高寒地區(qū)鐵路站房照明與能耗模擬及其優(yōu)化策略
——以川藏鐵路林芝站為例

張興艷，嚴建偉

(1.天津大學建筑學院，天津 300072；2.中鐵二院工程集團有限公司建筑院，四川 成都 610031)

引言

隨著世界城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進，能源和環(huán)境問題已受到世界各國的廣泛關(guān)注。我國建筑行業(yè)能耗巨大，占社會總能耗的三分之一甚至更多。近些年來，我國鐵路建設(shè)的長足發(fā)展帶動了大規(guī)模的客站建設(shè)，截至2017年底，我國已建成鐵路客站1 094座[1]，在鐵路客站能耗中，照明能耗占30%～40%，根據(jù)客站照明系統(tǒng)的使用現(xiàn)狀來看，照明系統(tǒng)仍有一定的節(jié)能空間，因此鐵路客站照明節(jié)能設(shè)計研究顯得尤為重要[2]。廖宇[3]提出鐵路客站照明應(yīng)系統(tǒng)考慮節(jié)能設(shè)計，通過照度標準的確定、節(jié)能光源和燈具的選擇、天然光的充分利用以及智能化的照明控制系統(tǒng)管理，達到鐵路客站照明的節(jié)能目標；徐杰[4]以天津站為例，總結(jié)鐵路客站光環(huán)境設(shè)計時應(yīng)考慮光照環(huán)境舒適度、安全及旅客的心理舒適度等三要素；王立雄等[5]通過對京滬線7個站的人工光環(huán)境調(diào)研，針對性地提出京滬線高鐵站候車廳在燈具選擇、燈具布置和燈具控制方面的改造建議；歐豐榕[6]結(jié)合對福州站照明能耗情況的分析，提出使用LED和智能照明控制系統(tǒng)的有機結(jié)合，實現(xiàn)鐵路站房的節(jié)能控制；在高寒地區(qū)鐵路站房照明設(shè)計研究尚屬空白，隨著川藏、滇藏、新藏鐵路的相繼建設(shè)，結(jié)合高寒地區(qū)特有的自然條件，以綠色建筑設(shè)計的理念對鐵路站房照明設(shè)計進行研究具有重要的理論價值與現(xiàn)實意義。

本文以高寒地區(qū)川藏鐵路林芝站作為研究對象，采用DIALux evo軟件對原照明方案和優(yōu)化方案進行模擬，提出高寒地區(qū)鐵路站房照明節(jié)能的主要技術(shù)措施，旨在為同類氣候區(qū)的站房照明節(jié)能設(shè)計提供參考。

1 項目概況

川藏鐵路是我國西部的重大干線鐵路，是繼青藏鐵路之后的第二條進藏“天路”，線路總長1 838 km，設(shè)計速度160～200 km/h，全線被分為三大段：成康鐵路(成都至康定又包括成雅鐵路和雅康鐵路)、康林鐵路(康定—林芝)、拉林鐵路(拉薩—林芝)[7]。新建林芝站拉林鐵路終點站，最高聚集人數(shù)為2 000人，站房總建筑面積14 898.01 m2，其中地上建筑14 630.74 m2，地下建筑面積267.27 m2。林芝站站房主要功能分為客運用房、公安用房、設(shè)備用房、辦公用房等。一層設(shè)候車廳、售票及售票辦公、旅客服務(wù)、VIP候車、行包、設(shè)備區(qū)、出站廳、車務(wù)辦公區(qū)和防爆室等；二層設(shè)候車廳、旅客服務(wù)(站內(nèi)商業(yè))和商務(wù)候車區(qū)[8]。

2 鐵路站房照明設(shè)計標準

鐵路站房根據(jù)《建筑照明設(shè)計標準》(GB 50034—2013)[9]確定公共區(qū)、設(shè)備區(qū)和辦公區(qū)的照度標準。主要區(qū)域照明設(shè)計標準見表1。

表1 《建筑照明設(shè)計標準》(GB 50034—2013)規(guī)定的主要區(qū)域照明設(shè)計標準

3 林芝站照明環(huán)境模擬分析

3.1 模擬說明

利用照明模擬軟件 DIALux evo，對林芝站進行模擬，得到其照明環(huán)境的各項參數(shù)，按照各項參數(shù)在DIALux evo 中建立林芝站各主要功能空間的建筑標準模型，再根據(jù)所提取的林芝站照明方案，在 DIALux evo 建筑標準模型中布置燈具。

根據(jù)林芝站站房照明設(shè)備選型(表2)，在DIALux evo中選取對應(yīng)參數(shù)的模擬光源。優(yōu)化方案光源則是在現(xiàn)狀模擬的結(jié)果中選取更高效率的模擬光源進行計算模擬。以不影響照明舒適度為前提，通過控制站房各區(qū)域照度的變化，對林芝站站房主要空間的照明節(jié)能潛力進行研究。

表2 林芝站原照明方案燈具設(shè)備表

通過模擬，得到林芝站站房主要空間的照明功率密度、平均水平照度、照度均勻度、等照度圖及點照度圖。計算各參量對照明環(huán)境舒適度值的綜合影響，并與照明環(huán)境舒適度最低標準值進行對比，驗證原方案未達標部分與優(yōu)化方案的效果提升，并使用LPD值作為評價照明能耗水平的指標。

3.2 原照明方案模擬及分析

照明模擬計算選取了林芝站站房空間內(nèi)(包括候車廳、集散廳、售票廳、車務(wù)辦公等)19個主要空間，共計11 677.26 m2的部分進行建模計算分析。該模擬空間面積占總建筑面積的77.85%(未模擬部分包括消防控制室、變電室等無需體現(xiàn)照明質(zhì)量代表性結(jié)果的輔助空間以及除已選擇的辦公室和衛(wèi)生間之外的大量該類型重復(fù)性空間)。站房照明模擬所采用的建筑內(nèi)標準模型包括光源與地面的距離、天花板反射系數(shù)、墻壁反射系數(shù)、地板反射系數(shù)和維護系數(shù)，具體參數(shù)見表3。

表3 林芝站站房建筑標準模型參數(shù)

站房照明模擬光源選用與照明設(shè)備選型對應(yīng)功率參數(shù)的模擬光源，模擬光源選擇見表4?？臻g模擬結(jié)果如圖1和圖2所示，光環(huán)境質(zhì)量模擬結(jié)果見表5，能耗模擬結(jié)果見表6。

表4 林芝站站房原照明方案模擬光源選型

圖1 林芝站站房一層原照明方案模擬結(jié)果

林芝站原照明方案模擬共設(shè)置25套DIALux-26 W面板燈、376套DIALux-L1 36 W光源、168套DIALux-L2 50 W光源、84套DIALux-L3 70 W光源。通過模擬可知，車務(wù)辦公類空間平均照度與標準值差距較大；商務(wù)候車室、寄存區(qū)、母嬰室等空間略低于標準；衛(wèi)生間等空間遠高于標準。因此優(yōu)化設(shè)計的重點主要放在提高辦公區(qū)平均照度、提升候車區(qū)照明質(zhì)量、降低衛(wèi)生間照明能耗等部分。

林芝站原照明方案總功率28 996.2 W，其中一層候車室7 466.4 W，二層候車室17 452.2 W，占比最高。軍人候車廳功率密度為6.18 W/m2，是全站最高，可以適當降低。集散廳與候車廳的功率密度為1.59 W/m2，是全站最低，需要重點提升。各空間全年總能耗計算式(1)為：

(1)

經(jīng)計算，以開燈8 h作為參考值計算能耗結(jié)果為全年84 241 kWh，以開燈24 h作為參考值計算最大化全年能耗為409 150 kWh。其中車務(wù)辦公部分年能耗因照度未達標，故低于理想值。衛(wèi)生間部分因功率密度過大，年能耗高于理想值。

3.3 照明優(yōu)化方案模擬及分析

3.3.1 優(yōu)化設(shè)計策略

鐵路站房照明節(jié)能設(shè)計優(yōu)化需要在保證候鐵路站房主要區(qū)域照明指標達標的同時，降低照明功率密度值(LPD)。根據(jù)林芝站的情況，有針對性地提出優(yōu)化設(shè)計策略如下：

圖2 林芝站站房二層原照明方案模擬結(jié)果

表5 林芝站站房原照明方案光環(huán)境質(zhì)量模擬結(jié)果

續(xù)表5

表6 林芝站站房原照明方案能耗模擬結(jié)果

1)提升LED光源的效率，并適當降低燈具的功率，同樣可以滿足室內(nèi)光環(huán)境舒適度的要求，因此，鐵路站房應(yīng)選用節(jié)能高效的LED 光源為優(yōu)化光源。

2)調(diào)整燈具布置方式，適當減少燈具數(shù)量，不僅可以滿足站房室內(nèi)光環(huán)境舒適度的要求，還可以減少照明能耗。

3)選擇合適的室內(nèi)空間高度，可以節(jié)約照明能耗。

4)對不同的功能區(qū)進行分區(qū)照明，可以在滿足各功能區(qū)光環(huán)境舒適度的同時節(jié)約照明能耗。

在本次林芝站照明方案優(yōu)化設(shè)計中，主要采用提升光源效率和調(diào)整燈具布置的策略進行分析模擬，并計算節(jié)能結(jié)果，照明光源選型見表7。

表7 林芝站站房優(yōu)化照明方案模擬光源選型

3.3.2 優(yōu)化方案模擬

優(yōu)化方案空間模擬結(jié)果如圖3和圖4所示，光環(huán)境質(zhì)量模擬結(jié)果見表8，能耗模擬結(jié)果見表9。

圖3 林芝站站房一層照明優(yōu)化方案模擬結(jié)果

圖4 林芝站站房二層照明優(yōu)化方案模擬結(jié)果

表8 林芝站站房照明優(yōu)化方案光環(huán)境質(zhì)量模擬結(jié)果

續(xù)表8

表9 林芝站站房照明優(yōu)化方案能耗模擬結(jié)果

林芝站照明優(yōu)化方案模擬共設(shè)置24套DIALux-12 W 筒燈、28套DIALux-150 W光源、39套DIALux-36 W 面板燈、178套DIALux-70 W光源，共269套光源，與原方案的653套光源相比，節(jié)省了384套。節(jié)省率達到58.81%。通過模擬可知站房內(nèi)所有主要空間平均照度均已達到標準值，且照度均勻度(Uo)與原方案相比更加平均，成本節(jié)省狀況顯著。

林芝站優(yōu)化照明方案總功率18 306.4 W，其中一層候車室4 816.0 W與原方案7 466.4 W相比，減少了2 650.4 W，節(jié)能效率35.50%；二層候車室10 713.6 W，與原方案17 452.2 W相比，減少了6 738.6 W，節(jié)能效率38.61%。

車務(wù)辦公部分功率密度顯著提升，并達到照度標準要求。軍人候車廳功率密度為2.26 W/m2，效率提升。集散廳與候車廳由于更換效率更高的照明光源，在完全滿足空間照明質(zhì)量要求的同時功率密度進一步下降。

經(jīng)計算，以開燈8 h作為參考值計算能耗結(jié)果為全年52 934 kWh，與原方案84 241 kWh相比，減少了31 307 kWh，節(jié)能效率37.16%。以開燈24 h作為參考值計算最大化全年能耗與原方案一致，該使用場景只是理論最大值，不會實現(xiàn)，因此不做參照。

經(jīng)過優(yōu)化模擬，林芝站主要空間除辦公空間由于原方案未達到照度標準而增加功率密度使功耗增加外，其余空間均達到節(jié)能預(yù)期。在采用了優(yōu)化照明光源效率和調(diào)整燈具布局等策略后，DIALux EVO模擬結(jié)果顯示，林芝站全年節(jié)省能耗29 539 kWh，節(jié)能效率37.24%；公式計算修正后全年節(jié)省能耗為31 307 kWh，節(jié)能效率37.16%，且燈具使用數(shù)量節(jié)省了58.81%，各空間平均照度指標均達標，照明均勻度和防眩光指標均達標，節(jié)能效果理想，如表10和表11所示。

表10 林芝站站房照明方案節(jié)能結(jié)果

表11 林芝站站房照明方案各房間節(jié)能結(jié)果

4 結(jié)論

綜上所述，提出高寒地區(qū)鐵路站房照明節(jié)能設(shè)計優(yōu)化策略：

1)優(yōu)化設(shè)計流程。在鐵路站房設(shè)計各階段實時配合照明方案設(shè)計，有效進行節(jié)能考慮。

2)改進設(shè)計方法。在進行高寒地區(qū)鐵路站房照明設(shè)計時，宜采用專用的照明模擬分析軟件進行照明計算，并進行多方案比較，以便在滿足光環(huán)境質(zhì)量要求的同時達到精準節(jié)能的目的。

3)選擇節(jié)能高效的LED光源。

4)充分利用高原地區(qū)優(yōu)越的天然光資源，適當改變燈具的布置方式，有策略的分區(qū)分點位布置燈具，減少燈具的數(shù)量，使鐵路站房空間滿足光環(huán)境舒適度要求的同時減少照明能耗。

5)有效控制室內(nèi)裝修材料的反射系數(shù)，選用反射系數(shù)高的材料，在獲得明亮視覺效果的同時營造良好的室內(nèi)光環(huán)境。

6)選擇合適的室內(nèi)空間高度，可以節(jié)約照明能耗。

7)綜合考慮各種因素，進行站房照明空間綜合優(yōu)化，達到系統(tǒng)整體節(jié)能。

8)采用智能控制系統(tǒng)，結(jié)合地域氣候、季節(jié)、日照時間、日照感應(yīng)等技術(shù)，通過照明智能化控制系統(tǒng)管理燈具的開啟與關(guān)閉，提升節(jié)能效率。

致謝：本研究得到中鐵二院工程集團有限責任公司科研項目“高寒地區(qū)(以川藏線為例)鐵路站房綠色建筑技術(shù)研究”[KYY2018040(18-19)]的資助，在此對參與本課題研究和參與新建鐵路川藏線拉薩至林芝段設(shè)計的所有人員表示衷心的感謝。