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孙钧:城市地下空间内的节能照明若干新技术应用

2013-07-23 21:24:19  来源:中国岩土网  阅读: 2424 次
中国科学院院士,同济大学资深荣誉教授孙钧先生,在2013首届地下空间与现代城市中心国际论坛上,发表了关于“城市地下空间内的节能照明若干新技术应用”的主题报告。

中国科学院院士,同济大学资深荣誉教授孙钧

中国科学院院士,同济大学资深荣誉教授 孙钧

孙钧先生,解放前夕上海国立交通大学土木工程学系工学士,1956年随前苏联专家斯尼特柯教授攻读桥梁结构副博士学位;1979年美国北卡罗来纳州立大学留学,任高访教授。现任中国科学院院士,同济大学资深荣誉教授(一级、终生)。历任国际岩石力学学会副主席暨中国国家小组主席,中国科协全国委员会委员,中国岩石力学与工程学会理事长(现任名誉理事长),中国土木工程学会副理事长(现任学会顾问、名誉理事)。历任国务院学位委员会土建学科评议组召集人,国家自然科学基金委土木、建筑、水利、环境、测绘学科评议组召集人,全国博士后管委会专家委员会土建学科评议组组长。

非常高兴今天能在这里跟大家交流一些关于城市地下空间的一些问题。在现在的一些城市建设中间,无论是政府部门还是广大的市民最关心的中间的一个问题就是低碳,节能,环保。今天我想在这几个方面说一点想法和看法。

首先是低碳的问题,低碳的城市应该怎么建,怎么实现低碳的生产和发展,主要是两个方面,第一个是开源,第二个是节流。开源就是指开发一些再生的能源,一些低碳的能源,就是如何利用光伏发电,太阳能发电,利用风能地热能,这是大的方面,从降低能耗方面,我们要提高人员的效率,要引导节约能源的人耗消费的方式,构建低碳的城市要从多个方面着手,首先是低碳的政策,低碳的指标体系,低碳的产业,低碳的交通和低碳的生活理念以及低碳的循环经济等方面着手。这个就全面涵盖城市经济社会生活和环境发展的方向,要制定总的节能减排的任务以及它的经济发展的目标。低碳的城市是全面采取低能耗,低污染,低排放的低碳经济生活模式和低碳的生活方式,它是一种节能减排环保型的城市。低碳经济的核心是低碳技术和减排技术的创新,产业结构和技术的创新,人类发展根本性的转变。通过技术创新,产业的调整,观念的引导来实现降低低碳的排放。

下面谈一点基本的认识,城市的地下空间,也就是城市的地下建筑,这个包括各种各类的,功能不一样的隧道,轨道交通的地铁,过江的隧道这个在城市里是最多见的。然后就是各种的城市地下空间,地下商业区,地下商业街,地下车库等等,他们节能减排的环保问题是面向低碳经济的重要方面。很多人说地铁是城市用电的大户,也就是地铁是一个电老虎,昼夜运行这是非常非常耗电的,地下车站的通风,照明,空调还有其他的机电设备都是耗电的,那这些在节电和排污方面应该有很大的节约的空间。

怎么认识地铁的节能呢,它的节能减排,它的环保,从广义上看,就是节约了城市交通里面的汽车,本来很多汽车在地面,它的尾气排放是城市空气污染的重要来源,城市空气的污染经过调查,汽车交通拥堵和不熄火的时候,它的一氧化碳二氧化碳的排放量是非常大的,变成城市空气的重要污染源了,现在我们改成轨道交通的电器设备以后,地面的交通得到一定的缓解,那么地面交通的排污情况可以相当程度上有所改观,这是第一个方面,就是城市地铁通行以后缓解了地面交通的拥堵,第二就是在低碳经济社会中节能的问题,这个里面首先可以想到能不能用太阳能光伏进行发电,针对这个问题,我自己也有在考虑,也和这方面的专家有过探讨,它是根据几个问题,一个这个所在的城市,我们国家对于太阳能利用的城市它分了五个级别,上海是排在第四位,现在一般地铁运用比较发达的大部分都是级别为三的城市,太阳能利用有限,像内蒙,昆明等一级城市利用太阳能发电利用到地下空间还是有很大可能性。第二个问题是光伏发电的磁板到底放在哪里,它是放在居民小区的屋顶上,我认为这个是没有空间啦,因为现在能够利用的一些小区的屋顶它给居民用了。我们要利用的是高层大楼的幕墙,把现在普通的玻璃幕墙改用光伏的幕墙,又是太阳能的电磁板,又是光伏又是幕墙,这个在无锡已经有个电力大楼已经建成,据说有四家。所以说明还是可以实现的,东西南北面都是用的光伏的幕墙,里面的光线还是可以看的到,外面看不到。这个在上海行不行呢,在上海超高的大楼有几千幢,玻璃幕墙已经做好了,第二个问题在已经建成的城市里有问题,只能在一个新的城市考虑作为一个地铁专门的产业有可能逐步的利用。第二个就是室内的人工生态的的光源,利用太阳光的光纤导热照明系统,这个在我们虹桥的交通枢纽作为一个例子用的很成功,可以考虑用的比较更广的一点是智能化的LED节能照明,这是一个重要的方面,这个在我们上海的崇明隧道,上海世博园用的是最大的,成功的例子是比较典型的。地下空间本身就具备天然的低碳排放的条件,那么新型的低能减排利用方面应该比地面的设施和建筑更具优势。因为地下空间相对来说是恒温的,降低了交通的能耗,地铁载客量大,而运行速度快,耗时少,排污小,因搭乘轨道交通代替地面交通产生的低碳效应;通行地铁电气列车以缓解地面道路交通油耗和拥堵产生的低碳效应。

说到智能型的LED,现在LED的发展已经很多,现在很多的地下空间,包括地铁,包括隧道里面都是用的LED的节能照明,但是我们更好的提高它的智能化,用新型诱导式节能灯具,然后说一下地下的碳能不能封存。这是最近一篇报道,是美国地矿局的一篇报道,是13年的,就说二氧化碳能不能从发电厂排出来之前排到大气里面之前能不能将其封存起来存在低下去,这个有没可能,美国人正在研究,这个叫碳汇的技术,美国人是这么想的,现在的石油,天然气,盐水,这些存在地下上千年的化石燃料,既然可以长期的封存在地下,那么现在我们把它开采出来变成石油,变成煤炭,变成了盐矿,地下的天然气,现在我们反其道而行之,把我们在地面上生产出来的这些废气主要是二氧化碳我们能不能把它封存回去到地下去,原来我是从地下拿出来的,现在我们要反其道而行之封存回地下。永远的封存在地下,有没有可能呢。这个美国人做了一个研究,它是大规模的,它说首先要找到一个地方,它是适合封存,这个地方他们现在找了36个地方,假如这36个地方都开发了,能够把从发电厂出来的二氧化碳,在没有去到大气层之前先做一个分流,把二氧化碳用个地下管网把它送到地下去,其中不是很有害的让它排到大气里,这是第一步,第二步,把这个二氧化碳压缩,经过压缩冷却把它变成液态和气态的临界状态,也就是说半液体半气体,对于这个还没有做最后的确定,是直接气体封存在地下好还是压缩液化成液体封存好还没确定。第三步,36个地方它选中了作为试点的,这个岩盘要有一定的渗透性,要有气孔,要有空隙,可以让液态和气态的二氧化碳通过渗流能够渗到地下,地下深度大概从一千米左右开始到四千米,有两种岩石也是最好的岩石,一个是砂岩一个是石灰岩,我们国内基本上都是,最后一个条件,在这种岩盘的上面要有一种密封性比较好的岩盘,最好是盐岩。36个地方能够封存大概现在二氧化碳的十分之一。这些地方最好靠近工业城市,也给我们启发。我们能不能同步和他们一起研究,能够永远封存。

LED照明方面,公路隧道,上海过江隧道已经普遍代替荧光灯,高压钠灯,在地下空间内采用绿色、高效、环保以及耐久性能好、使用寿命长的LED光源,更又可对洞内照度作现场总线网络的无级自动调光控制,根据外面的天气情况来自动调节洞口的灯光,国外可以根据洞内车辆的多少来调整光线的照明,其使用前景良好。在崇明长江隧道,采用这项新技术初估每年可节电近50%,经济效益和节能减排、环保各方面也都效果显著。

新型节能环保型照明 ——上述 LED调光可控照明技术的推广采用。隧道和地铁内全天候24h照明,用电负荷重,节能潜力巨大。当前,多数已局部或全部改用了上项节能环保型LED诱导光源照明是十分可喜的。现在的问题我认为有几个方面,一个要加强LED应用标准的研究,还有运营使用检测标准的研究或制定。近年的实践证明,采用LED照明的主要效益反映在:地下空间照明效果优良,照度和光均匀度均可达到使用要求;照明灯具可保证3万小时的耐久性寿命;照明节电(与传统灯具比较)30%以上;人员反应视觉受感和舒适性均满意。

为落实交通运输部《公路水路交通运输节能减排“十二五”规划》,不少省市已制订了关于推进LED灯具应用的标准; 2012年4月,上海市也发布了《隧道LED照明技术应用指导意见》。我国城市道路照明共有路灯1800万盏以上,近几年的年增长率在20%以上,全国城市道路照明路灯的市场年规模不低于50亿元。如果全部替换成LED照明产品,则每年可节省电力资源1000亿kWh以上,相当于三峡工程全年满负荷的发电量。

LED 灯具具有以下主要特点:

1、高效节能。LED 灯具的功耗是第一代白炽灯的1/9左右、是第二代节能灯的40%左右;

2、使用寿命长。LED 灯具是半导体芯片发光,无灯丝、无玻璃灯泡、抗振动好,合格产品的使用寿命可达30000h以上,远高于高压钠灯4000~6000h和普通荧光灯8000h左右的使用寿命;

3、运行冗余度高。普通荧光灯是通过高压电来点亮的,当电压低于启辉电压时则无法点亮,而LED灯具运行电压在80~245V时就都能点亮,还能根据需要调节亮度;

4、故障影响较小。普通荧光灯使用的是交流电,所以每秒钟会产生100~120次的频闪。LED灯具是把交流电直接转换为直流电,不会产生闪烁现象。LED灯具结束寿命时,灯具的故障特征为不亮(不会像普通荧光灯先已发生灯管发黄、变黑和频闪),它对行车环境影响较小。

LED 灯具的经济性分析

从单价费用看,LED灯具较荧光灯贵很多,所以初期投入较大(见下表)。

LED灯具和荧光灯成本对比

但单个 LED 灯具的照度值较高,其安装距离要比荧光灯大,安装数量则比荧光灯少很多;且使用寿命也要比荧光灯长很多(见下表),有利于后期维护。

表-LED灯具和荧光灯参数对比

LED灯具和荧光灯参数对比

根据不同季节、不同时段对上海市电网工业用电价格,则单个 LED 灯具的用电量和费用都要高于单个T5管径荧光灯。但是,由于 LED 灯具安装数量较少,其年总量和年总费用明显少于T5管径荧光灯,每年节约用电约为51.53%。

尽管LED灯具初期投资较大,运营15个月左右后,LED灯具节约用电的费用已经可以收回初期投资的超出部分。智能LED灯具还可根据不同时段和车流量的变化来调节控制,其节能效率还有提升空间。在车流量较少的用电低谷时段,对隧道进行调光控制,亮度控制为80%时,LED灯具的用电量和费用可以适当降低,而T5管径荧光灯则不具备这种条件。

从上述,公路隧道采用 LED 灯具的节能效果非常明显,以钱江隧道为例,每年节能约为2 229 780 kWh;回收投资快,运营15个月左右后,LED灯具节约用电的费用已经可以收回初期投资的超出部分;而维护成本又低,因 LED灯具安装数量少且使用寿命长,每年还可减少可观的维护费用。

据《地下工程与隧道》,2013年第二期报导:巴黎轨交将成为世界首个全LED照明交通网络。目前,巴黎公共交通联合机构与飞利浦公司以及两家法国照明公司签订了一份为期4年的合同,合同总额共计1 100万欧元。他们将共同完成巴黎快速铁路网交通系统(RER)及轨交网络中302个轨交车站和66个郊区轨交站的LED灯具改造工程。在这项照明升级改造完成后,包括车站出人口、售票大厅、走道和站台在内的约100万㎡的地下空间将全部采用LED照明灯具。届时,巴黎轨交将成为世界上首个全面配备LED照明的轨交网络。

巴黎快速铁路网交通系统每天运送1 200万人次客流。上述项目将在2014年到2020年间减少其现在的能源消耗和温室气体排放量的15%,减少电能消耗约12%。该项目于2013年5月正式实施,首个改造站点为巴黎市中心的富兰克林•D•罗斯福轨交站。在2013~2017年期间,每年约有100多座轨交站和 RER 车站完成节能照明改造。

一般隧道的照明用电负荷能耗约占隧道总能耗的(40~50)%;而采用LED光源照明,则约可节能(30~40)% 。故此,是大有作为的。但目前在应用LED中仍存在:光衰大、结温高、灯具结构不尽合理、照明均匀性不足、驱动电源的寿命质量不稳定等问题,需待进一步解决,对灯具的各项技术要求亦待制定,以改进和完善节约隧道照明耗能的效果。

LED节能灯具开发中的若干问题

目前,我国的LED照明产业取得了前所未有的发展——从大功率LED芯片技术的研发、突破到10亿颗LED芯片点亮上海世博会的实际应用,从资本投入到政策给力,LED产业的繁荣已初步显现。然而,在道、桥、隧各个照明领域,已投入使用的LED照明产品还存在以上一些制约其未来发展的问题亟待解决。

智能照明技术的发展

智能照明,是指利用无线通讯数据传输、扩频电力网载波通讯、计算机智能化信息处理以及节能型电器控制等技术所组成的一种分布式的无线遥测、遥控、遥感控制系统,它具有对灯光亮度调节、灯光软启动、定时控制、场景设置等全方位智能型功能。

在智能照明系统中,设有若干个基本情景。这些情景会按程序自动切换,并将照度自动调整到最适宜的水平;还可通过自动调节装置来调控所采集的上述天然光,并使之与室内灯光系统进行联动。

当天气发生变化时,这种天然光系统能够自动调节,保持合适的室内照度。照明设计师在对地下建筑物进行照明设计时,将按预先设置的标准亮度,保持恒定的照度,不受灯具效率降低和墙面反射率衰减的影响。智能照明控制系统还可预先设置不同的场景模块,只要在相应的控制面板上进行操作,即可调入所需的场景。

此外,用户还可通过“可编程控制面板”对场景进行实时调节,以满足各种特定的要求和需要。采用智能照明系统后,用户能够在运行过程中实现节能。智能照明控制系统对大多数灯具(白炽灯、日光灯、霓虹灯等)进行智能调光,不仅能够降低用户电费支出,也能减轻供电压力。据悉,实现智能照明控制的用户一年约可节电20%~40% 。智能化与照明技术的结合,充分演绎了节能、长寿命、以人为本等绿色和可持续照明的理念。这种节能、高效的智能照明方式,顺应了节能减排和智能科技的发展趋势,在城市地下空间有望获得广阔的发展。

在采用隧道照明新技术的其它方面

(1)基于数码技术的洞外亮度测试技术,现已纳入我国正在编制的《公路隧道照明设计细则》;此外,隧道照明节能成套技术的应用和示范也已在重庆、广东和安徽等地采用并取得了很好的经济和社会效益。

(2)其它地下照明新技术和新工艺的研制,其在地铁照明中有望推广应用的,还有:研发智能化的LED节能诱导灯具照明的新型无级调光技术,以采用于隧道和地铁车站照明; 研究换用电磁感应灯具、光纤照明、逆光照明、宽光带照明等新型节能光源、灯具,以取代传统灯具在地铁中采用的可能性,以提高地下空间内的有效亮度;研究电子镇流器(与传统电感镇流器相比)和智能调压设备等照明节电设施,探讨其采用的适用性和经济性。

其它几项节能、环保新技术的研究和开发

室内人工生态光源的采用——太阳光光纤导入照明系统

建议在隧道/地铁车站的天棚顶部,嵌设巨大玻璃天窗,大面积吸收自然阳光;通过在玻璃天棚内装置光导照明系统,用作地下空间范围内的部分、甚或全部人工照明。上海市虹桥交通枢纽对室内太阳光光纤导入照明的成功实践可资借鉴。

一种新型超级节能灯具(荧光灯)即将面世——耗电量仅为白炽灯的1/40,俄罗斯近年来已生产出样品。

1)原理

灯泡内有专门的荧光粉涂层,内置高照度发光的二极管;低电压作用下,二极管先发出蓝色光,蓝光照射到灯泡内面的荧光粉涂层,涂层上则呈现高照度的白色光;颜色和照度的变化是由于荧光粉涂层的反光特性。

2)优点

解决了目前节能灯具的问题:不需要启动放电维持系统。日本和西欧一些城市地下空间和地铁车站尽多考虑利用自然采光;国外(北欧、北美)更有利用阳光的反射和折射作用,用镜面将阳光引入地下空间内作自然采光。均有创意,可供参酌、借鉴。


本次会议专题地址:http://www.yantuchina.com/zt/2013dxkj

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我有话说

全部评论(2)

  • lycug发表于 08月01日 08:59ly出品,必属精品
  • 祝孙老身体健康。
点评:
  • zhjwei860302发表于 07月27日 08:05放宽心,乐观活,谨慎行,努力学!不放弃,要自信,有希望,向前走!
  • 孙老都还是继续研究创新,我们这些后背呢,有多少有过真正意义的创新的呢,汗颜了哦
点评:
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