一步控制照明能耗，我們提出了照明功率密度(LPD)控制指標。建設部和國家質量監(jiān)督總局聯(lián)合發(fā)布的《建筑照明設計標準》(GB 50034-2004)已經于2004年12月1日起正式實施。其中有關“照明節(jié)能”部分，把各建筑場所對應于照度標準的照明功率密度LPD指標(即每平方米消耗的電功率)作為強制性條文加以限制。雖然該標準沒有對地鐵照明作出規(guī)定，但是我們認為在地鐵照明設計中應該參照執(zhí)行。

燈具及光源的選擇直接影響到照度和照明功率密度值(LPD)，要同時滿足照度和照明功率密度值的要求，就必須對照明設計進行詳細正確的計算。否則很可能出現(xiàn)兩種情況:一種是未采用高光效的光源及高效率的燈具，其結果滿足了LPD的要求，但房間的實際照度達不到規(guī)定的照度標準;另一種情況是設計采用了高光效的光源及高效率的燈具，但房間未進行照度計算，結果導致照度遠遠高于規(guī)定的照度標準，未達到節(jié)能的目的。以上兩種情況都不能達到在獲得良好的地下光環(huán)境的同時實現(xiàn)照明節(jié)能的目的?？梢姷罔F照明計算不僅關系到地下光環(huán)境質量，而且關系到照明節(jié)能問題。

地下鐵道系統(tǒng)空間構成復雜，因此其不同空間的照度計算也不宜采用相同的模式。地下車站各空間的照度計算大多采用室內照度計算模式，而區(qū)間隧道的照度計算應該采用道路照度計算更合適。

1 利用傳統(tǒng)方法計算

1.1 室內照明照度計算

(1)利用系數(shù)法

應用利用系數(shù)法計算被照場地平面上平均照度的基本公式如下:

則，

式中

利用系數(shù)法僅可計算照明場地的平均水平照度值或估算所需燈具個數(shù)和照明功率密度，卻不能了解場地照度的均勻性。

(2)逐點法

由利用系數(shù)法選定光源及其功率后，可采用逐點法較驗被照場地任意點的水平照度。在燈具、安裝高度和位置都選定的情況下，我們就知道了燈具的配光曲線，燈具到地面的距離，就能計算該燈具在其附近地面上產生的水平面照度值。把該點附近的每個燈具在該點產生的照度加起來，即得出該點的實際照度。結合圖1分析，計算如下:

圖1 光源的直射照度計算

根據(jù)圖1，光源正下方H米處平面上A點的照度(E)為

式中，I0是光源朝向點A方向上的光強(cd)，H為光源距離平面的高度(m)。計算光源正下方A點的照度只是一個特例，因為點光源的光線是垂直射向該點的?？墒且话阈枰笳斩鹊狞c，光線都不是垂直照射的，而是以一定的入射角θ入射的，也就是入射光線與豎直向下方向成θ角，如圖1中的B點。求B點的照度，光源對B點形成兩個照度:水平面照度E1和垂直面照度E2。假如過B點存在一個垂直于SB的平面W，根據(jù)距離平方反比定律，點光源S對W平面上的B點形成的照度為

由圖 1 可知 E1=E cos θ，E2=E sin θ。又因為 S，B 間的距離 l=H/cos θ，所以 E=Iθ/l2=Iθ/H2× cos2θ。由此可得，點光源S對其下的水平面上B點形成的水平面照度E1和垂直面照度E2分別為

把各個燈在B點產生的水平面照度E1加起來即得B點的實際水平面照度。另外，室內照明計算還有簡化表格計算法、平面相對等照度曲線法等，這里不一一介紹了。

1.2 道路照明照度計算

(1)路面上任意一點照度的計算

可以利用室內照度計算中的逐點法計算，另外如果可以獲得燈具的等照度曲線圖，那么，可以根據(jù)計算點相對于各個燈具的位置找出其照度值，然后再對它們進行求和計算，就可以得到計算點的照度值。

(2)路面平均照度計算

假如已經計算出路面上各網(wǎng)格點上的照度，那么就可以根據(jù)式(7)計算出該路面上的平均照度。

式中

Eav——路面平均照度;

Ei——第i個計算點上的照度;

n——計算點的總數(shù)。

另外還可根據(jù)利用系數(shù)曲線進行路面平均照度進行計算。

2 利用照明軟件計算

2.1 照明軟件介紹

不管采用哪種方法，傳統(tǒng)的照度計算都是一件很繁瑣的事，而且結果不夠精確。隨著照明軟件的日趨普及，繁瑣的計算工作可由計算機完成，不但方便快捷而且結果精確。隨著計算機應用的普及和各大照明企業(yè)間的激烈競爭，國際著名的照明產品生產公司，如 PHILIPS，GE，ERCO，SCHREDER 等企業(yè)都研發(fā)出了根據(jù)自身產品來進行設計和計算的照明軟件，并且為了推廣使用自己的軟件以擴大銷售量，這些軟件一般都提供免費下載;另一方面，一些軟件設計公司也投入了巨大的資金和人員來研發(fā)照明設計和計算軟件，并取得了不俗的市場份額。下面僅介紹兩個常用的照明軟件。

(1)DIAlux

DIAlux是德國DIAL GmbH公司研發(fā)的專業(yè)照明設計軟件，中文譯名為“帝爾勒斯”。它的最大優(yōu)點是可以導入不同廠家生產的燈具和光源參數(shù)，并且能夠直接輸出亮度和照度分布圖，非常適合實際的照明工程設計和計算。操作界面也很友好，簡單易學。另外，軟件版本的升級也較快，緊密結合照明產品，不斷有新的燈具和光源插件推出。缺點是其外掛的POV渲染器渲染效果并不出色，另一方面由于太強化產品的照明特性，缺少自然光的模擬。但由于它良好的實用性能，受到廣大的專業(yè)照明設計師的歡迎。

(2)AGI32

AGI32是Lighting Analysts公司研發(fā)的照明設計軟件。它的強項是不僅有豐富的照明插件供選用，而且還有自然光模擬系統(tǒng)，功能強大。另一方面，它不僅有良好的計算性能，其Ray Trace渲染器也表現(xiàn)出色。因此，它被稱作“具有革命性的照明設計優(yōu)化工具”，在設計領域獲得了眾多好評。

2.2 用DIAlux對地鐵照明進行計算

由于DIAlux在我國照明設計行業(yè)內得到廣泛應用，現(xiàn)以它為例來說明地鐵站臺照明設計和計算的步驟。

(1)建立模型

這個步驟主要是設置站臺的寬度、高度、本層凈高，給站臺地面、墻壁附材質等，見圖2。

(2)選擇燈具并進行布置

首先可以從燈具庫中選擇設計者擬要采用的燈具(可從燈具制造商的DIAlux插件中找到)，然后就燈具的布置方式、燈具的間距、位置等進行選擇和輸入，最后從前視圖檢驗一下即可，見圖3。

(3)設置報表

選擇需要出報表的表面以及報表的內容，比如工作面、地面的等照度曲線、等灰度圖等，見圖4。

(4)計算并輸出報表

根據(jù)設置的內容，計算后就可以輸出我們需要的內容，如等照度圖、等灰度圖、點照度圖、等亮度圖、照度均勻度等等，據(jù)此可以檢驗照明設計是否達到了我們想要的效果，見圖5、圖6。

圖2 建立站臺模型

圖3 選擇并排列燈具

圖4 設置報表

圖5 等照度圖

圖6 點照度圖

3 小結

由以上計算過程可知，不論是地下車站照明的照度計算，還是區(qū)間隧道照明的照度計算。采用傳統(tǒng)人工計算都是一項繁瑣的工作，隨著照明軟件的日趨普及，各種繁瑣的照度計算工作都可以由計算機來完成，不僅計算速度快而且可提供多種結果輸出方式，其結果更加形象直觀，計算結果與現(xiàn)場測量結果更加吻合。在照明設計中，用傳統(tǒng)方法計算照度，可以作為對軟件計算結果的檢驗，以確保軟件計算結果的準確可靠。

［1］GB 50034-2004.建筑照明設計標準［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004

［2］莊金迅，張九紅，劉圓圓.城市地鐵站照明節(jié)能研究［J］.鐵道標準設計，2010(4):110～112

［3］張九紅，莊金迅.配光曲線在照明計算中的應用［J］.沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2007(6)

［4］李鐵楠.城市道路照明設計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007