地铁智能照明系统照度计算与PLC灯具选型

1.灯具选型及数量计算

1）照明灯具的选型

在计算车站各区域照度之前必须了解市面上主流灯具的一些基本参数，这样在设计时，才能运用精确的数据计算出最佳的方案。表10-6所示为主流生产厂家提供的照明灯具特性表。

表10-6　照明灯具特性表

以上给出的12种灯具参数，基本涵盖了车站设计时可能需要的灯具类型。F系列的灯具为支架类的灯具，适合安装在广告照明等区域，其特点是光束集中，功率小；R系列的灯具属于盘形灯具，适合安装在稍隐蔽的地方，如办公室或其他区域的天花板内，其特点是照明更为均匀，安装在平面内部，显得更为美观。在设计之前，要充分考虑各个房间的装修风格以及需要实现的功能，从实际出发，选取合适的灯具类型。

2）灯具数量的计算

表10-7所示为车站各处所需的灯光亮度，从表中可知，由于位置不同，需要实现的功能不同，各个功能区对照明参数的要求也各不相同。

表10-7　车站各处所需灯光亮度

车站内各区域所需布置的灯具数量由式（10-1）决定：

式中，N——灯具的数量（个）；

L——房间长度（m）；

W——房间宽度（m）；

Lux——要求照明度（Lx）；

UF——利用系数；

MF——维护系数；

Lm——灯具输出流明（Lx）。

由式（10-1）可以看出，要计算出灯具布置数量（N），则首先需要获得房间的长、宽、要求照度等基本参数，以及灯具的输出流明资料，再计算得出灯具利用系数（UF）、维护系数（MF），因此照明模拟计算模型的设计步骤如下：

（1）填写房间的长度、宽度等数据。

（2）根据房间类型查表得照度要求值。

（3）计算室形指数。

（4）计算利用系数。

（5）计算维护系数。

（6）计算所需照明度。

（7）计算应急照明度。

（8）根据最后得出的结果进行验算。

2.参数计算

1）利用系数的计算

利用系数是指接收平面接收或经其他平面相互反射接收的光通量与光源发射的额定光通量之比，它是衡量灯具光强分布、灯具效率、房间表面反射系数与房间几何特征的重要标准。照明计算中利用系数的计算是必不可少的，是本设计中计算车站各个区域安装照明设备数量的重要参数之一。在过去对于灯光的设计中，一般不会计算利用系数，只需要取大概的数值，通常为0.6～0.7的某个数值。这种取值方法简单直接，但准确度却远远不够，根据这样的取值方法做出的灯光设计要么照度过高，要么照度过低，很难设计出完美的灯光。此外，利用系数还可以通过查询灯具生产厂家提供的每种灯具自己的光度参数表得到，这种方法能够得到灯具精确的利用系数。但由于地铁车站建设的特殊性，以及人流量的时段性，一味地根据生产厂家提供的利用系数表查询灯具的利用系数无法满足智能照明的要求，主要原因主要有以下几点：

（1）地铁车站建于地下，无法保证房间的规则性，并且由于设备较多，房间数量也多，而厂家提供的系数表太过局限，无法满足所有情况。

（2）查询表只能给出某些特定房间面积的利用系数，若房间面积处于两者之间，或不在查询表所给出的范围内，则无法查询到精准的数据

（3）地铁各个功能区分工明确，有明确的界限隔开，各个区域对于照明的要求不同，不能一概而论，每个区域必须有自己专门的数据，所以不能一味地参考厂家提供的系数表，在某些特定的情况下必须进行专门的计算。

在确定了灯具的型号之后，相关的计算中关于光通量的数据可以通过灯具生产厂家提供的说明书查得。但是某些情况下，利用系数必须通过计算来获得，不能随意取值，否则无法做出准确的计算。同时，利用系数与房间的形状、面积、层高、墙面及天花板对光的反射率密切相关。在建筑设计中，房间的面积及形状用室形指数来表示，其符号为RI。利用系数与室形指数成正比例关系。在利用系数的计算过程中，因为不同的墙体或者天花板对利用系数有不同的影响，所以必须根据灯具生产厂家提供的资料将不同的墙体对应的反射比分别进行计算，以达到精准的照度设计。以下建立对应的天花板、墙面和地板的反射比，通过不同房间的长、宽数据以及反射比数据，可计算得出各自的室形指数值。表10-8为根据R4灯具针对不同的天花、墙面反射比值所对应的室形指数表。

表10-8　R4灯具针对不同的天花板（C）、墙面（W）、地板（F）反射比值所对应的室形指数表

式中，RI——室形指数；

L——房间长度；

W——房间宽度；

H——房间高度。

建立灯具的利用系数表，不但能够大幅提高在照明设计中利用系数的取值精度，而且不再需要翻阅厂家提供的灯具说明书，这样一方面大幅度提高了照明设计速度，另一方面也提高了设计中计算的精度。

2）维护系数的计算

由于地铁属于地下运行，客流、列车来往相对密集，特别是在北京、上海这样的大型城市，经过长时间使用的灯具，在公共区和各个设备用房作业面上的照度会逐渐降低。这不仅是由于光源本身输出的光通量减少，更是由于灯具的老化进而引起的透光率下降。同时，虽然有屏蔽门的阻挡，但灰尘等细小的漂浮颗粒仍然存在，这些悬浮颗粒导致了灯具输出的光通量和室内墙体等工作面对光的反射率的降低。

在计算中，维护系数需要考虑的因素主要为以下几点：

（1）在长时间的使用后灯具防尘罩表面积聚的灰尘。

（2）灯具使用的时间导致灯具的发光效率降低。

（3）房间内墙体等作用面上的灰尘对光的反射率的影响。

维护系数MF的计算公式如下：

式中，LLMF——光源的光通维持率系数；

LSF——光源的使用寿命系数；

LMF——灯具的维护系数；(www.xing528.com)

RSMF——房间表面维护系数。

其中，LLMF是灯具在使用期间的某个特定时间点的光通量与初始光通量之比，随着时间的推移，比值会逐渐减小。LSF表示在一个时间段内连续工作的灯具数量与灯具总数的比值，在通产的计算中LSF取值为60%。

在《室内工作场所的照明》中有以下条例：设计照明方案时应针对选用的照明设备、空间环境和确定的维护方案计算出总体的维护系数，并且该系数值不能小于0.7，在其他一些特殊的地下场所，如地下停车场等，由于长期通风不良、空气较脏导致灯具较脏，所以这些场所灯具的维护系数应该适当地调高。结合地铁车站的特殊性以及其自身特点，地铁车站中灯具的维护系数一般不进行计算，均取值0.8。

3）照度计算

照度的单位为勒克斯（Lux或Lx）：其含义指1 m2的面积上能够接受可见光的光通量，它的取值一般为在工作平面上一段时间内的平均值。在设计其他的建筑物时，设计师一般都会参考《照明设计手册》，该手册中包含了各种常规的建筑物的标准。地铁由于无法采用自然光，所以略显不同。地铁车站对于照度的计算往往是结合《照明设计手册》及《地铁设计标准》两本规范，最终得出地铁车站照度表，如表10-9所示。

表10-9　地铁车站照度标准表

该表格作为各种公共区、设备用房的照度标准、统一眩光值标准和显色指数标准。通过表格可知，不同功能区要根据自身需要实现的功能和所处位置进行综合考虑。

此外，地铁在平时是市民的出行交通工具，但是在特殊时刻，地铁站也是人防工程的重点区域。因此在设计车站的照明时，不仅要考虑到为乘客和车站员工提供舒适的照明环境，同时也要为战时或火灾等应急状况设置专门的应急照明模式。同样，与正常的照明设计相同，也要考虑应急状况下的照度，并适当采取部分特殊灯具。

3.照度计算

1）室形指数的计算

以某城市地铁6号线东明路站为例进行计算分析，车站为地下两层岛式站，全长147.65 m，车站总面积10 427.79 m2。车站设置3个出入口通道。在此选取东明路站站厅层A区的某一公共区的照明配电设计为例展开说明。该车站为了保证日常的正常运营，在该区域安装了20盏R4型LED灯，该站厅层公共区的基本资料如下：

长度：L=15.3 m；

宽度：W=4.9 m；

照明器安装高度：2.3 m；

相对高度：2.3－0.8=1.5 m。

房间面积：

室形指数：

2）灯具盏数的计算

因为常规的地铁车站公共区装修风格均为吊顶的形式，所以为了美观且照明均匀，灯具的类型要采取嵌入式的安装方式，选取R4照明灯具。由上述的照明灯具特性表中R4照明器资料可得：

照明器种类：TL5荧光灯盘；

安装方式：嵌入；

灯泡数量：2×28 W；

光源输出流明：4800 Lm；

功率：62 W。

由上述照明灯具对应室形指数特性表可查，R4在室形指数为2.0时对应利用系数为0.64，在室形指数为2.5时对应的利用系数为0.67，由于车站控制房间的室形指数为2.41，根据取值法可得：

利用系数：UF=2+（2.5－2）×（2.41－2）/（2.5－2）=0.64。

维护系数根据上文取值0.8。

东明路站控制数所需照明器的数量公式为：

式中，N——照明器数量；

L——房间长度；

W——房间宽度；

Lux——所需照明度；

UF——利用系数；

MF——维护系数；

Lm——灯具输出流明。所以所需的照明器数量为：

相比于传统的照明系统，在灯具数量上节省了9盏灯具。此外，智能照明属于分时段开启，所以结合上文，智能照明系统的用电量大约是传统照明系统的一半。

4.节能计算分析

在地铁站传统的照明设计中，车站每层两端的配电室都设有照明配电箱，配电箱通过安装接触器与BAS系统连接以实现控制照明系统的功能。当BAS系统被智能系统替代以后，因为智能系统内部属于独立的一部分，所以内部的接线只需要通过总线形式，代替原来的BAS系统连接到控制系统的主机。这样将省去很大一部分安装成本。以上海地铁2号线东明路站为例，站厅层和站台层每端有20个照明回路被智能系统控制，总计有60个回路。东明路站一共有6个人行出入口，每个出入口的配电箱控制3个回路，共计18个回路。整个车站总共为78个回路。所以，东明路站在采用智能系统后将节省78个回路的接触器，以及连接到BAS控制室之间的电线。按照市场上通用接触器的单价来计算，每个40元，配电室连接到控制室的电线大约为50 m，市场上电线的价格大约为4元/米，那么在使用智能照明后可以节省的金额为：

接触器金额：40元×78个＝3 120元；控制电缆金额：4×50×78＝15 600元。所以东明路站在安装成本上节约了18 720元，其中还未包括人工安装费用，以及因为施工可能暂停运营带来的经济损失。结果如表10-10所示。

表10-10　安装智能系统的节约成本

在安装智能系统的实际施工中，因为智能系统相比于传统的照明系统少了很多线路，所以安装时间大约节省40%，进而可以省下大量的人工费用。此外，在智能系统中，控制面板被安装在控制室中，管理人员只需要在控制室中就可以对车站的所有灯具进行集中管理。而在传统的系统中，则是将接触器单独安装在每个回路中，这样不仅增加了安装时的工作量，也大大增加了后期运营时需要的工作量，增加了很多的线路布局，在某种程度上降低了系统的稳定性。所以相比传统的照明系统，智能系统不仅少了大量的成本费用，而且减少了线路的布局，大大增加了系统的可靠性。在东明路站的设计中，站台层等公共区中采用40 W的LED灯具，配电箱中共分出60个回路为其供电。根据某城市地铁1号线的照明惯例，要求全站公共区的所有灯具24小时常亮。某区域在23∶00至第二天凌晨1∶00需要亮半数的灯具，凌晨1∶00至5∶00是关闭状态，方便工人进行检修，然后5∶00开始至23∶00全亮。在引入智能照明后，在5∶00至11∶00之间灯具不需要全亮，而且在车站出入口处的所有灯具都会加装亮度传感器，在白天传感器会根据外界的亮度，将光信号转变为电信号传送回控制系统的终端，终端计算机会进行一系列的计算，将出入口处的灯具调整至最合适的亮度，从而达到节能的目的。

智能系统采用的都是40 W的节能LED灯具。东明路站引入智能照明系统的成本大约在25万人民币左右，原始的BAS系统的安装成本大约在8万元人民币左右，这样在前期的安装成本上智能系统将多出17万的费用。根据统计，全站大约有350盏LED灯具，根据用电量的计算公式可得：在传统模式下车站每天的耗电量为：40 W×18 h×350×40 W×2 h×175=266 kW·h。若每千瓦时电按0.8元计算，一年365天，则车站一年的电费为：266 kW·h×0.8×365=77 672元。此外根据往年的经验，每年需要花费的维护费用大约为电费的20%左右，所以一年的维护费用为：77 672×20%=15 534.4元。全站一年在照明上花费的总费用为：77 672+15 534.4=93 206.4元。

根据调查研究，安装智能系统后，全站350盏灯，平均每盏每天开启10 h，在安装智能系统后，功率下降35%左右，则一年的电费为：77 672×65%=50 486.8元。维护费用为：50 486.8×20%=10 097.36元。所以在引入智能系统后，全站1年在照明上花费的费用为：50 486.8+10 097.36=60 584.16元。相比于传统的照明系统来说节约的费用为：93 206.4－60 584.16=32 622.24元。具体的费用对比如表10-11所示。

表10-11　1年传统照明系统与智能系统耗电量及电费对比

表10-12　5年传统照明系统与智能系统耗电量及电费对比

根据上文得，安装智能系统比传统的照明系统多出17万元的安装成本，但是电费每年可以节约32 000元左右，所以大约5年内可以回收成本，5年后便开始盈利。

此外，在实际的运营中，因为智能系统可以调节多种模式，这样不仅可以进一步省电，还能将灯光调节至合适的亮度，对乘客来说，心情会更加愉悦，进而给车站带来的经济效益不是具体的数字可以衡量的。同时，采用智能照明，还可以适当地延长灯具的使用寿命，使得安装成本进一步降低。所以对于安装智能系统的车站来说，只要运营得当，5年之内智能系统的安装成本将基本可以收回，而且因为节约了大量的电能，对于全球的环境有深远的影响。