1、2023 年 2 月第 34 卷第 1 期照明工程学报ZHAOMING GONGCHENG XUEBAOFeb2023Vol.34No.1高铁站高大空间照明方式聚类分析和综合选型曾婧1，2，曲冠华1，2，任蕾1，2(1.天津大学建筑学院，天津300072;2.天津大学天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津300072)摘要:在室内照明环境设计过程中，需要协调多个光环境指标，它们分别涉及功能性、舒适性和节能性三个方面，尤其对于高大空间照明环境，如何选用不同的照明方式并优化其组合效果是实现高效照明的关键。为了探究适合高大空间的照明方式和组合模式，及其在不同光环境指标维度下的效果，本文以大空间
2、高铁站站房为例，首先基于 DIALux 照明仿真计算软件，对一般照明方式、重点照明方式和间接照明方式进行了单个和多个混合模拟;其次针对 4 类不同功能区域，分析了各照明方式在 5 类光环境指标下的照明效果评价。此外，还探究了基础照明环境条件以外，即其他改善型照明环境下，各照明方式的照明效果和指标性能;最后基于聚类算法，对多种组合的照明方式在光环境指标准则下进行了聚类分析，得到了针对高大空间照明方式选型分级，研究结论可为高大空间照明环境工程设计提供理论指导。关键词:室内人工照明;聚类分析;DIALux 照明仿真计算中图分类号:TU88文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1004-
3、440X.2023.01.017Clustering Analysis and Comprehensive Selection of Large SpaceLighting Mode in High-speed ailway StationZENG Jing1，2，QU Guanhua1，2，EN Lei1，2(1.School of Architecture，Tianjin University，Tianjin300072，China;2.Tianjin Key Laboratoryof Architectural Physics and Environmental Technology，T
4、ianjin University，Tianjin300072，China)Abstract:In the process of interior lighting environment design，it is necessary to coordinate multiple lightenvironment indicators，which involve three aspects:functionality，comfort and energy saving Especiallyfor the lighting environment of tall space，how to cho
5、ose different lighting methods and optimize theircombination effect is the key to achieve efficient lighting In order to explore the lighting mode andcombination mode suitable for tall space and their effects under different dimensions of light environmentindicators，this paper takes the high-speed r
6、ailway station with large space as an example Firstly，based onDIALux lighting simulation software，a single and multiple hybrid combination simulation is carried out forbasic lighting mode，key lighting mode and indirect lighting modeSecondly，for the four differentfunctional areas，the lighting effect
7、of each lighting mode under the five types of light environment indicatorswas analyzed Besides，the lighting effect and index performance of various lighting modes in addition to thebasic lighting environment conditions，namely other improved lighting environments，were also exploredFinally，based on th
8、e clustering algorithm，this paper conducted clustering analysis on a variety of combinedlighting methods under the light environment index criteria，and obtained the selection and classification oflighting methods for tall spaceThe research conclusions can provide theoretical guidance for theengineer
9、ing design of lighting environment in tall spaceKey words:indoor artificial lighting;cluster analysis;DIALux lighting simulation基金项目:国家重点研发计划(项目编号:2016YFC0700200)通信作者:曲冠华，E-mail:第 34 卷第 1 期曾婧等:高铁站高大空间照明方式聚类分析和综合选型111引言室内照明环境设计涉及功能性、舒适性和节能性的多维要求，照明方式的选择与光环境指标的约束对最终室内照明环境有着直接影响。而高大空间的人工照明因为照明面积广、光源距工作
10、面较远等特点，通常存在照明效率低、照明舒适性欠佳、照明能耗大等问题1-4，针对这类问题，目前主要从照明方式优选和照明环境综合评价方面进行了研究。在照明环境设计研究中，部分学者针对高大空间中以上突出的照明问题，提出了照明方式选择建议。部分学者5，6 提出应在重要节点空间增加局部重点照明，通过照度差异化来实现节能，结合分区照明分级控制，解决高大空间由于照明面广而照明功率大的问题;此外，由于高大空间照明需求量多且灯具布置相对密集，存有潜在眩光问题，在照明舒适性方面，Durak 等7 强调在照明分区设计上应该结合间接照明以改善照明环境。目前的研究表明，在高大空间中采用分区和重点照明设计，能够满足高需求
11、照明和低需求照明的不同要求，避免在低需求区产生照明浪费从而提高照明效率8-10。此外，照明方式在不同光环境指标下的照明性能关系到照明方式的设计选取和组合应用。对于照明指标，部分学者11-14 分析了不同光环境指标在建筑室内人工照明场景下的应用;对于照明方式，一些学者15-18 通过主观评价法、模糊评价或支持向量机等构建综合指标对各项照明方式进行了评估和选用;还有学者19-21 使用遗传算法和多目标优化实现室内照明环境的设计寻优。综上，现有针对高大空间照明环境的相关研究中，对具体照明方式的定量分析仍然较少，且缺少对照明方式的不同组合模式进行优选研究，因此本文基于照明仿真平台，对以高铁站房为例的高
12、大空间照明环境进行照明组合方式研究，对 3 类常用照明方式(一般照明、重点照明、间接照明)进行了分区照明效果分析和聚类分析，探究高大空间分区照明的照明效果，并研究 5 类光环境指标(水平照度、半柱面照度、统一眩光指数、照度均匀度、照明功率密度)的相关性，得到适用于高大空间的照明方式组合选型分级，为解决高大空间环境中各照明指标存在矛盾的问题提供照明方式选用思路。1照明仿真计算1.1典型模型提取1.1.1空间模型结合前人研究中对共计 10 座高铁站房及 5 套施工图图纸的调研1，2，以及对 8 套中小型高铁站图纸的总结，最终提取了典型高铁站大空间的空间长度、宽度和高度中的众数来确定典型模型参数。空
13、间尺寸参数如表 1 所示。为了使研究结论更具有普适性，除了典型参数模型，还对高大空间中的较高空间(19 m)1，2 进行了研究。DIALux 平台中用于照明仿真计算的空间模型如图 1 所示，根据高铁站站房设计现状划分了 4 类功能分区。表 1模型空间参数Table 1Typical model spatial parameters柱距/m长度/m进深/m高度/m典型空间场景12843615较高空间场景12964819图 1照明仿真模拟空间模型Fig.1Illuminated space model112照明工程学报2023 年 2 月1.1.2灯具布置根据前期研究和现有文献关于中小型高铁站照明
14、情况的现状调查1-3，确定典型灯具参数情况如表 2 所示。定义“典型灯具场景”为现有高铁站采用较多的照明方式，采用吸顶式内嵌筒灯。在此基础上，根据现有高铁站灯具参数范围，定义了灯具参数更优的值作为“改善型灯具场景”进行模拟研究，如表 2 所示。照明仿真计算中墙面和地面的反射比分别设置为 0.4 和 0.35。1.1.3照明方式在上文典型模型基础上，本文总结了常用的 3类照明方式，如表 3 所示。照明仿真模拟中的照明方式布置如图 2 所示，分别在立面和平面展示了表3 中的 5 类具体照明形式。通过在照明仿真平台中设置不同灯光场景，使用灯具开关功能来模拟不同照明方式组合下的照明环境。表 2灯具布置
15、参数Table 2Luminaire layout parameters功率/W光效/(lm/W)灯具数量 长 宽/个典型灯具场景60909 10改善灯具场景10011010 12表 3高大空间典型照明方式Table 3Typical lighting in tall space基础照明重点照明间接照明照明形式吸顶灯低空杆灯低空壁灯泛光照明定点投光照明灯具筒灯筒灯筒灯线条灯射灯配光曲线图 2照明灯具布置平立面Fig.2Lighting fixture arrangement1.2模拟工况设计本文基于 DIALux 仿真平台进行照明仿真计算，将上文中的 3 类照明方式(基础照明、重点照明、间接照
16、明)进行了正交试验设计，正交试验设计指的是从全面组合试验中挑选出有代表性的样本进行试验。采用如图 3 所示的正交方式，形成了 128 组第 34 卷第 1 期曾婧等:高铁站高大空间照明方式聚类分析和综合选型113由 3 类照明方式中的 5 类具体照明形式交叉组合的工况，采用该数量样本进行模拟以增加研究结果的泛化性。在照明仿真计算中输出了 5 项光环境指标(水平照度、半柱面照度、统一眩光指数、照度均匀度、照明功率密度)结果，用于不同照明方式和不同功能区域的结果分析。图 3照明模拟交叉组合示意Fig.3Lighting mode combination simulation2照明方式的光环境指标性能水平分析2.1光环境评价指标从功能性(水平照度、半柱面照度)、舒适性(照度均匀度、统一眩光指数)和节能性(照明功率密度)角度选取 5 类光环境评价指标，在开展模拟结果分析和聚类分析之前，通过相关性分析探究各指标之间的关联关系，以观察整体样本中的趋势，更好地运用指标构建选型应用分级。不同照明仿真工况下的5 类光环境指标结果如图4 所示，可以看到图 4光环境评价指标各工况水平值Fig.4Correl
