浅谈城市地铁智能照明系统的能耗分析及节能措施

0引言

中国近40年经济快速增长，面临快速城市化挑战。城市轨道交通成为发达国家主要交通方式。2016年，43个城市获建设许可，比2012年多8个。"十三五"期间，新建城市轨道交通5357公里，年均1071公里，是"十二五"的近4倍。预计到2020年，地铁总里程8000公里，投资2万亿元。为实现可持续性，研究人员和从业者正寻求合适的资源管理方式。地铁工程复杂，需全面能源管理策略优化能源使用，确保能源供应。地下地铁网络需满足卫生、舒适要求，是高能源消耗者。

1方法

本文介绍了一种结合DIALux软件和BECH工具的智能照明控制系统，旨在优化车站照明性能并减少电力消耗。通过集成能源分析软件，创建了节能模型以验证能源效率。系统利用BECH的仿真数据和实际测试结果进行比较，证明了其有效性和实用性。智能照明控制系统通过深入分析建筑能耗，执行智能分析、反馈和控制流程，同时优化照明方案。该系统不仅关注高能耗模块，还深入研究能耗细节，为地铁照明智能化管理提供支持，并为建筑能源分析贡献了一种新方法。

2光源分布优化

照明装置的布局通常利用有限元法、蒙特卡洛法或线性优化软件计算。工程师应采取成熟方法，确保视觉舒适同时减少能源和维护成本。城市轨道系统需减少能源消耗以降低成本和环境影响，因此，通过人工智能技术优化光源分布对节能和环境改善至关重要。

从功能角度分析，地铁站可划分为四个主要区域：出入口区域、站厅区域、站台区域以及工作区域。在照明设计方面，每个区域的侧重点各异。照明的强度应当恰到好处，避免过度，以确保每个区域的照明设施能够尽可能地降低电力消耗。特别是工作区的照明设计，其目的是为了满足员工日常工作的需求，而非直接服务于乘客的使用。

2.1出入口区域

入口和出口区域作为地下与地面空间的过渡，光适应时间较短，约1分钟。这些区域应结合自然光和人工光，以自然光为主，不足时辅以人工照明如聚光灯和筒灯。为吸收更多自然光，建筑材料应选用透光性强的材料，如玻璃。同时，应考虑灯具的方向性，以增强乘客的方向感。

2.2车站大厅

车站大厅宽敞，包含多个功能区，各具特色。灯具多样，可以混用，以强化空间特点和照明效果。此外，过渡区照明需有导向性，确保空间间过渡自然，照明布局和谐，确保重点突出。辅助区域通过明确界限相连。站厅照明标准为100至200勒克斯，照度均匀度至少0.7，推荐0.8，色温范围3000至6000K。

2.3站台区

站台区作为候车区与出入口区的连接，旨在提供舒适的等待环境，因此调整了照明光源和色温。出于安全考虑，站台与列车运行区之间安装了屏蔽门，并配备了主照明设施，如荧光灯形成的光带，以明确站台与列车间的界限，预防事故。

3 照明节能管理系统

大连地铁1号线引入了基于DALI的智能照明节能系统，通过精确控制不同区域的照明，旨在减少能耗并提升乘客舒适体验。

3.1照明面积分布

大连地铁1号线的照明系统分为三个主要区域：地铁站、站台和出入口。每个区域都有特定的功能需求。地铁站照明包括客流、售票、广告、楼梯和扶梯区域。站台照明涵盖客流、休息区、屏蔽门灯带和高低交换区。出入口照明则包括客流区和室外高低交换区。

3.2系统功能设计

大连地铁1号线的智能控制系统包括中央控制机、控制网关、配电开关、DALI模块、照明和红外传感器。照明系统分为六个子系统：客流区域、附属设备、广告、休息区、车门照明和室外区域。

细化技术用于控制照明分布，确保地铁乘客基本照明需求和公共设备使用。照明系统智能控制，根据客流自动调整亮度。辅助功能区照明随乘客移动变化。广告区照明根据灯箱附近亮度调节。乘客休息区照明根据是否有人在场调整。屏蔽门灯带区域照明用于提醒乘客上下车。室外区域，室内传感器检测自然光，决定是否调整室内照明。

4结果

本节介绍使用DIALux软件，基于CAD结构对中国大连地铁站进行优化、模拟及能源性能分析，旨在改善地铁站关键区域的照明布局设计。

4.1优化的人工智能照明分布模拟

以西安路地铁站厅为例，探讨了照明节能现状和设计，使用DIALux软件进行照明分布优化。DIALux是专业工具，具备环境模拟和数据分析功能。

4.1.1现有能源消耗和管理模式

照明系统在80x30x5米室内空间的原始设计得到改进。双港地铁站厅的灯具排列有序，但未针对不同区域的照明需求设计，未能有效引导乘客。所有灯具使用同类型的LED灯，色温为3000-6000K，功率49瓦，尺寸2x0.2米。每隔5米安装一盏，共15盏，垂直间隔1米，每串10个灯，总计150个灯。简化模型见图1。

图1地铁站灯具布置图

将方案导入DIALux进行分析，发现选定的灯光布局和灯具存在问题。3D效果图显示，过于有序的灯光布置无法满足不同区域的功能照明和引导需求。灯具过于密集导致照度超标，不仅造成不适和能源浪费，还高于标准照度值。

图2地铁站灯光布置的3D效果图

将原始文件导入DIALux软件后，可生成光分布曲线效果图，便于计算年总能耗为42336kWh（150盏灯*49瓦*16小时/天*360天）。

4.1.2灯具布置优化模拟

审查整个照明系统布置以实现节能照明配置至关重要。地铁站厅室内尺寸为80米长、30米宽、5米高，材料包括天花板、地板、墙壁和工作面已确定。相关设施如闸机、TVM、安检和员工服务区的位置和材料也已确认。部分结构如柱子可能用于商业用途，表面材料设定为墙纸，其他结构材料则依据常用材料设定。

选择照明设备类型和空间布局时，应遵循地铁站厅照明和色温要求，将智能照明设备主要布置在入口、出口、TVM、安检和过渡区域，以确保满足主要照明需求。

光分布曲线展示了人工智能照明设计的结果，显示光从光源发射并分布到空间的方式。它描绘了照明强度和光分布，反映了空间内的光分布状态。该方法记录了不同方向的照度，显示了光通量、光源数量、功率因数、尺寸和效率。智能配光曲线与灯具类型的选择紧密相关，包括发射器形状、透明部件、光源和位置。曲线提供了三种表示方法：极坐标法、直角坐标法和等角曲线法。

4.2智能照明节能控制模型的运行

建立模型后，可确定地铁照明分布并用软件计算模型系数，实现智能照明控制。结合自然光和智能控制算法，旨在降低能耗，营造舒适光环境，提升工作效率。

智能节能模型根据时间和照明需求自动调整亮度。高峰时段使用全亮度模式，非高峰时段则切换到一般模式。所有区域的照明需求控制在负荷的90%～100%以内，不同区域根据流量和功能需求调整照明强度。例如，流量低的区域照明需求为负荷的60%，而高流量过渡区则低于70%。晚上乘客少时，系统启用低峰值模式。节假日，工作人员可自由调整照明模式，系统还提供空白模型供定制照明需求。

4.3节能效果

使用DIALux软件，分析了大连地铁1号线双港站的照明数据，评估智能照明系统的节能效果。站点共有776盏灯，包括192盏屏蔽门灯带（10W/盏）和584盏功能灯（22W/盏）。收集完数据后，进行了系统模拟。

智能照明系统预计将每天减少约100kW电力消耗，每年节省21876元电费，并减少363905吨碳排放。大连地铁1号线年能耗为2亿kWh，24个车站平均年能耗为22831.1kWh，日均6849.31kWh。照明系统能耗占总能耗14.05%，符合中国政策法规要求，且优于世卫组织标准，占地下车站能耗37%。提出的解决方案有助于降低地铁照明系统负载，满足平均消耗要求。

5安科瑞智能照明控制系统

5.1概述

ALIBUS智能照明产品运用了成熟的RS485总线技术，确保了技术的可靠性和系统的安全稳定性。其开关驱动器拥有独立运作的能力，特别适合中小型项目的需求。此外，该产品采用了模块化设计，支持灵活的拼接与扩展。它还配备了预留的I/O端口和Modbus接口，便于与AcrelEMS企业微电网管理云平台进行数据交换。

5.2应用场所

适用于各种智能住宅区、医疗机构、教育机构、酒店以及体育场馆、机场、隧道、车站等大型公共建筑项目的照明控制系统需求。

5.3系统结构

5.4系统功能

1）实时监控模块在线状态和现场回路开关状态，界面按楼层分区和回路列表展示。

2）模块离线、网关设备掉线或状态反馈与控制命令不一致时，系统会触发故障报警，并记录及展示报警信息。

3）实现照明回路的开关控制，每个模块和楼层均设有控制开关，支持单独模块或整个楼层的开关操作。

4）开关驱动器具备过零触发功能，仅在交流电过零时操作负载，减少电磁干扰和电网冲击，延长灯具和控制装置寿命。

5）每个照明回路可设定掉电模式，电源断电时自动切换至该模式，保证电源恢复后灯具状态可预测且可控。

6）拖动调光控件可调节照明设备亮度，实现对单个或多个照明回路的控制。调光总控可管理一个或多个模块的照明回路。图标显示的亮灭状态表示现场开关的当前状态。

7）点击场景控件可切换场景设置，界面上展示不同模式和功能，图标亮灭表示状态。

8）设定定时器，选定时间后，配置事件发生时的相应动作，如设定灯光在特定时间开启或关闭。

9）系统利用预设经纬度自动计算日出日落时间，并根据天文时钟控制照明，实现日落后开灯、日出时关灯。

10）所有定时控制计划可保存至驱动模块，即使上位机故障或模块离线，驱动模块的RTC时钟也能保证计划正常执行，不影响照明控制。

11）系统采用分布式总线结构，各组件能独立运作，且可通过程序设定实现多功能性。

12）预留与BA（楼宇自动化）或第三方集成平台的接口，支持Modbus、OPC等协议。

5.5设备选型

6结束语

本文探讨了地铁照明系统的节能潜力，回顾了环境要求和智能照明技术的发展。分析了地铁站不同区域的照明需求，并利用DIALux软件设计了节能方案。通过实证研究验证了智能照明系统在降低能耗、延长灯具寿命和提升工作效率方面的优势。智能照明控制技术在负载控制、电流测试和开关灯方面优于传统方法，提高了地铁照明的管理效率。研究将照明节能方案与能源分析软件结合，为节能型建筑提供了参考。

参考文献:

[1]夏玮东.地铁车站照明系统能耗分析及节能对策[J].中国设备工程,2021(03):26-27.

[2]尚琳皓.城市地铁智能照明系统的能耗分析及节能措施

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022年05版