導光管采光系統(tǒng)在甘肅天水站大空間照明中的應用

許云飛

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

引言

導光管采光技術(shù)是在能源緊缺及環(huán)境問題日益突出的背景下提出的，20世紀80年代初在歐美等國家和地區(qū)已開始應用，目前比較成熟。我國該領(lǐng)域發(fā)展較晚，自2008年北京奧運會場館工程建設中大規(guī)模采用后，對導光管采光照明開始重視并逐漸推廣應用[1-4]。目前導光管采光技術(shù)在鐵路客站中的應用尚在探索階段，在成都南站、上海虹橋站等地下空間的室內(nèi)照明中得到了較少運用[5，6]，而在地上站房大空間照明中的應用研究屈指可數(shù)。

本文簡要分析鐵路客站大空間照明的現(xiàn)狀及存在問題，介紹導光管采光系統(tǒng)的原理及組成；重點介紹了導光管采光技術(shù)在天水站站房改造工程中的應用，通過技術(shù)經(jīng)濟等多方面比較得出導光管采光照明比傳統(tǒng)照明更加節(jié)能環(huán)保、綠色健康；希望為今后鐵路客站大空間照明設計提供借鑒和參考。

1 傳統(tǒng)照明及導光管采光系統(tǒng)

1.1 鐵路客站大空間照明

鐵路客站大空間照明主要是指在站房的進站廳、候車大廳、售票廳等公共場所設置的照明[7]，以下對其現(xiàn)狀及存在問題進行簡要的分析。

目前國內(nèi)鐵路客站大空間照明根據(jù)站房規(guī)模及建筑形式的不同，主要分為兩種：①人工照明，全天由照明燈具提供電力照明；②人工照明與天窗采光相結(jié)合，白天由采光天窗提供自然光照明，夜晚由照明燈具提供電力照明。

1)人工照明。鐵路客站大空間照明現(xiàn)階段基本選用三基色熒光燈、金屬鹵化物燈或LED燈等高效光源，根據(jù)裝修形式和空間高度的不同選擇相應的光源及燈具。但即使選用高效光源和高效燈具，與自然光采光相比亦會產(chǎn)生能量消耗、污染物排放和引發(fā)電氣火災隱患。

2)天窗采光。隨著鐵路客站建設理念的不斷改變，采光天窗等透光圍護結(jié)構(gòu)得到了廣泛應用[8]。通過引入自然光，使得旅客候車環(huán)境更加舒適，也減少了白天人工照明的開啟。但在實際使用中天窗采光也存在：局部聚光、眩光及均勻度差、有害輻射、隔熱保溫差引起空調(diào)能耗增加[9，10]、防水性差且易聚集灰塵等諸多問題。

1.2 導光管采光系統(tǒng)

導光管采光是一種無電照明系統(tǒng)，白天利用太陽光進行室內(nèi)照明，可解決大進深建筑和地下建筑采光問題。

1)系統(tǒng)原理及組成。導光管采光系統(tǒng)基本原理是通過屋面設置的采光罩高效采集室外自然光，導入系統(tǒng)內(nèi)部后重新調(diào)整，再經(jīng)過導光管傳輸?shù)绞覂?nèi)的漫射器中，將自然光均勻高效的照射到室內(nèi)場所。從黎明到黃昏，甚至陰天或雨天，導光管采光系統(tǒng)導入室內(nèi)的光線仍很充足。該系統(tǒng)主要由三部分組成：室外采光區(qū)、導光傳輸區(qū)、室內(nèi)漫射區(qū)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 導光管采光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure indication of tubular daylighting system

2)系統(tǒng)優(yōu)點。采光罩內(nèi)可利用透鏡技術(shù)，根據(jù)日光入射的角度不同而采集適量的陽光，保證全天日光通量的均勻和穩(wěn)定，并使有效日光采集表面積得到顯著提高；另導光管內(nèi)利用非金屬薄膜等抑制紅外線的傳導，并能有效地防止紫外線，同時不會將太陽熱輻射傳到室內(nèi)，減少室內(nèi)空調(diào)負荷的消耗；漫射器采用菲涅爾透鏡技術(shù)將光線均勻地漫射到室內(nèi)，使光線更加的均勻、柔和，避免眩光的產(chǎn)生；因采光罩表面平整光滑，經(jīng)過雨水、風吹可將表面的灰塵沖刷干凈，達到自潔效果，免去了人工定期清潔的費用。

綜上，導光管采光系統(tǒng)與傳統(tǒng)照明相比較，具有以下幾種優(yōu)點：①光效高：系統(tǒng)所傳輸?shù)臑樽匀还猓洳ㄩL范圍為392～780 nm，顯色性Ra=100，室內(nèi)光線柔和，照度分布均勻。②節(jié)能：無電力消耗，同時系統(tǒng)具有良好的隔熱保溫性能，減少室內(nèi)空調(diào)能耗。③安全：不存在電氣火災隱患。④健康：無頻閃，不會對人眼造成傷害，使少量的紫外線進入室內(nèi)，可抑制微生物生長，清除室內(nèi)霉氣，改善周邊環(huán)境。⑤環(huán)保：材料均屬于綠色環(huán)保產(chǎn)品。⑥使用年限長：≥25年。

2 在天水站改造中的應用

天水站位于甘肅省天水市麥積區(qū)，是隴海鐵路和天平鐵路的重要車站。改造前站房建于1989年，建筑面積約為3833 m2，2016年9月啟動改擴建工程，改造后建筑面積約為10916 m2，于2018年1月竣工完成。

2.1 改造策略

本次改造工程為了盡量保存車站歷史風貌和延續(xù)文化經(jīng)典，最大化地保留了老站主體，拆除部分嚴重老化、利用率較低的空間；在原有通高的第一候車室內(nèi)部加建一層新候車室；在老站房南側(cè)新建出高度整合的功能空間，其中包含擴建的售票廳、進站廳及出站廳等。

由于擴建區(qū)域及新增候車夾層的出現(xiàn)，使站房進深倍增，為充分利用自然光線，在新建區(qū)域的大空間中設置導光管采光系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)設計

本工程導光管采光系統(tǒng)設計選用蘇州中節(jié)能索樂圖日光科技有限公司的型號為M74和330DS產(chǎn)品，分別用于新建的售票廳、進站廣廳和商務茶座。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求[11-13]，經(jīng)過計算和照明模擬軟件visual進行照度模擬，并與室內(nèi)管線及結(jié)構(gòu)碰撞調(diào)整后，在上述三處區(qū)域各相應布置12套導光管采光系統(tǒng)，布置示意圖如圖2所示。

圖2 導光管采光系統(tǒng)布置示意圖Fig.2 Illustration of lighting system arrangement of tubular daylighting system

2)屋面防水。本工程擴建區(qū)域的屋面為混凝土結(jié)構(gòu)，導光管采光系統(tǒng)需在屋面預留混凝土墩座。以M74系列為例，預留墩座為方形，完成后墩座最大寬度為900 mm，內(nèi)徑為780 mm(±10 mm)。導光管采光系統(tǒng)屋面預留墩座節(jié)點圖，如圖3所示。

圖3 導光管采光系統(tǒng)屋面預留墩座節(jié)點圖Fig.3 Pillar node diagram reserved for roof of tubular daylighting system

2.3 經(jīng)濟投資分析

2.3.1 費用分析

與電力照明相比，節(jié)省的主要是電力消耗和系統(tǒng)維護費用。

1)電力消耗費用。導光管采光系統(tǒng)適用于白天，平均日工作時間為10 h左右。該布置區(qū)域內(nèi)另設置有34套1×150 W金鹵燈和48套2×26 W節(jié)能型熒光筒燈，用于10 h外的照明。

金鹵燈及熒光燈鎮(zhèn)流器的耗電量約占照明用電量的10%左右，計入鎮(zhèn)流器功率，每天白天照明用電量為83.6 kW，電費按1.0元/kWh計，每年白天照明用電總費用為30514元，約為3.1萬元。

2)系統(tǒng)維護費用。根據(jù)國家標準規(guī)定，傳統(tǒng)電力照明燈泡3年需更換一次，其中包括定期清潔和維修的費用。本工程電力照明每年系統(tǒng)維護平均總費用約為1.4萬元，導光管采光系統(tǒng)具有自潔功能，基本可免去此項費用[15]。

綜上，電力照明每年額外產(chǎn)生的總費用約為4.5萬元。

2.3.2 靜態(tài)投資回收分析

本工程共采用36套導光管照明系統(tǒng)，投資總費用(包含安裝費)約為54萬元。

本系統(tǒng)較電力照明系統(tǒng)年節(jié)約總費用約為4.5萬元，項目靜態(tài)投資回收周期約為12年。

上述計算尚未考慮因電力照明發(fā)熱所引起的空調(diào)能耗增加，若計入此項影響，回收周期較計算結(jié)果會進一步減小。

導光管采光系統(tǒng)使用年限約為25年，投資回收期會隨著應用范圍的增大而縮短，約在使用周期的1/3～1/2范圍內(nèi)，即可回收投資成本，經(jīng)濟效益較高。

2.4 節(jié)能減排分析

我國目前主要以火力發(fā)電為主。據(jù)統(tǒng)計，每生產(chǎn)1度電，就相應地消耗0.4 kg標準煤，同時產(chǎn)生的大氣污染物約為0.272 kg碳粉塵、0.997 kg二氧化碳、0.03 kg二氧化硫和0.015 kg氮氧化物，此類有害物質(zhì)會對環(huán)境產(chǎn)生影響。

本工程采用導光管采光系統(tǒng)每年可節(jié)約電能約為30514 kWh，相應可節(jié)約標準煤約為12.2 t、凈水約為122 t。可減少的污染物排放估計量如表1所示。

表1 污染物排放估計量

2.5 應用實例

天水站改擴建工程自交付使用后，導光管采光系統(tǒng)應用效果良好，滿足運營及設計要求。改造后的天水站實景照片，如圖4所示。

圖4 導光管在改造后的天水站的應用Fig.4 Application of tubular lighting system in the Tianshui station after reconstruction

3 工程中需注意的問題

導光管采光系統(tǒng)適用于年日照時數(shù)長、光照充足地區(qū)，相反條件的地區(qū)則不宜采用，在工程運用中應合理選擇。

采用該系統(tǒng)需在結(jié)構(gòu)屋面板上預留相應尺寸的孔洞，安裝時應做好防水處理，并與室外鋪裝景觀相協(xié)調(diào)；還需與各專業(yè)密切配合，避免室內(nèi)綜合管線發(fā)生碰撞，以確保工程的順利實施。

中小型鐵路客站因其規(guī)模較小，建筑形式和布局較為簡單，為在大空間照明中設置導光管采光系統(tǒng)提供有利條件。但大型和特大型鐵路客站相對復雜多樣，如何做到該系統(tǒng)與建筑形式、布局及采光天窗三者間的有機結(jié)合，是需要思考和進一步研究的問題。

4 結(jié)論

導光管采光照明在特定情況下可取代電力照明，節(jié)約能耗，減少二氧化碳等有害物質(zhì)對大氣的污染，構(gòu)建一個綠色健康、節(jié)能環(huán)保的照明方式。

利用導光管采光系統(tǒng)，讓人們在柔和、明亮的日光下出行，可改善心情，讓思維更活躍；同時還能帶來百分百的顯色性，降低錯誤率，并讓周圍事物的顏色更加生動真實。

我國近年來制定并頒布了多項建筑節(jié)能鼓勵政策，積極推動綠色建筑的發(fā)展。導光管采光屬于可再生能源利用技術(shù)，可以因地制宜地運用到鐵路客站的建設中，替代傳統(tǒng)照明方式，實現(xiàn)綠色照明的目的。