带上盖物业开发的地下地铁停车场绿色照明方案简介
孟军锋，李军华，杨 超，姜同伍，谭 圆，刘必金
(1.中铁武汉勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430000；
2.武汉铁路职业技术学院，湖北 武汉 430000；
3.中国铁路武汉局集团有限公司武汉供电段，湖北 武汉 430000；
4.帕尔菱科(常州)智能照明有限公司，江苏 常州 213000)
2021年9月22日，中共中央、国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，今后减少碳排放、降低能源消耗变得尤为重要，照明领域是需要着重考虑的方面。
国际电工委员会(IEC)标准IEC TS 63105:2021(E)和我国国家标准《照明系统和相关设备术语和定义》(GB/T 39022—2020)中给出了智能照明的定义: 智能照明也称为“自适应照明”，是指根据环境或预定义条件自动调节以提供所需求质量的照明。这就要求我们根据所处的环境、照度要求，预先设置好相应的照明系统。再根据外部的条件和变化，采用智能照明技术对灯具实现自动调节[1]。
在照明设计中，满足照度功能要求的同时要大力采用节能技术。如何节能管控、如何利用自然光，在工程设计中要作为重点考虑。目前在地下车库等场所，也有设置导光管采光系统，利用太阳光达到很好的照明节能效果。但现行做法通常是导光管采光系统独立设置，与库内设置的配电型智能照明系统独立运行，虽然都能达到照明的效果，但还不够经济、节能、智能化，业主前期的建设投入并没有达到预期的效果。另外目前大多数灯具无法调光，或者调光后影响设备使用寿命，大大制约智能调光技术。
本工程为某地铁地下停车场。停车场分为地下集中布置区域和地上集中布置区域。停车场作业线路全部为地下线。运用库、附属辅跨用房、风机夹层、咽喉区、牵引降压混合变电所、洗车机库整体设置在地下，综合楼、污水处理站、门卫楼整体设置在地上。本项目地上计容建筑总面积约7 418 m2，地下计容建筑总面积约53 700 m2，以上均不含物业开发面积。物业开发包括落地开发和上盖开发，含住宅、学校、商业等。项目总体鸟瞰图如图1所示。
图1 项目总体鸟瞰图Fig.1 Overall aerial view of the project
本工程运用库为地下戊类厂房，火灾危险性较小，运用库内部划分为上、下两个防火分区，防火分区面积分别为22 428m2、18 785m2。咽喉区区域平时基本上无人员作业，火灾危险性较小，咽喉区不再划分为独立的防火分区，采用防火隔墙和防火卷帘与运用库分隔为两个不同的区域。运用库及咽喉区四周设置有通道，净高6～10 m，净宽约14 m，顶板均匀开孔，开孔率为30%，如图2所示。
图2 项目总平面布局示意图Fig.2 General layout of the project
咽喉区顶部设置采光通风井，保证各最不利排烟点距风井距离不大于30 m，通风口面积不小于咽喉区建筑面积的5%，满足自然通风和自然排烟要求。咽喉区平面布置及局部效果如图3、图4所示，咽喉区建筑参数见表1。
表1 本项目建筑规模数据统计表Table 1 Statistics of construction scale of the project
图3 咽喉区平面布置图Fig.3 Layout plan of throat area
图4 咽喉区盖下局部效果图Fig.4 Partial effect under the cover of throat area
根据《城市轨道交通照明》(GB/T 16275—2008)中表4城市轨道交通各类场所正常照明的标准值，咽喉区参照道岔区照度标准值按50 lx设计[2]。为了尽可能利用自然光，轨行区顶设置了通风采光井，四周有消防车道，车道上方有30%开孔率。考虑到咽喉区上部为绿化，四周无遮挡，设计中考虑利用太阳光的导光管采光系统，结合通风采光井均匀布置。利用调光技术将导光管采光系统、通风采光孔自然光和人工照明三者整体结合。在满足使用功能的前提下白天尽可能充分利用自然光，在晚上自然光无法满足的情况下，合理利用人工照明。
根据《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)，本工程属于光气候分区IV区，武汉地区全年平均照度 30 klx≤Eq<35 klx，共采用94套球型sundome530型号导光管采光系统,设置在咽喉区顶板上方。不开启人工照明灯具时，以全年平均照度35 klx进行照度计算，导光管采光系统照明范围室内的平均照度为75 lx，考虑到通风采光孔的自然光，白天可满足正常照度要求。另外设置了150个75 W LED工矿灯，在晚上或白天光照不好的情况下，开启相应照明灯具。导光管及灯具局部布置如图5所示。
图5 导光管及灯具局部布置图Fig.5 Partial layout of light guide tube and lamps
按照全年7：00—17：00采用导光管采光系统及通风采光孔可满足照明需求，这个时间段关闭照明灯具，经粗略计算，全年可节约电能40 500 kWh，换算成碳排放减排约40 378 kg，即40吨二氧化碳。
(1)智能照明及调光框架。
一种结合电光源、自然光的智能调光系统，包括导光管采光系统、灯具、照度传感器以及智能照明控制系统。其中，灯具为可调光灯具，灯具和照度传感器均与智能照明控制系统连接，智能照明控制系统预先设置咽喉区库下照度值。光照传感器通过数据线或红外方式传输至智能照明控制系统主机，实时控制灯具开和关，智能照明控制系统主机可连接多台照度传感器，如图6所示。
图6 智能照明及调光框架图Fig.6 Frame diagram of intelligent lighting and dimming
(2)导光管采光系统。
本工程设置了一种集成智能照明与防盗的导光管采光系统，该系统包括采光罩、防雨套圈、导光管、漫射器、照度传感器、防盗装置；
采光罩固定在防雨套圈上面，防雨套圈通过固定螺钉与屋面预留墩台结合，防雨套圈与库顶结合处设有多层防雨层，导光管的顶部与防雨套圈固定在一起，导光管底部设置一个转接盒，转接盒的上面通过加强固定吊索与导光管通过螺栓螺母及密封胶连接，以加强稳固性，转接盒内设有防盗装置。在漫射器侧边下方设置光照传感器，上方采用加强固定吊索固定，可与转接盒共用固定吊索，通过所测光照度，实时反馈到总智能照明系统中，结合照度要求控制配电型灯具开和关，达到节能效果[3]，如图7所示。
1.采光罩；
2.螺栓；
3.防雨套圈；
4.漫射器；
5.屋面预留墩台；
6.加强固定吊索；
7.转接盒；
8.照度传感器；
9.导光管图7 导光管采光系统Fig.7 Lighting system of light guide tube
(3)灯具选用。
咽喉区层高6～10 m，盖上为绿化公园，盖下为轨行区，设有线路轨道和道岔。设计之初，经运营部门反馈，轨行区灯具在运营期维修困难，高空作业存在操作风险。因此，本工程考虑了更智能、更方便更换的升降式一体灯具，其具有以下几个特点[4]：
①安全可靠。把高空操作的工作降到地面上来进行，避免了坠落的危险。检修时自动断开电源避免了触电的危险。
②现场操作便捷。减少维护或更换的时间，不受时间和场地限制，随机升降，地面作业。
③提高效率。通过遥控+线控等多种智能控制方式，高效工作，提高日常维护效率。遥控器或面板控制升、降、停，可单个控制也可群组控制，根据客户的要求进行调光。
④降低费用。可以节省每次安检、清洁、更换灯具所需设备及人员投入，最大化减少因检修停电带来的损失。
(4)照度传感器。
如图8所示，照度传感器中，有供电线路与通信线路，供电线路多采用直流方式，通信线路可采用无线传输或总线传输模式，通过照度传感器将导光管周边照度实时反馈到智能照明系统主机，智能照明系统主机再根据照度值自动控制区域内配电型灯具的开或关。
图8 照度传感器接线图Fig.8 Wiring diagram of illuminance sensor
(5)整体照明方案。
根据《照明设计手册(第三版)》[5]中照度计算：
Eav1=N×Φ×U×K/A
(1)
式中，Eav1—电光源照度值，lx；
Φ—光通量,lm；
N—光源数量；
U—利用系数；
A—工作面面积，m2；
K—灯具维护系数。
根据《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)[6]中照度计算：
Eav2=n×Φu×CU×MF/S
(2)
式中，Eav2—导光管采光系统照度值，lx；
n—导光管数量；
Φu—导光管采光系统漫射器的设计输出光通量，lm；
CU—导光管系统的采光利用系数；
MF—维护系数；
S—房间面积，m2。
通过导光管采光系统为室内提供照明，并通过设置的照度传感器实时监测室内的实际照度值Eav。
在不开启配电灯具的情况下，通过智能照明控制系统将照度传感器检测到的导光管采光系统照度值Eav2与预设的规定照度值(如50 lx)对比，若实际照度值低于需求照度值，则控制开启配电灯具或增加灯具亮度。在开启配电灯具的情况下，若实际照度值Eav超出需求照度值，则控制灯具关闭或降低灯具亮度，使室内的实际照度值达到需求照度值或最大限度地接近所述需求照度值。
其中，优先通过导光管采光系统为室内提供照明，并通过照度传感器实时检测室内的实际照度值Eav，当仅通过导光管采光系统无法满足需求照度值，即仅有导光管采光系统时的实际照度值低于需求照度值时，智能照明控制系统才控制开启灯具，在灯具亮度可调范围内，调节灯具亮度使室内的实际照度值达到需求照度值或最大限度地接近所述需求照度值。在两者光源均可照射到的区域内，计算出两者照度值叠加后的计算照度值，在满足规范规定的照度值基础上，在照明控制箱内关掉部分配电型灯具，达到节能的要求，如图9所示。
图9 导光管与电光源控制示意图Fig.9 Control diagram of light guide tube and electric light source
(6)调光方法。
常用照明控制一般有KNX/Wi-Fi/DALI/电力载波等，其中KNX和DALI可靠性高，施工难度低，大量应用于办公楼、体育馆等[7]。调光方式常用模式有：DALI调光和1～10V调光两大类。比较两类调光方式可发现，DALI调光具有调光质量高、可调控范围广、性能稳定等特点。考虑到地铁工程的建设规模及重要性，地铁车站的调光控制建议采用DALI调光方案[8]。
本工程的智能照明系统采用KNX总线技术设计的控制系统，KNX总线作为总线线缆，将所有的智能照明控制模块连接到一起并组成一套完整的控制系统，在每个控制箱采用DALI调光，可实现对停车场所有灯具的单独或集中管理和控制，并在总的管理平台上统一监视。根据自然光实际照度状况，利用照度传感器和DALI调光方式来控制该区域照明，以实现环境光照度低时开灯及增大灯具亮度，照度达到需求时关灯及减少灯具亮度，实现节能效果。采用控制屏进行手动触屏控制或后台软件控制，触控屏可就近修改相关时间场景参数或调光参数。采用智能照明系统，可根据现场的运维管理特殊化定制各种场景，图形界面应为图形与文字相结合的全中文界面，界面形象、功能丰富、操作方便。本智能照明系统主要由控制室智能照明控制主站、智能照明控制箱、被控制区域控制屏、调光线缆和照明总线组成，如图10所示。
图10 智能照明系统框架图Fig.10 Frame diagram of intelligent lighting system
控制室智能照明管理平台由智能照明控制主机、服务器、维护终端电脑主机含照明控制软件、网络交换机、IP路由器、电源模块、场景和时间模块组成。通过KNX照明总线至每个控制区域。UTP CAT5e以太网线连接网络交换机、智能照明控制主机和服务器。根据被控制区域，设置有多个照明控制箱，每个照明控制箱内设置有网关，每个回路采用调光线缆将网关与每个灯具自带的调光镇流器相连，再用照明控制总线与控制室相连。通过这种方式可实现控制室照明管理平台对每个照明控制箱控制区域内灯具的调光控制。
随着新发展理念的深入和碳达峰碳中和的政策背景，照明领域节能和降碳越来越受到重视。本文针对上盖物业开发的咽喉区，结合建筑特点，充分利用清洁能源自然光，是照明和建筑结合考虑节能的一个典型案例。本工程通过设置导光管采光系统，结合通风采光井，将太阳光的导光管采光系统、通风采光孔自然光、配电灯具光三者整体结合，在满足使用功能的前提下尽可能充分利用自然光；
通过智能照明控制，在每个被控制区域，设置有触控屏，可就地控制某一个区域或全部区域。为了进一步减碳，采用了可升降式、可调光的LED一体化灯具，大幅减少了运营成本。利用KNX与DALI结合的调光方法，开/关照明灯具和调整照明灯的功率，达到节能目的。由于篇幅所限和笔者水平有限，本文对地铁停车场绿色照明方案进行了简要的介绍，后期调光带来的谐波和LED灯启动带来的冲击电流等问题，有待进一步研究。