以廣州地鐵為例談地下空間的節(jié)能研究★

張 煜 趙甲薦 鄭俊穎 朱旭堅(jiān)

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，廣東 廣州 510225)

以廣州地鐵為例談地下空間的節(jié)能研究★

張 煜 趙甲薦 鄭俊穎 朱旭堅(jiān)

(仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，廣東 廣州 510225)

以廣州地鐵為例，闡述了廣州地下空間能源消耗的現(xiàn)況和特點(diǎn)，研究了地下空間利用太陽能、LED節(jié)能系統(tǒng)等進(jìn)行節(jié)能的措施，為城市發(fā)展與城市能源可持續(xù)利用提供了可行的解決辦法。

地下空間，節(jié)能研究，地鐵，太陽能，LED節(jié)能系統(tǒng)

隨著人類文明的進(jìn)步，人口的不斷增加，土地資源日趨枯竭，人類為了延伸其生存領(lǐng)域開始不斷地向地下空間發(fā)展。地下空間作為一個(gè)新的概念，其被許多學(xué)者和專家提出并進(jìn)行論證研究，它的開發(fā)和利用必將引起社會(huì)發(fā)展的重大變革。但由于地下空間相對(duì)封閉，其采光、通風(fēng)、冷控等方面都需要消耗大量電能，能源消耗問題十分突出[1-4]。然而可持續(xù)發(fā)展是未來城市建設(shè)的主題，地下空間開發(fā)利用的節(jié)能研究，已成為衡量一個(gè)城市現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。因此，地下空間的節(jié)能降耗對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。本文以廣州地鐵為例，闡述了地下空間節(jié)能研究的相關(guān)舉措及意義。

1 廣州地下空間能源消耗

作為中國(guó)第三大城市的廣州，在黨中央和廣東省委的大力支持下，于1997年6月28日開通地鐵，是中國(guó)大陸第四個(gè)開通并運(yùn)營(yíng)地鐵的城市。近年來,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平逐漸提高，廣州的地鐵事業(yè)也在迅速發(fā)展,在未來的幾年，將會(huì)有更多的地鐵線路建成并投入使用?？v橫交錯(cuò)的廣州地鐵為人們的出行帶來了極大的便利, 但也帶來了各種能源的巨大消耗。眾所周知,我國(guó)是一個(gè)能源相對(duì)比較缺乏的國(guó)家，地下空間的能耗問題尤顯突出。因此,以廣州地鐵為例，進(jìn)行地下空間的節(jié)能研究，便具有重要意義。

通過多次前往市二宮、江南西、大學(xué)城北、大學(xué)城南、體育西等50多個(gè)地鐵站的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，廣州地鐵系統(tǒng)的能源消耗主要是電能，且主要消耗于公用照明(見圖1)、功能性標(biāo)志牌(見圖2)、電視視頻宣傳、地鐵線路指示、文明宣傳燈箱、廣告燈箱等。

根據(jù)調(diào)研顯示，廣州地鐵營(yíng)業(yè)時(shí)間通常為6：30～23：30，每天多達(dá)17 h以上，而且全年基本沒有節(jié)假日，全運(yùn)營(yíng)過程照明耗電量極大。此外由于地鐵人流量極大，內(nèi)部發(fā)熱量大，空調(diào)開啟時(shí)間也較其他公共建筑長(zhǎng)，其冷凍機(jī)一般從3月中旬開啟一直運(yùn)行到11月下旬(整年空調(diào)開啟時(shí)間會(huì)根據(jù)廣州地區(qū)氣候條件進(jìn)行調(diào)整)，故地鐵單位面積的電耗在公共建筑中是最高的。而在空調(diào)系統(tǒng)中，冷凍機(jī)電耗占空調(diào)總用電量的23%[23 kWh/(m2·年)]；冷凍泵、冷卻泵和冷卻塔耗合計(jì)占10.6%；地鐵采用的是全空氣系統(tǒng)，空調(diào)箱風(fēng)機(jī)全年運(yùn)行，因此風(fēng)機(jī)電耗所占比重大，占所用空調(diào)系統(tǒng)總用電量的65.4%[65.4 kWh/(m2·年)][5]。

綜合分析廣州地鐵和國(guó)內(nèi)地下空間的能源消耗情況，其具有以下幾個(gè)突出特點(diǎn)：

1)空調(diào)系統(tǒng)能耗高，電能是主要消耗能源；

2)單位面積能耗指標(biāo)高，其耗電量在100 kWh/(m2·年)～150 kWh/(m2·年);

3)空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)是電耗的主要組成部分；

4)空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、水泵耗電量偏高，在比重上甚至超過了冷凍機(jī)[1]；

5)地下空間必須全部依靠人工采光。

2 地下空間節(jié)能措施研究

2.1 健全能源使用管理體制

根據(jù)資料顯示，過去我們注重傳統(tǒng)意義上的能源安全，即保證能源在開采、運(yùn)輸和應(yīng)用安全，忽略了由于能源的大量消耗引起的各種與可持續(xù)發(fā)展不協(xié)調(diào)、對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生致命性破壞的安全問題。隨著能源與環(huán)境問題的日益突出，必須重視能源使用安全，即既要重視能源在開發(fā)、運(yùn)輸、消費(fèi)過程中的安全問題，更要防治能源的使用對(duì)環(huán)境的污染與破壞，把能源安全與環(huán)境保護(hù)結(jié)合在一起進(jìn)行考慮，協(xié)調(diào)好能源法與環(huán)境法兩者之間的關(guān)系。

為保障能源安全與使用協(xié)調(diào)，就應(yīng)健全能源法與環(huán)境法的協(xié)調(diào)機(jī)制，優(yōu)化地下空間的能源使用方案?？筛鶕?jù)人流量制定相應(yīng)節(jié)能方案。如照明系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)不應(yīng)全運(yùn)營(yíng)過程無差別通電，應(yīng)根據(jù)人流量和環(huán)境情況決定多少照明燈通電、多少臺(tái)制冷機(jī)運(yùn)行等。

此外，電器停用時(shí)的待機(jī)狀態(tài)耗能量也不可忽視。以某辦公建筑為例，由于制冷機(jī)選型較大，夏季最熱時(shí)僅需1臺(tái)運(yùn)行，為避免機(jī)器常年閑置失效，3臺(tái)制冷機(jī)輪流運(yùn)行，操作人員每天進(jìn)行一次切換，其余兩臺(tái)處于待機(jī)狀態(tài)。一臺(tái)制冷量為1 582 kW的制冷機(jī)在待機(jī)狀態(tài)下電流為10 A左右，3臺(tái)制冷機(jī)全年待機(jī)電耗將高達(dá)12萬kWh[5]。因此，在多臺(tái)設(shè)備輪流使用的情況下，可以通過優(yōu)化設(shè)備使用方案，減少設(shè)備待機(jī)耗能，杜絕無效益式能源消耗。

2.2 推廣使用新型能源——太陽能

根據(jù)調(diào)研顯示，目前我國(guó)電能仍有相當(dāng)一部分來自于火力發(fā)電，面對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展的強(qiáng)大壓力，火力發(fā)電方式再次對(duì)日益惡化的生態(tài)環(huán)境提出挑戰(zhàn)。因此，推廣使用新型能源對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

太陽能作為一種“零污染、高產(chǎn)出”的新型能源成為了我們關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，我國(guó)大部分太陽能資源豐富的地區(qū)在應(yīng)用太陽能光伏技術(shù)時(shí)多采用晶體硅太陽能電池板，其光電轉(zhuǎn)換效率較高，約為12%～16%；而非晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率較低，只有10%左右[6]。

廣州市地處太陽能資源豐富區(qū)，太陽高度角低，日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽能利用技術(shù)研究和太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，開發(fā)利用太陽能具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)資料顯示，廣州平均年太陽總輻射為4 279.58 MJ/m2，年最小值為3 325.50 MJ/m2，年最大值為5 402.49 MJ/m2，總體呈顯著減少趨勢(shì)，減少速率為每年10.3 MJ/m2。夏季輻射豐富，冬季偏少，夏季總輻射量是冬季的1.57倍，月平均總輻射7月最多(475. 22 MJ/m2)，2月最少(226.67 MJ/m2)。每天的10:00～14:00太陽能資源最為豐富，期間每小時(shí)輻射強(qiáng)度均超過1.45 MJ/m2[7]。

根據(jù)廣州的氣候特征，可在大面積無遮擋且人流較少的地方采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，既能保證發(fā)電的效率效益，又能夠減少光污染問題對(duì)居民的影響。再結(jié)合廣州一年的日照情況，宜選用晶硅薄膜電池。雖其生產(chǎn)耗能和造價(jià)都比非晶硅電池高，若全面推廣經(jīng)費(fèi)較大。但在廣州這個(gè)太陽能資源十分豐富的地區(qū)，大力推廣晶硅薄膜電池利大于弊。一方面因?yàn)榫Ч璞∧る姵氐墓怆娹D(zhuǎn)換效率高，投入回收效益好，另一方面其質(zhì)量較好且使用周期長(zhǎng)，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略精神。因此，推廣使用太陽能新能源對(duì)于地下空間節(jié)能具有重大意義。

2.3 使用新型節(jié)能設(shè)備——LED節(jié)能系統(tǒng)

在推廣使用新型能源的同時(shí)，如何從源頭節(jié)約地下空間照明系統(tǒng)和指示系統(tǒng)的耗能也是節(jié)能研究的重中之重。傳統(tǒng)的照明燈、指示標(biāo)志以及廣告屏幕因其耗電高、壽命短、維修周期短而無法應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)挑戰(zhàn)。因此，研究新型節(jié)能照明系統(tǒng)勢(shì)在必行。

LED節(jié)能系統(tǒng)在這樣的時(shí)代呼喚下應(yīng)運(yùn)而生，其具有以下的突出優(yōu)點(diǎn)：

1)與傳統(tǒng)白熾燈和熒光燈相比，其發(fā)光效應(yīng)并不依靠燈絲發(fā)熱；2)電能的轉(zhuǎn)化效率高，同樣的發(fā)光效應(yīng)電能消耗只有白熾燈的10%左右、熒光燈的50%左右；3)LED照明系統(tǒng)采用固體封裝，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，平均使用壽命大于100 000 h，比普通熒光燈多9 000 h[8]；4)產(chǎn)品不含汞，在壽命結(jié)束廢棄后，不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成二次污染；5)可回收利用，對(duì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義；6)光色柔和，對(duì)眼睛起到很好的保護(hù)作用。

根據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，地下空間的電能使用中，超過40%的電能用于照明系統(tǒng)、指示標(biāo)志系統(tǒng)和廣告宣傳系統(tǒng)。而目前國(guó)內(nèi)仍有相當(dāng)一部分的地下空間(如隧道和涵洞等)大量使用熒光燈和熾燈，雖其造價(jià)一次性投入較少，但并不符合可持續(xù)發(fā)展和資源的合理配置。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度上講，地下空間引進(jìn)LED照明系統(tǒng)、LED標(biāo)志系統(tǒng)和LED廣告系統(tǒng)，既能節(jié)能減排，又能滿足群眾的“公共養(yǎng)生”要求。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)LED節(jié)能燈多種多樣，按其主要組成部分可分為三種：

1)由草帽型小功率LED制成的LED節(jié)能燈，電源采用阻容降壓電路。該種節(jié)能燈雖價(jià)格相對(duì)低廉，但質(zhì)量較差，散熱性能較差，在使用一段時(shí)間后，光色會(huì)變深，亮度降低。

2)由3528或5050貼片中小功率LED制成的LED節(jié)能燈，電源亦是采用阻容降壓電路，相比草帽型LED，因具有導(dǎo)熱基板，能散發(fā)一定的熱量。但由于通電后電壓電流不穩(wěn)定，亮度也不恒定，光衰依然嚴(yán)重。

3)由大功率貼片LED制成的LED節(jié)能燈，電源則采用恒流隔離電路，即電流在通電過程幾乎沒有改變，亮度保持恒定。且具有良好的散熱效益，能夠讓使用產(chǎn)生的熱量及時(shí)散去，從而確保LED節(jié)能燈充分發(fā)揮“耐用”的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)合廣州地鐵和國(guó)內(nèi)主要地下空間對(duì)照明系統(tǒng)和指示系統(tǒng)的需求實(shí)際看，所用的LED燈往往需要滿足長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用要求，并且在人流多的地方還必須具備不傷眼、不發(fā)熱的特點(diǎn)。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度上講，選用由大功率貼片LED制成的LED節(jié)能燈是最符合地鐵空間照明要求的。

3 結(jié)語

節(jié)能理念應(yīng)包括：盡量減少傳統(tǒng)燃料、盡量減少建筑中技術(shù)設(shè)備開支、盡量減少可能的降溫需求、盡量減少傳送和通風(fēng)過程中的熱量損失、盡量減少能源和材料的消耗。因此，通過合理的制度保障、大力推廣新型能源和新型材料，地下空間的能源使用情況將會(huì)有巨大的改善。這樣的舉措，既能夠滿足人民群眾日益增長(zhǎng)的物質(zhì)文化需要，又能夠促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的可持續(xù)健康發(fā)展。提高能源使用效率和使用效益，增加城市乃至國(guó)家的能源競(jìng)爭(zhēng)力，是我國(guó)未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要主題，節(jié)能研究勢(shì)在必行。

[1] 譚柏平.我國(guó)能源安全面臨的挑戰(zhàn)及法律對(duì)策[J].廣西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(哲學(xué)社會(huì)科版)，2012,48(6):194-198.

[2] 廣東省建設(shè)廳科教處.廣東省太陽能開發(fā)利用情況調(diào)查報(bào)告[J].建筑監(jiān)督檢測(cè)與造價(jià),2008,1(2):64-66.

[3] 羅承先.太陽能發(fā)電的普及與前景[J].中外能源,2010,15(11):37-39.

[4] 羅伯特·貢薩洛，卡爾·J·赫伯曼.建筑節(jié)能設(shè)計(jì)——從規(guī)劃到施工[M].北京:中國(guó)建筑工程出版社,2008:186.

[5] 薛志峰.公共建筑節(jié)能[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007:25-57.

[6] 劉 柯,鮑家聲.光纖采光照明系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用[J].南方建筑,2006(9):91-94.

[7] 劉愛君,陳雯超,秦 鵬.廣州市太陽能資源的分析與評(píng)估[J].廣東氣象,2014,36(3):59-61.

[8] 安星明.淺析地下空間節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)[J].建筑節(jié)能,2012,40(5):43-46.

Discussion on underground space energy-saving research with Guangzhou subway as an example★

Zhang Yu Zhao Jiajian Zheng Junying Zhu Xujian

(CollegeofCityConstruction,ZhongkaiCollegeofAgricultureEngineering,Guangzhou510225,China)

Taking Guangzhou subway as an example, the article describes underground space energy consumption status and features of Guangzhou city, studies underground energy-saving measures including using solar energy and LED energy-saving system and so on, which has provided feasible solving methods for urban development and sustainable urban energy utilization.

underground space, energy-saving research, subway, solar energy, LED energy-saving system

2015-04-08★：廣東省教育廳大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：K1133097)；廣東省教育廳卓越人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：KA1548883)

張 煜(1992- )，男，在讀本科生

1009-6825(2015)17-0192-02

TU201.5

A