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(yán)建偉

(1.天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津 300072；2.中鐵二院工程集團(tuán)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(jìn)，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(biāo)準(zhǔn)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(dá)到鐵路客站照明的節(jié)能目標(biāo)；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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)

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

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

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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)模型，再根據(jù)所提取的林芝站照明方案，在 DIALux evo 建筑標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，驗證原方案未達(dá)標(biāo)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(biāo)。

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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(hù)系數(shù)，具體參數(shù)見表3。

表3 林芝站站房建筑標(biāo)準(zhǔn)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。空間模擬結(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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)；衛(wèi)生間等空間遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)。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(dāng)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(dá)標(biāo)，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(biāo)達(dá)標(biāo)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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到照度標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(dá)到照度標(biāo)準(zhǔn)而增加功率密度使功耗增加外，其余空間均達(dá)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(biāo)均達(dá)標(biāo)，照明均勻度和防眩光指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，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(jìn)行節(jié)能考慮。

2)改進(jìn)設(shè)計方法。在進(jìn)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(jìn)行照明計算，并進(jìn)行多方案比較，以便在滿足光環(huán)境質(zhì)量要求的同時達(dá)到精準(zhǔn)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(dāng)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(jìn)行站房照明空間綜合優(yōu)化，達(dá)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(tuán)有限責(zé)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。