地铁工程采用光导照明系统的可行性研究
摘 要:研究目的:目前国内地铁普遍采用电力照明，即使采用高效节能的灯具，也会产生能源的大量消耗，增加空调负荷，排放二氧化碳，不能从根本上解决节能环保问题。寻求利用自然光进行照明的研究是十分必要的。
研究结论:通过研究分析表明，光导照明系统比电力照明更节能、更环保、更安全，能够带来可观的社会和经济效益，可以有效地减少白天的照明电耗; 充分利用太阳能，做到了零碳排放; 在地铁工程中采用光导照明系统是可行的，值得加以推广应用。
关键词:地铁; 光导照明系统; 节能; 可行性研究
随着国家能源政策的推进，节能环保意识已经越来越深入人心。作为工程设计人员更应该积极掌握国内外先进技术的动态，在自己所从事的领域加以引进利用。目前，国内地铁仍以电力照明为主，没能从根本上解决节能环保问题，而光导照明系统在国外已有成熟的应用。国内自 2008 年奥运场馆大规模采用光导照明，才开始受到人们的注意，但在地铁工程中还未见有应用。本文主要介绍了光导照明系统的原理，通过技术经济比较得出光导照明比电力照明更具优势，旨在为现有地铁照明方式提供借鉴。
1 光导照明系统的原理
光导照明又叫日光照明、自然光照明、管道天窗照明、无电照明等。室外自然光透过采光器进入系统内部，然后经过光导管高效传输到管道底部，再由高透光、高扩散的漫射器将自然光均匀照射到室内需要光线的任何地方，得到由自然光带来的特殊照明效果。从黎明到黄昏，甚至是雨天或阴天，光导照明系统导入室内的光线仍然十分充足。
光导照明系统主要分为三大部分: 位于室外的采光器、光传导部分( 光导管) 和位于室内的漫射器，如图 1 所示。
采光器一般由 PC 材料注塑而成，外表面经过抛光处理，透光率高。采光器外表面可以附一防紫外线的涂层，一方面可使进入装置内的紫外线大大减少，另一方面也能延缓采光器的老化过程，使装置经久耐用。采光器能过滤 90%以上的有害紫外线，有利于人的健康，对室内物品不会产生影响。采光器的外型主要为半球形或钻石形，表面平滑，灰尘不易存留，具有自洁功能。
光导管材料一般为铝板镀膜，厚度 0． 4 mm，五层特殊膜确保了光线的高效传输和稳定性，材料全发射率高达 98%以上。光导管外型可为圆型、方型。
漫射器由 PC 材料或 PMMA 材料制成，具有良好的透光性、漫射性和非常好的隔热、隔音效果，不易着火且离火自熄，显色性好，光线柔和，无眩光。漫射器可制成各种类型，如磨砂型、颗粒型、钻石型、圆型、方型等。
目前，采光器和漫射器已经能够实现国产化，而光导管的研制和应用领域仍然十分落后，还不具备大规模生产光导管的能力。主要原因在于光导管用的高反射率薄膜我国还没有掌握其生产工艺，光导管的传输效率有待于进一步提高，在基础理论研究和产品设计、实践操作等方面的工作还很不够，因此在我国光导管技术还没有大规模进入市场。这也有待于国内企业加大研发力度，攻克技术难题，实现光导管的国产化。
2 光导照明与电力照明的比较
下面以南方地区一个典型地下车站为例，从技术经济等方面对光导照明与电力照明进行比较，来说明应用光导照明系统的可行性。
2． 1 方案设计
根据规范要求，地下站厅的照度标准值为 200 lx，对应的照明功率密度值为 12 W/m2，照度均匀度不小于 0． 7。站厅公共区的面积为 1 400 m2。根据该地区所属的光气候分区，要达到 200 lx 的平均照度，需要48 套光导照明系统，平面布置如图 2 所示。
2． 2 投资经济分析
2． 2． 1 费用分析
光导照明与电力照明相比，节省的是运行费用，分析如下:
2． 2． 1． 1 电力照明耗电费用
光导照明系统适合于白天使用，平均每天采光照明10 h 左右。站厅层光导照明系统照明面积为 1 400 m2，单位面积用电量为 12 W/m2，电费以 0． 9 元/kWh 计。
一天日间的照明用电量为: 1 400 ×12 ×10 ÷1 000= 168 kWh。荧光灯镇流器耗电量约占照明用电量的10% 左右，因此，一天日间的总照明用电量为: 168 ×1． 1 = 184． 8 kWh。 一年日间的总照明用电量为:184． 8 × 365 = 67 452 kWh。一年日间照明总用电费用为: 67 452 ×0． 9 =60 706． 8 元，即约为 6． 1 万元。
2． 2． 1． 2 电力照明维护费用
电力照明设备清洁费约为: 1 万元/年，更换费约为: 1． 9 万元/年。光导照明系统便于清洁，因其设计的采光器为半球形，可以利用雨水、风吹将采光器上面的灰尘冲刷干净，可达到自洁效果，免去了电力照明人工定期清洁的费用。每年用自来水冲洗一次，2 人，半天，约合 1 个工作日，可忽略不计。
综上所述，电力照明一年的运行费用约为: 6． 1 +1 + 1． 9 = 9 万元。
2． 2． 2 静态投资回收期分析
该车站 48 套光导照明系统总投入费用约为:70 万元( 包括安装费用) 。
光导照明比电力照明年度总节省费用约为:9 万元。
项目静态投资回收期约为: 70 ÷ 9 = 7． 8，即约为8 年。
光导照明系统的使用寿命约为 25 年，应用光导照明系统只有首期投资的问题，它的应用范围越大，经济回收期就越短，应用效果就越明显，因此，光导照明不失为地铁车站照明的一种合适的解决方案。
2． 3 节能减排分析
我国现在是以火力发电为主的国家，火力发电厂所使用的燃料基本上都是煤炭，全国煤炭消费总量的49% 用于发电。每节约 1 度电，就相应节约了 0． 4 kg标准煤和 4 升净水。在此案例中，采用光导照明系统年度节电 67 452 度，则节约标准煤 27 t，净水 270 t。使用煤炭发电，煤炭属于不可再生能源，无法与清洁、绿色、自然的自然光相比。
在生产电力的同时会释放二氧化碳等有害气体，并伴随着热污染。节约用电意味着阻止了二氧化碳等有害气体排放到大气中，达到了减少污染物排放的效果。根据国家标准，每生产一度电就会释放不同量的有害气体，其数值如表 1 所示。在此案例中，采用光导照明系统年度节电 67 452 度，其减少的污染物排放量一并列在表 1 中。
减少热排放意味着减少了空调制冷的消耗，也是节电的一种表现。据估算，采用光导照明系统后，可以减少 10%以上的空调制冷消耗。
2． 4 健康安全分析
太阳光系全光谱辐射，可使人的机体内产生维生素等多种营养物质，而且人们在自然光下活动，在心理和生理上感到舒适愉快，对人的身心健康十分有利。自然光还能消除居室内的霉气，抑制微生物的生长，改善室内居住环境。地铁车站公共区域人流量特别大，各类病菌容易产生，将阳光引进车站后，可以减少细菌滋生，对公共健康起到重要的作用。可以有效减少流行性病毒在地铁车站的传播。
光导照明系统直接传输自然光，全光谱、无频闪、无眩光，光线柔和，使得照明环境更加舒适，减少疲劳和灯光引起的各种疾病，提高工作效率。
在特殊情况下( 自然灾害等) ，电力照明有可能全部瘫痪，引起安全问题。光导系统则不受电力的影响，可以继续给地铁车站提供照明，避免了这类安全隐患。有资料显示，由于线路老化和弧光短路所引起的设备损坏、火灾和人身伤害事故有递增的趋势。而这对于埋藏于吊顶内的照明线路而言，就更应该引起人们的警觉。采用光导照明系统后减少了电力照明的工作时间，延长了线路的使用寿命，因此也就减少了因用电引起的火灾隐患。
电力照明系统中普遍使用的荧光灯中，含有大量对环境存在严重危害的汞、砷、锶等重金属离子，寿命周期短，回收困难，威胁着人们的健康。而光导照明系统各部件可回收利用，燃烧时不排放有毒气体、不分解有毒成分。
3 光导照明的拓展应用
3． 1 光导电力一体化装置
可将电力照明系统安装于光导照明系统内部，节省吊顶的使用空间，同时还可以满足装修效果的要求，达到美观、实用。
3． 2 光导光伏一体化装置
附加光伏系统可以避免安装电力照明系统，白天使用光导照明系统采光照明，晚上利用光伏系统照明。
3． 3 自然采光与自然通风的结合
开发与自然通风相结合的光导管系统将进一步拓宽光导管的应用范围，满足建筑物对自然采光和自然通风的要求，可以使光导管的功能更加完善，在采光的同时使室内保持良好的自然通风，对于建筑节能和改善室内空气品质具有积极意义，必将得到更大的发展。
4 实施中的注意事项
当车站位于交通要道时不适合应用光导照明系统，因为采光器位于地面会影响车辆通行。处于绿化带内的车站，以及高架车站、车辆段、控制中心、主变电所等位于地面的地铁建筑物适合采用光导照明系统。由于光导照明系统安装时需要预留孔洞，而且需要与车站内的综合管线协调，避免发生冲突，因此就需要相关专业紧密配合，做到顺利实施。
5 结论
光导照明系统能够让人们享受到自然光带来的舒适的照明效果，避免了日间电力照明固有的能源浪费和安全隐患，延长了灯具的使用寿命，同时还降低了人工维护和设备更新成本，能够带来可观的经济效 益。
应用光导照明系统是一种可持续发展的需要，是一种可见成效的投资。光导照明响应了低碳号召，做到了零碳排放，减少能源尤其是不可再生资源的消耗，是一种绿色、健康、安全的产品。
根据地铁建设和运营经验，照明系统在设备负荷中占有较大的比重，并且具有长期持续运行的特点，所以照明系统是节能的重点领域。因此，可以因地制宜地在地铁工程中采用光导照明系统，替代现有的电力照明方式，真正做到节能、环保。
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