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(guó)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(chǎng)所對(duì)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(duì)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?qǐng)?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(duì)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。可見地 鐵照明計(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?qǐng)龅仄矫嫔掀骄斩鹊幕竟饺缦?
Eav= N × Φ × U × K / A ( 1)
則， N = Eav× A / ( Φ × U × K) ( 2)
LPD = N × Pw/ A ( 3)
式中 Eav———被照?qǐng)龅仄矫嫔掀骄斩? lx) ;
N———所需燈具個(gè)數(shù)( 個(gè)) ;
Φ———一個(gè)燈具內(nèi)光源總光通量( lm) ;
U———燈具利用系數(shù);
K———維護(hù)系數(shù);
A———被照?qǐng)龅孛娣e( m2) ;
LPD———照明功率密度值( W / m2) ;
Pw———單個(gè)燈具的耗電功率( W)
利用系數(shù)法僅可計(jì)算照明場(chǎng)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(chǎng)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?qǐng)龅厝我恻c(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:
根據(jù)圖 1，光源正下方 H 米處平面上 A 點(diǎn)的照度( E) 為
E = I0/ H2( lx) ( 4)
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。可是一般需要求照度的點(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(duì) 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(duì) W 平面上的 B 點(diǎn)形成的照度為
E = Iθ/ l2( lx)
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(duì)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
E1= E cos θ = Iθ/ H2× cos3θ ( lx) ( 5)
E2= E sin θ = Iθ/ H2× cos2θ × sin θ ( lx) ( 6)
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(jiǎn)化表格計(jì)算法、平面相對(duì)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(duì)于各個(gè)燈具的位置找出其照度值，然后再對(duì)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(jìng)爭(zhēng)，國(guó)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(chǎng)份額。下面僅介紹兩個(gè)常用的照明軟件。
( 1) DIAlux
DIAlux 是德國(guó) 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(jiǎn)單易學(xué)。另外，軟件版本的升級(jí)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(píng)。
2． 2 用 DIAlux 對(duì)地鐵照明進(jìn)行計(jì)算
由于 DIAlux 在我國(guó)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(tái)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(tái)的寬度、高度、本層凈高，給站臺(tái)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(kù)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。
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(chǎng)測(cè)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(duì)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。