莊金迅，劉 原

(遼寧科技大學(xué)建筑與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，鞍山114051)

0 引言

在地鐵照明方法的研究中，為了進(jìn)一步控制照明能耗，我們提出了照明功率密度(LPD)控制指標(biāo)。建設(shè)部和國家質(zhì)量監(jiān)督總局聯(lián)合發(fā)布的《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50034-2004)已經(jīng)于2004年12月1日起正式實(shí)施。其中有關(guān)“照明節(jié)能”部分，把各建筑場所對應(yīng)于照度標(biāo)準(zhǔn)的照明功率密度LPD指標(biāo)(即每平方米消耗的電功率)作為強(qiáng)制性條文加以限制。雖然該標(biāo)準(zhǔn)沒有對地鐵照明作出規(guī)定，但是我們認(rèn)為在地鐵照明設(shè)計(jì)中應(yīng)該參照執(zhí)行。

燈具及光源的選擇直接影響到照度和照明功率密度值(LPD)，要同時(shí)滿足照度和照明功率密度值的要求，就必須對照明設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)正確的計(jì)算。否則很可能出現(xiàn)兩種情況:一種是未采用高光效的光源及高效率的燈具，其結(jié)果滿足了LPD的要求，但房間的實(shí)際照度達(dá)不到規(guī)定的照度標(biāo)準(zhǔn);另一種情況是設(shè)計(jì)采用了高光效的光源及高效率的燈具，但房間未進(jìn)行照度計(jì)算，結(jié)果導(dǎo)致照度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)定的照度標(biāo)準(zhǔn)，未達(dá)到節(jié)能的目的。以上兩種情況都不能達(dá)到在獲得良好的地下光環(huán)境的同時(shí)實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能的目的?？梢姷罔F照明計(jì)算不僅關(guān)系到地下光環(huán)境質(zhì)量，而且關(guān)系到照明節(jié)能問題。

地下鐵道系統(tǒng)空間構(gòu)成復(fù)雜，因此其不同空間的照度計(jì)算也不宜采用相同的模式。地下車站各空間的照度計(jì)算大多采用室內(nèi)照度計(jì)算模式，而區(qū)間隧道的照度計(jì)算應(yīng)該采用道路照度計(jì)算更合適。

1 利用傳統(tǒng)方法計(jì)算

1.1 室內(nèi)照明照度計(jì)算

(1)利用系數(shù)法

應(yīng)用利用系數(shù)法計(jì)算被照場地平面上平均照度的基本公式如下:

則，

式中

利用系數(shù)法僅可計(jì)算照明場地的平均水平照度值或估算所需燈具個(gè)數(shù)和照明功率密度，卻不能了解場地照度的均勻性。

(2)逐點(diǎn)法

由利用系數(shù)法選定光源及其功率后，可采用逐點(diǎn)法較驗(yàn)被照場地任意點(diǎn)的水平照度。在燈具、安裝高度和位置都選定的情況下，我們就知道了燈具的配光曲線，燈具到地面的距離，就能計(jì)算該燈具在其附近地面上產(chǎn)生的水平面照度值。把該點(diǎn)附近的每個(gè)燈具在該點(diǎn)產(chǎn)生的照度加起來，即得出該點(diǎn)的實(shí)際照度。結(jié)合圖1分析，計(jì)算如下:

圖1 光源的直射照度計(jì)算

根據(jù)圖1，光源正下方H米處平面上A點(diǎn)的照度(E)為

式中，I0是光源朝向點(diǎn)A方向上的光強(qiáng)(cd)，H為光源距離平面的高度(m)。計(jì)算光源正下方A點(diǎn)的照度只是一個(gè)特例，因?yàn)辄c(diǎn)光源的光線是垂直射向該點(diǎn)的?？墒且话阈枰笳斩鹊狞c(diǎn)，光線都不是垂直照射的，而是以一定的入射角θ入射的，也就是入射光線與豎直向下方向成θ角，如圖1中的B點(diǎn)。求B點(diǎn)的照度，光源對B點(diǎn)形成兩個(gè)照度:水平面照度E1和垂直面照度E2。假如過B點(diǎn)存在一個(gè)垂直于SB的平面W，根據(jù)距離平方反比定律，點(diǎn)光源S對W平面上的B點(diǎn)形成的照度為

由圖 1 可知 E1=E cos θ，E2=E sin θ。又因?yàn)?S，B 間的距離 l=H/cos θ，所以 E=Iθ/l2=Iθ/H2× cos2θ。由此可得，點(diǎn)光源S對其下的水平面上B點(diǎn)形成的水平面照度E1和垂直面照度E2分別為

把各個(gè)燈在B點(diǎn)產(chǎn)生的水平面照度E1加起來即得B點(diǎn)的實(shí)際水平面照度。另外，室內(nèi)照明計(jì)算還有簡化表格計(jì)算法、平面相對等照度曲線法等，這里不一一介紹了。

1.2 道路照明照度計(jì)算

(1)路面上任意一點(diǎn)照度的計(jì)算

可以利用室內(nèi)照度計(jì)算中的逐點(diǎn)法計(jì)算，另外如果可以獲得燈具的等照度曲線圖，那么，可以根據(jù)計(jì)算點(diǎn)相對于各個(gè)燈具的位置找出其照度值，然后再對它們進(jìn)行求和計(jì)算，就可以得到計(jì)算點(diǎn)的照度值。

(2)路面平均照度計(jì)算

假如已經(jīng)計(jì)算出路面上各網(wǎng)格點(diǎn)上的照度，那么就可以根據(jù)式(7)計(jì)算出該路面上的平均照度。

式中

Eav——路面平均照度;

Ei——第i個(gè)計(jì)算點(diǎn)上的照度;

n——計(jì)算點(diǎn)的總數(shù)。

另外還可根據(jù)利用系數(shù)曲線進(jìn)行路面平均照度進(jìn)行計(jì)算。

2 利用照明軟件計(jì)算

2.1 照明軟件介紹

不管采用哪種方法，傳統(tǒng)的照度計(jì)算都是一件很繁瑣的事，而且結(jié)果不夠精確。隨著照明軟件的日趨普及，繁瑣的計(jì)算工作可由計(jì)算機(jī)完成，不但方便快捷而且結(jié)果精確。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及和各大照明企業(yè)間的激烈競爭，國際著名的照明產(chǎn)品生產(chǎn)公司，如 PHILIPS，GE，ERCO，SCHREDER 等企業(yè)都研發(fā)出了根據(jù)自身產(chǎn)品來進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算的照明軟件，并且為了推廣使用自己的軟件以擴(kuò)大銷售量，這些軟件一般都提供免費(fèi)下載;另一方面，一些軟件設(shè)計(jì)公司也投入了巨大的資金和人員來研發(fā)照明設(shè)計(jì)和計(jì)算軟件，并取得了不俗的市場份額。下面僅介紹兩個(gè)常用的照明軟件。

(1)DIAlux

DIAlux是德國DIAL GmbH公司研發(fā)的專業(yè)照明設(shè)計(jì)軟件，中文譯名為“帝爾勒斯”。它的最大優(yōu)點(diǎn)是可以導(dǎo)入不同廠家生產(chǎn)的燈具和光源參數(shù)，并且能夠直接輸出亮度和照度分布圖，非常適合實(shí)際的照明工程設(shè)計(jì)和計(jì)算。操作界面也很友好，簡單易學(xué)。另外，軟件版本的升級也較快，緊密結(jié)合照明產(chǎn)品，不斷有新的燈具和光源插件推出。缺點(diǎn)是其外掛的POV渲染器渲染效果并不出色，另一方面由于太強(qiáng)化產(chǎn)品的照明特性，缺少自然光的模擬。但由于它良好的實(shí)用性能，受到廣大的專業(yè)照明設(shè)計(jì)師的歡迎。

(2)AGI32

AGI32是Lighting Analysts公司研發(fā)的照明設(shè)計(jì)軟件。它的強(qiáng)項(xiàng)是不僅有豐富的照明插件供選用，而且還有自然光模擬系統(tǒng)，功能強(qiáng)大。另一方面，它不僅有良好的計(jì)算性能，其Ray Trace渲染器也表現(xiàn)出色。因此，它被稱作“具有革命性的照明設(shè)計(jì)優(yōu)化工具”，在設(shè)計(jì)領(lǐng)域獲得了眾多好評。

2.2 用DIAlux對地鐵照明進(jìn)行計(jì)算

由于DIAlux在我國照明設(shè)計(jì)行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)以它為例來說明地鐵站臺照明設(shè)計(jì)和計(jì)算的步驟。

(1)建立模型

這個(gè)步驟主要是設(shè)置站臺的寬度、高度、本層凈高，給站臺地面、墻壁附材質(zhì)等，見圖2。

(2)選擇燈具并進(jìn)行布置

首先可以從燈具庫中選擇設(shè)計(jì)者擬要采用的燈具(可從燈具制造商的DIAlux插件中找到)，然后就燈具的布置方式、燈具的間距、位置等進(jìn)行選擇和輸入，最后從前視圖檢驗(yàn)一下即可，見圖3。

(3)設(shè)置報(bào)表

選擇需要出報(bào)表的表面以及報(bào)表的內(nèi)容，比如工作面、地面的等照度曲線、等灰度圖等，見圖4。

(4)計(jì)算并輸出報(bào)表

根據(jù)設(shè)置的內(nèi)容，計(jì)算后就可以輸出我們需要的內(nèi)容，如等照度圖、等灰度圖、點(diǎn)照度圖、等亮度圖、照度均勻度等等，據(jù)此可以檢驗(yàn)照明設(shè)計(jì)是否達(dá)到了我們想要的效果，見圖5、圖6。

圖2 建立站臺模型

圖3 選擇并排列燈具

圖4 設(shè)置報(bào)表

圖5 等照度圖

圖6 點(diǎn)照度圖

3 小結(jié)

由以上計(jì)算過程可知，不論是地下車站照明的照度計(jì)算，還是區(qū)間隧道照明的照度計(jì)算。采用傳統(tǒng)人工計(jì)算都是一項(xiàng)繁瑣的工作，隨著照明軟件的日趨普及，各種繁瑣的照度計(jì)算工作都可以由計(jì)算機(jī)來完成，不僅計(jì)算速度快而且可提供多種結(jié)果輸出方式，其結(jié)果更加形象直觀，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場測量結(jié)果更加吻合。在照明設(shè)計(jì)中，用傳統(tǒng)方法計(jì)算照度，可以作為對軟件計(jì)算結(jié)果的檢驗(yàn)，以確保軟件計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

［1］GB 50034-2004.建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004

［2］莊金迅，張九紅，劉圓圓.城市地鐵站照明節(jié)能研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(4):110～112

［3］張九紅，莊金迅.配光曲線在照明計(jì)算中的應(yīng)用［J］.沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007(6)

［4］李鐵楠.城市道路照明設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007