试论LED 灯在高铁站房的节能优势

王云鹏, 冯星明, 汪 隽

(中南建筑设计院股份有限公司,武汉 430071)

0 引言

近年来,随着我国高速铁路快速发展,各地高铁客运站房能耗问题日益突出,运营成本居高不下。 在现有大部分已建成的大中型铁路客运站房内,多采用传统灯具(如荧光灯、陶瓷金卤灯等),然而传统灯具在能耗、灯具寿命、与装饰材料相结合等方面都存在一定的问题。 随着半导体材料及制造工艺的发展,LED 驱动芯片也在完善,高亮度、大功率的LED 光源在能耗、绿色环保、营造舒适温馨的照明环境等方面具有愈趋明显的优势。

本文以襄阳东津高铁站为例,应用DIALux 照明设计软件,对比分析铁路站房内高架候车厅不同灯具的照明设计方案。

1 光源和灯具的选择

1.1 照明空间分析

本文将东津站高架候车层作为分析的室内照明 空 间, 长309m, 宽116 ～162m, 总 面 积 为35 741m2。 候车厅高度为21m,属室内高大空间。高架候车厅是旅客等候列车停留、休息的场所,要求整体环境给人以安静、舒适的感觉,还要考虑在等候过程中阅读书报杂志或进行其他视觉工作的需要。

高架候车厅顶棚采用金属条板、金属垂片吊顶,反射率按0.8 计算。 墙面采用铝板,反射率按0.7 计算。 地面采用灰麻花岗岩色地砖,反射率按0.4 计算。 参照平面按地面考虑。 灯具采用双灯组合的布置方式,见图1。

1.2 光源和灯具的分析

通过DIALux 照明设计软件对东津站候车大厅进行建模,其照明空间如图2 所示。

图1 照明空间平面效果图

图2 照明空间模型图

通过照明空间模型图可知,中部区域距离顶棚较高,地面距顶棚约18m,两侧候车大厅商业夹层上空距离顶棚空间较近,地面距顶棚约8m。 因此,本项目中部区域照明采用较大功率灯具,两侧候车商业夹层上空照明采用较小功率灯具。

本文高架候车大厅为高大空间,故选取陶瓷金卤灯、LED 灯两种光源,通过DIALux 照明设计软件进行分析。

1.2.1 陶瓷金卤灯

陶瓷金卤灯是在汞和稀有金属的卤化物混合蒸汽中产生电弧放电发光的气体放电灯,是在高压汞灯基础上添加各种金属卤化物制成的光源。 陶瓷金卤灯的基本原理是将多种金属以卤化物的方式加入到高压汞灯的电弧管中,使这些金属原子像汞一样电离、发光。 陶瓷金卤灯具有光效高、显色性好、性能稳定等优点。

本文两侧候车夹层上空选用的陶瓷金卤灯,光源功率为70W,灯具功率为97.7W,额定电压为220V,显色指数90,色温4 000K,光通量为5 700lm,配光曲线如图3 所示。 中部区域上空选用的陶瓷金卤灯,光源功率为150W,灯具功率为165.1W,额定电压为220V,显色指数90,色温4 000K,光通量为13 998lm,配光曲线如图4 所示。

1.2.2 LED 灯

LED 的核心部分是半导体晶片,其由两部分组成,一部分是空穴占主导地位P 型半导体,另一部分是电子占主导地位N 型半导体。 当两种半导体

图3 70 W 金卤灯配光曲线

图4 150 W 金卤灯配光曲线

连接起来就形成“P-N 结”。 当电流通过导线作用于半导体晶片时,电子就会被推向P 区,在P区里电子跟空穴复合,以光子的形式发出能量。LED 灯具尺寸较小,为定向发光,便于灯具配套和提高灯具效率。 同时,LED 灯具有使用寿命长、质量轻、安全可靠性高、发热量低、无热辐射、响应时间短等优点。

本文两侧候车夹层上空选用的LED 灯,灯具功率为50W,额定电压为220V,显色指数90,色温4 000K,光通量为5 500lm,配光曲线如图5 所示。中部区域上空选用的LED 灯,灯具功率为120W,额定电压为220V,显色指数90,色温4 000K,光通量为12 820lm,配光曲线如图6 所示。

图5 50W LED 灯配光曲线

图6 120W LED 灯配光曲线

2 照明空间指标分析

本文通过DIALux 照明设计软件进行仿真计算。 DIALux 软件是DIAL 公司联合多家国际知名照明厂家共同研发的一款照明设计软件,通过对照度模拟值和照度实测值的对比,得出该软件的平均误差仅为1.2%,因此,利用DIALux 软件进行同一室内空间分析不同光源照明的结果,可以模拟真实数据。

2.1 照明设计标准

根据规范TB 10089-2015《铁路照明设计规范》,候车大厅照度值详见表1。

铁路旅客车站内候车大厅照明标准值 表1

襄阳东津站为客运专线铁路旅客车站,站房远期(2030 年)高峰小时发送量为4 500 人,最高聚集人数为4 000 人。 根据GB 50226-2007《铁路旅客车站建筑设计规范》(2011 年版)第1.0.5 条,本工程属于中型铁路旅客车站,故本文设计的站房候车大厅照度要求值为150lx。

2.2 灯具布置

候车大厅等场所可采用不同的布灯方式,但在使用下射筒灯的情况时,在距高比一致、照明功率一致、照明功率、灯具总量相同的前提下,通过选择合适的配光曲线的灯具,不同布灯方式对照度影响不大,差别基本在5%以内。 本文考虑天花形式和维修马道等因素,候车大厅上空灯具采用双灯组合的布置方式。 照明指标是根据陶瓷金卤灯、LED 灯采用相同的布置方式下得出的结果。

本项目根据双灯组合的布置方式,中部区域采用大功率的灯具,两侧候车层夹层的上空采用较小功率的灯具。 候车厅布置图如图7 所示。

图7 灯具布置图

2.3 照明计算结果

灯具布置完成后,利用DIALux 软件进行照度就散,得到陶瓷金卤灯和LED 灯在相同灯具布置方式下的候车层区域照度曲线,如图8～9 所示。

图8 陶瓷金卤灯照度等值线

图9 LED 灯照度等值线

2.4 照明设计综合分析

候车大厅采用陶瓷金卤灯布置时,地面平均照度为188lx;采用LED 灯布置时,地面平均照度为184lx,以上两种光源均可以满足设计指标要求。

两种灯具的照明总功率统计如表2 所示。

灯具数量及功率汇总表 表2

由于陶瓷金卤灯单灯功率较大,同时考虑金卤灯自电感镇流器的消耗。 LED 灯相较于陶瓷金卤灯的节能用电量为31.9%。 因此,LED 灯的使用在站房后期运营具有很明显的节能效果和经济优势。

3 LED 灯对比传统灯具的优势

3.1 LED 灯节能优势

LED 灯具与其他传统照明灯具相比,在调光方面也有较大优势。 调光控制并不会对LED 灯具的使用寿命和工作效率带来影响,反而如果对LED 灯具进行合理调光控制,还会降低LED 结节的温度,延长LED 灯具的使用寿命。 LED 作为半导体二极管可以实现快速开通关断控制且开关速率可以达到微秒以上。 因此,可考虑对LED 灯具进行调光控制。

本项目采用PWM 调光原理,在脉冲周期恒定(10ms)的情况下,控制脉冲的宽度及占空比。 此时,在通电瞬间作用在LED 上的电流是恒定的,因此,色度也是恒定的。 通过改变通和断之间的时间比例,考虑到人眼的视觉暂留特性,就可以调节LED 的亮度。 因此,通过LED 调光可进一步降低灯具的损耗。

总体来说,陶瓷金卤灯等传统灯具亮度不能进行线性的控制,且实际运行功率比额定功率高10%;而LED 灯具实际运行功率就是其额定功率,且通过调光控制可进一步降低运行功率。 LED 灯具的光衰相较传统灯具也较小,10 000h 衰减不到10%,但光通量维持率依然可以达到91.6%,在使用期间可以持续保持很高的发光效率,实现节能环保的效果。

3.2 LED 灯与装饰结合性优势

本项目结合装饰天花布置,中部顶棚为打破吊顶呆板样式设条形灯光带,营造更加灵活的光环境。 条形灯光带长度为18～36m,如图10 所示。

图10 顶棚装饰线条效果图

由于LED 灯在长宽等尺寸任意定制,且LED 灯具之间的安装可以做到无缝拼接,因此,LED 灯具有传统荧光灯无法替代的优点,更能够满足人民对生活舒适性的需求。 LED 在显色指数方面也具有更大的优势,更利于对色彩差别的分辨,提高视觉辨识效果。

3.3 LED 灯安全性优势

金卤灯在关闭后再启动时需要5 ～10min,LED灯启动时间只有60ns。 在照明回路供电故障切除后恢复供电时, LED 灯快速点亮的特性,更适用于高铁站房这类人员密集场所。

4 结束语

本文通过对高铁站房候车大厅照明设计中陶瓷金卤灯与LED 光源的对比分析,证明了LED 光源应用于站房照明的可行性。 LED 光源在运行中具有能耗更低,并且其设计寿命与运行寿命都远高于传统灯具等特点,且铁路站房照明应用LED 光源,在候车大厅、贵宾室等区域可通过调光达到更好的舒适性,在构建站房畅通融合、绿色温馨、节能环保方面具有很大的优势。