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在地铁站中减少照明用电
作者：Miquel Casals, Marta Gangolells, Nuacute;ria Forcada, Marcel Macarulla
单位：加泰罗尼亚大学，项目和建筑工程系，建筑研究和创新组（GRIC），C / Colom，11，Ed。
摘要：
照明系统通常是地下地铁车站最大的用电终端之一。考虑到公有公司的预算限制阻碍了需要高初始投资的能效改造项目, 因此需要负担得起的节能战略。本文提出了降低地下车站照明用电的低成本方法,并且不影响乘客的舒适度或地铁运营商的服务。为此, 开发了一种自适应照明方法, 用于调整人造光源的照明等级。调光控制是根据空间站的占用情况, 以及灯具的预防性维护和清洁周期的。车站的每个月使用模式通过k-means聚类技术来定义。为了说明其有效性，该方法被应用于巴塞罗那地铁网络的115个地铁站。结果显示, 整体节约电量为每半年255.47 兆瓦时, 占车站基线照明消耗量的36.22%。根据站点用户的数量和配置，在巴塞罗那地铁网络站点的站点中，每个站节能的范围从25到87.5 MW h/年不等。此研究结果无疑将对未来全球地铁运营商和其他地下空间管理者的能效项目计划有所帮助。
关键字：照明系统 调光 能源消耗 地铁站 节能 地铁网络
- 介绍
为了适应像地下车站和公共停车场等交通基础设施, 以及行政、商业和休闲用途的场所，地下建筑在高度拥挤的城市变得越来越普遍。由于垂直打孔和天窗往往是不可行的，所以人工照明是唯一满足用户的视觉舒适的需要的选择。由于地下设施通常长时间工作，照明系统是这些地下建筑中最大的用电终端之一。
地铁站是大型地下建筑，而且长时间工作。由于照明系统是根据克服老化和肮脏在恶劣的环境下运行而设计的，所以耗电需求更大。为了确保在特定的时间段内保持所需的照明水平, 系统最初必须超负荷, 这对能耗有重大影响。此外，为提高乘客的舒适感和安全感，地下车站的照明等级往往高于规定。在最近的研究中，发现地铁站的平均用电量为每年17.64 k W h/m2，照明系统是最大的消费这 (37%)。
照明效率从很多角度在文献中被提到了，其中包括系统设计，维护，控制方法，成本效益和使用周期。然而, 目标建筑通常有普通第三方用途, 往往是行政设施。现在大多的研究集中于需要对日光和占用条件进行适当的控制。第二个方面是进行技术改造, 其中 LED 是越来越引人注目, 因为它正在成为一个更实惠和可靠的替代品, 尽管它并不总是证明是值得投资。对于地下照明效率的研究直到现在都很稀少。Shuguang开发了一个隧道照明控制系统模型,，而Chueco等重点研究了地下矿山中荧光灯和 LED 灯具的评价。在地下地铁站的背景下, 一个著名的欧洲研究项目是 SEAM4US 可持续能源管理的地铁站。SEAM4US 透露, 直接的技术改造不会提供足够的回报来证明所需的初始投资是合理的, 在任何能源效率项目中被认为是非常重要的一个方面。在公有公司的预算限制下，寻找不需要昂贵的改造和能够与现有技术互操作的能效措施是最好的, 也许是唯一的选择。
本文的主要目的是根据数据挖掘, 在不影响乘客舒适性或地铁运营商服务的基础上, 制定出一种可负担得起的降低地下车站照明用电的方法为此, 开发了基于车站占用水平的调光控制和灯具的预防性维护和清洗周期，2节介绍了该方法,，3节报告了其在地铁网络案例研究中的应用，并讨论了结果。最后, 4 节概述了结论和今后的研究。
灯泡折损 保养系数 总折损
表一： 根据清洁和恢复时间间隔，人造光源在整个使用寿命期间的照度变化。
- 方法
本研究采用的方法可分为四个主要步骤: 调光原理的定义；车站调光计划的定义 车站调光方法的定义 从调光方法的实施中获取的节约能量的计算
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- 调光原理的定义
室内照明需求是根据国际标准和地方条例。然而, 在照明装置的使用寿命内, 由于表面污垢堆积和设备老化,提供的光线逐渐减少。光线减少率受到设备类型和环境和操作条件的影响。从表1可知，光照度的衰减是渐进和不可避免的。不可恢复的损耗包括材料的老化和褪色。其他折旧可以通过适当的维护程序，如清洗和更换灯具来恢复。第一个灯具清洗实质上恢复最初的光照度水平。当灯被更换, 灯具第二次清洗时, 再次从初始条件循环。在照明项目设计中, 由于年龄或污垢引起的流明折旧是通过增加了安装的照明功率要求, 以确保始终满足最低照度要求来维护的。
此外, 地铁站通常是过度照明, 以提高乘客的安全和舒适性, 这显然对其能耗有很大影响。
顾及到上述考虑，照明系统的保持光照度Em，可以根据方程计算
Ereq 代表所要求的平均水平照度规定的标准和条例中无论安装的寿命或条件如何，指定曲面上的平均照度不能下降的值, MF 是维护因素, 代表了在一定时期内使用初始平均照度得到了相同条件下的安装照明装置后的平均照度。CF 代表的舒适因素, 容纳额外的照度, 以提高乘客的安全感。调光级别是根据两个基本原理定义的。
第一个考虑是, 最高平均水平照度水平在任何给定的时间点不得低于相应条例 (Ereq) 所规定的照度。因此，光照等级要与污垢和老化所需的要求相适应。这样用来克服污垢的积累和老化的设备所消耗的能源可以保持到最低限度。第一个考虑建立最小照明输出, 而第二个考虑确定最大照明输出量。图2中的折旧面积代表了从照明系统折旧中获得的潜在节余电量, 而舒适区则表示从灯光调光并仍符合规定的潜在节余电量。
从上述调光原理的定义中可知，两个占用阈值被定义。较低的占用阈值（Ult）代表当需要更高的照度输出用来提高用户的安全时，车站内的乘客人数，较高的占用阈值（Uht）代表当照度输出可以减至只须在相应规例内订定的照度，车站的人数。在这些值之间, 一些调光步骤是线性建立的, 从而在照明输出之间产生平滑的过渡。基于站内用户的数量，可以根据方程计算。
其中, Uj 代表了一个工作站内的用户数量, 其中涉及更改调光步骤 j (表示人数)，而 Dj, m表示在维护和清洁周期的月份 m 中对应于步骤 j 的调光系数, 表示为灯具照度的百分比 [0–1]，DLT, m 是调光确保在维护和清洁周期的月份 m 上设计的舒适度照度的系数 [0–1], DHT, m是维护和清洁周期的月份 m 中满足目前规则最低照度等级的调光系数。
表二：调光原理
2.2．调光计划的定义
调光时间表根据车站占用情况进行定义。 虽然地铁网络并不倾向于在车站内安装占用传感器，但地铁运营商通常会建立入住数据库来支持管理问题，例如列车频率调度和人员分配。这些数据库中最小的一项可以表示为Uy，m，dt，s，i，它表示在第y年m月第i小时内站s内的乘客总数。 去除没有意义或不完整的记录，所存储的数据表明，地铁乘客的行为取决于星期几和车站。 星期一到星期四的工作日显示了相同的模式，而星期五，星期六和星期天以及银行假期都有自己的模式。
k-均值聚类技术被用来准确地识别数据集的结构。正如方程 （3）中，k均值方法寻求在同一集群中的点之间最小平均距离。给定一组n个数据点X和Rd并选择多个聚类k，k中心c以最小化/：
其中是每个点与其之间的总平方距离最近的中心，x代表数据点，c代表簇中央。
表3：照度输出行为取决于维护和清洁周期的给定月份中调光步骤的数量（两步与十六步）。
表四：，在第一步中调光值是根据维护和清洁周期的时间点
使用WB-Index验证方法计算需要作为输入引入算法的聚类k的数量[33,34]。 WB指数是通过针对一系列合理的簇数对相同数据运行聚类算法而获得的。 考虑到最低的WB指数（方程（4））拥有该数据集的最佳聚类数量。
其中k是簇的数量，SSW表示簇内平方和（方程（5）），SSB表示簇之间平方和（方程（6））。n是数据的数据点数量xj表示点x，Ci，j的坐标j表示聚类中心i的坐标j，n i是每个聚类中元素的数量，Ci表示聚类i，并且Delta;x是整个数据集的平均值。
对每个台站和每天类型的数据集进行聚类的过程显示，一年中的大部分月份的行为是相似的。因此，不是仅考虑每个月的记录，而是可以将样本增加到属于相同的所有记录 簇。 因此，通过第i小时内车站内乘客的标准化数量和第m个月中的日dt类型（UHm，dt，i，s）（式（7））可以获得增强的可靠月模式。
其中Uy，m，dt，s，i表示第m小时和第y小时内第i小时内站点s内的乘客总数，Y表示考虑的年数。
表5: 与巴塞罗那城域网所有站点的基线照明消耗相关的节能量，取决于采用的调光步数。
表6：根据维护周期的时间点步骤1-16的调光值。
表7：考虑2010年，2011年，2012年，2013年和2014年所有月份的（1）个工作日，（2）周五，（3）周六和（4）周日和节假日
2.3．调光方法的定义
调光控件根据占用数据库的粒度进行设置。可以根据公式8计算第i小时，第dt天和第m月（D m，dt，i，s）的站点s的调光系数。
其中Uj表示站内用户的数量，涉及调光步骤j的改变（表示为人数），而Dj，m表示在维护和清洁循环的月份m处对应于步骤j的调光系数， 作为灯具照度[0-1]的百分比。 UHm，dt，i，s表示第m个月（在用户数中表示）在小时i期间在站s 2 L内的用户的标准化平均数。ULT是较低的占用阈值（表示为用户数量），DLTm是该调光系数确保在维护和清洁周期的第m个月的设计舒适照度水平[0-1]。 UHT是较高的占用阈值（表示为用户数量）， DHT，m是保证在维护和老化周期[0-1]的第m个月满足当前最低照度水平规定的调光系数。 S表示调光步骤的数量，
如图三所示，当第m个小时内s站内用户的标准化平均用户数m低于下限时，调光系数确保在维护和清洁周期的第m个月实现设计的舒适照度水平。但是，当第m个小时内m站内用户的标准化平均用户数m超过较高阈值或车站关闭，调光系数还保证在维护和老化周期的第m个月满足当前对最小照度级别的规定。在这之间，维护和清洁周期的第m个月的步骤j对应的调光系数与站内用户的数量一致。图3突出了在建议的定时策略中的定时步骤数量的作用。 更多的步骤可以更好地调整到用户的电台的调光。图3中的阴影区域表示实现的节能。与使用一步以下时节省的节能相比，调光步骤的最佳数量设定为节省超过0.02％的步骤。精度等级可以根据地铁运营商的偏好进行修改。如图5所示，更高的精度水平
将需要更多的调光步骤。考虑i 1个步骤（以k W h表示）和Savmn i 1
对应于城域网所有站点提供的节能和i个步骤（以k W h表示），其中Sopt表示调光步骤的最佳数量（以单位表示），Savmn i 1表示城域网所有站点提供的节能。
每个步骤中的调光水平取决于清洁和维护周期中的时间点。 举例来说，图4显示了步骤一中照度输出的百分比。第9个月的第一步涉及88.02％的照明输出，而在第13个月，同一步涉及68.81％的照明输出。
2.4. 从调光策略的实施中计算节约能量
节能是指在照明系统运行时使用的能量与设计的调光策略之间的计算差异，以及在整个维护和清洁周期内照明系统在没有调光控制的情况下所消耗的能量数量（方程（10））。
Savs表示在M个月的时间内，台站照明系统提供的节能量（以k W h），dm表示格里历中的月份m的天数，dt是表示天数dt的系数，在四周的一个月内（公式（11）），d i是占照明设备工作百分比的系数（公式（12），
表10：每天在巴塞罗那地铁网络某个站点的用户数量在2月的一个工作日内的情况。
表11：在一个2月份工作日巴塞罗那地铁网络的同一站调光步骤
表12：第2个月的工作日（维护和清洁周期的第一个工作日）为巴塞罗那城域网的同一站点输出照度的百分比。
当车站关闭时）。 Ps表示以k W表示的站s的照明子系统的功率，并且D m，dt，i，s是在在第m个月的第dt天，第i小时，站点s的调光系数。由地铁网络的所有站点以kWh（Savmn）表示的节省可以根据公式（13）：
表13：在第14个月的工作日（维护和清洁周期的第二个月）为巴塞罗那地铁网络的同一站点输出的照度百分比
表14：在维护和清洁周期M2和M14的工作日，巴塞罗那地铁网络同一站的节能百分比
表15：根据两年节约的电量，在巴塞罗那地铁网络的地下车站的分布。
其中，Savs对应于在M个月期间为建站调光方法提供的节约的能量（以K w h表示）。
- 案例研究和结果讨论
该方法适用于巴塞罗那地铁网络中尚未完全自动运行的地铁站（115）。 在工作日内，车站于5:00开放，并在24:00关闭。星期五，服务时间延长至凌晨2:00。周末期间，服务不间断，从星期六的5:00至星期日的24:00。
地铁站通过标准电子镇流器 T8 荧光灯灯照明，无论车站内乘客的数量如何，照明系统都按照静态时间表运行。地铁站开放时，灯一直都是亮的（每周150时），当地铁站关闭时，出于安全，有25%的灯是开着的。当工作站关闭时，但正在执行维护，清洁或其他类似任务，所需的灯也开启。因此，巴塞罗那地铁站25％的照明系统全年24小时工作，而系统的其余部分至少
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