書架照明的節能優化設計研究

李　媛，王書曉，羅　濤

(中國建筑科學研究院，北京　100013)

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書架照明的節能優化設計研究

李媛，王書曉，羅濤

(中國建筑科學研究院，北京100013)

摘要：圖書館建筑書架照明不僅要滿足《建筑照明設計標準》GB 50034—2013對照明數量、質量的要求，還應實現設計節能。本文選取7款不同的燈具配光應用在典型行道寬度的書架照明中，通過模擬計算比較研究了不同行道寬度時燈具配光的三個指標——光束角θ、光強比Imax/I30、區域光通比η4,5,6與光通利用率U的關系，最終提出書架照明節能優化設計時燈具配光選型的建議，以及燈具光通量參考值和書架垂直面照明功率密度參考值。

關鍵詞：設計節能；光通利用率；燈具配光；書架照明；LED 平面燈具

引言

根據2012年統計數據，我國共有縣級以上公共圖書館3076個，高校系統圖書館1100多個，科研專業圖書館8000多個，其中公共圖書館有85%建于1995年以前[1]，建設年代久，照明設施陳舊，光環境質量下降,照明能耗過高。在這些大型公共圖書館中，藏書區使用面積比例占30～35%[2]，且照明安裝功率通常很大，蘊藏著較大的節能潛力。據相關研究[3]測量與調查結果可知，書庫照明能耗過高，基本書庫LPD范圍為9～36W/m2，輔助書庫LPD范圍為8～37 W/m2。主要原因有：技術落后、光源光效低(光源多采用鹵粉T8熒光燈)；垂直面照度遠遠超出了國家標準；布燈方式未考慮書架排列，光通利用率低；采用的燈具配光選型不合理。在確定合理的照明數量質量標準并且采用能效更高的燈具的前提下，光通利用率越高，LPD 越低，節能效果越好。一方面布燈方式和燈具配光是直接影響照明系統光通利用率(利用系數)的因素。另一方面光通利用率與室形指數密切相關，書架照明反映室形指數的指標是書架間行道寬度，這不僅直接關系到書庫的LPD(行道窄LPD高)，而且與不同燈具配光組合還會影響書架垂直面的照度和均勻度。

另一方面，半導體照明技術在顏色科學、光學、能效、調光、數字控制幾個技術層面的突破促進了LED燈在室內照明應用領域的不斷發展，結合LED照明產品特征，實現照明設計的創新是今后的發展趨勢。LED燈具和傳統燈具在配光設計上存在區別，因此有必要對各種在主流光源為熒光燈的技術背景下提出設計方法重新進行審視。

本文選取7種不同配光的LED平面燈應用于幾種典型行道寬度的書架照明，通過模擬計算，分析討論了燈具配光與照明數量、質量、光通利用率的關系，最終提出燈具配光選型技術要求、提出燈具光通量參考值；提出書架照明功率密度參考值，為同類型建筑節能優化設計提供參考。

1研究現狀

1.1照明標準現狀

表1　國內外相關標準規定的書庫、書架照度標準值比較[4]

表2　圖書館建筑書庫、書架照明標準值[5]

1.2設計方法現狀

國外關于書架照明設計研究的關注點多為智能開關或調光與節能，而關于燈具配光選擇的相關研究鮮見。對于普通書庫照明，一般采用平行行道方向布燈，將書架照明用燈安裝在書架間行道上空。基于平行行道的這種布燈方式，相關設計導則[6]建議：書架間行道照明的專用燈具宜具有窄配光光強分布特性。燈具在橫向(A-A方向)應盡量減少30°～60°區域內的光強分布，提高下部書架的垂直照度，一般宜滿足

(1)

式中：I0為燈具在0°方向上的光強值(最大值)；I30為燈具在30°方向上的光強值。

該設計方法以提高書架下部照度為目的，提出了描述書架照明推薦燈具光強分布特性的三個指標——光束角θ、光強比I0/I30(Imax/I30)和區域光通量Φ4,5,6的建議。依據北美照明設計手冊對區域光通比[7]的定義，本文采用η4,5,6這一指標進行研究，該指標是指燈具發射到30°～60°區域內的光通量與燈具發出的總光通量之比，按式(2)計算。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：η4,5,6燈具在30°～60°錐角范圍內的區域光通比；ΦN為燈具在第N個區域錐角范圍內的區域光通量。北美照明設計手冊將燈具光強分布從最低點到頂點按每10°劃分，定義了18個圓錐立體角；IθN為燈具第N個區域的光強；θN,θN+1為燈具第N或第N+1個區域邊界的錐角；Iθ為某一錐角的平均光強；Iθ,0°、Iθ,45°、Iθ,90°為某一錐角在0°、45°、90°三個方向上的光強值。

該設計方法是在主流光源為熒光燈的技術背景下提出的，LED和熒光燈在燈具配光設計上存在區別，隨著LED照明技術及其在室內照明應用中的發展，有必要對該設計方法重新進行審視。

2節能優化研究方案

2.1研究方法

其中，光通利用率是按下式計算得到的：

(6)

(7)

2.2書架模型

本文根據圖書館建筑相關設計規范的規定[8]，參考《圖書館建筑設計手冊》，另一方面考慮到我國圖書館目前由閉架管理向開架管理發展，行道加寬的趨勢，分別建立7種典型行道寬度的書架模型，如圖1所示。書庫凈高3m，頂棚、墻面和地面的反射比分別取0.7、0.5、0.3。開架書庫書架高度取1.8m，閉架書庫書架高度取2.1m。燈具安裝位置應滿足安全、防火的要求，燈具與文獻藏品等易燃物的垂直距離不應小于0.5m[7]，因此燈具安裝高度根據書架高度確定。燈具安裝間距應滿足均勻度和節能要求的最大允許距高比。

2.3燈具模型

本文選取7種燈具配光的 LED平面燈進行比較研究，根據IES文件計算得到反映燈具光強分布特征的三個指標：垂直書架方向上的光束角θ、光強比Imax/I30、立體角30°～60°范圍內的環狀光通比η4,5,6。在構建燈具模型時還考慮了最大光強的夾角和對稱一側的光束角，所有配光特征指標見表3。

表3　7種燈具的配光特征指標

3計算結果分析

3.1燈具配光與書架照明數量質量及光通利用率

根據表4的條件進行計算，對結果進行分析得到：

表4　計算條件

圖2　不同行道寬度燈具配光與書架下部垂直照度的關系(燈具最大光強夾角≤40°)Fig.2　The relation between distribution of luminous intensity and vertical illuminarce at the bottomof book stack for different aisle width(燈具最大光強夾角≤40°)

2)光強比Imax/I30、區域光通比η4,5,6與光通利用率U：

圖3　不同行道寬度燈具配光與書架下部垂直照度的關系(燈具最大光強夾角>40°)Fig.3　The relation between distribution of luminous intensity and vertical illuminarce at the bottomof book stack for different aisle width(燈具最大光強夾角>40°)

圖4　不同行道寬度燈具區域光通比與光通利用率的關系Fig.4　The relation between proportion of flux and utilance for different aisle width

圖5　不同室形指數燈具配光與光通利用率Fig.5　The relation between distribution of luminous intensity and utilance for different aisle width

將兩類燈具分析結果綜合，并結合3.1節，在滿足標準值要求的前提下，行道寬度≤1.2m時為保證較高光通利用率燈具的光強比應滿足1≤Imax/I30<1.5；且不同行道寬度為達到較高光通利用率η4,5,6應取不同值。

3)燈具光束角θ：

如圖6所示，隨著燈具光束角增加，配光類型由窄配光變為中等配光，各種行道寬度的書架垂直面照度均勻度均有不同程度的下降，且由于光束角與行道寬度適宜程度不同，照度均勻度與標準值0.4的接近程度也不同。同時，如圖7所示，在本文所選的窄配光和中等配光的光束角范圍內，行道較寬時，書架垂直面光通利用率隨光束角增大均逐漸提高；行道較窄時，光通利用率隨光束角增大有小幅提高，然后逐漸降低。

圖6　光束角與照度均勻度的關系Fig.6　The relation between beam angle and uniformity ratio of illuminance

圖7　光束角與光通利用率的關系Fig.7　The relation between beam angle and utilance

大于1m的幾種行道寬度也存在同上的問題，即中等配光時光通利用率高但照度均勻度不能滿足標準要求，因此采用中等配光的燈具需提高對稱一側配光的光束角(36°)來提高均勻度。

3.2書架照明燈具光通量

行道寬度/m書架高度/m0.75～11.8～2.1光通量參考值/lm1500、2000

按照燈具效能95lm/W進行計算, 如圖9所示。隨著光通利用率的提高，書架、書庫LPD均能得到不同程度的降低。達到同一光通利用率時，行道1m寬的書架LPD略高于行道窄的情況；如按書庫計算LPD，則達到同一光通利用率時，行道0.75m的閉架書庫LPD高與行道寬的開架書庫，這僅是由于書架排列決定的燈具數量造成的。滿足標準要求基礎上，本文模擬可達到的光通利用率最高值時，行道寬1m，高1.8m書架的LPD和行道寬0.75m，高2.1m書架的LPD均可做到1.5W/m2。將書架垂直面的LPD折算為書庫LPD，隨光通利用率不同，開架書庫LPD在4～6W/m2，閉架書庫LPD在6～8W/m2，與現狀(9～36W/m2，8～37 W/m2)相比有大幅降低。

圖9　書庫、書架照明功率密度Fig.9　Book stack lighting power density

一方面由于書庫LPD除與設計相關，還與書架排列、行道間距等因素相關；另一方面，書架照明標準以書架立面垂直照度及均勻度為評價指標，因此建議以書架垂直面的照明功率密度進行書庫照明的設計節能評價。

4結語

書庫照明標準值(50lx和0.4)是對照明數量質量的最低要求，僅滿足該值不能保證書架垂直面具有較高的光通利用率，需進行節能優化設計。

1)關于書架照明燈具配光。已有研究為提高書架下部照度提出了θ、Imax/I30和η4,5,6三個指標，本文在此基礎上，本文從滿足標準要求和提高光通

利用率降低LPD兩個角度，進一步明確了已有研究的適用范圍；從節能優化角度優化了燈具配光指標Imax/I30、η4,5,6的取值；補充了配光類型。依據行道寬度提出的選擇燈具配光參數的建議值見表6。存在問題：1)原設計方法的適用條件是較窄行道采用最大光強夾角為0°的燈具；2)以提高光通利用率為目的進行燈具配光選型仍采用Imax/I30、η4,5,6并不恰當；3)書架照明可選擇中等配光，條件是最大光強夾角>0°，并根據行道寬度和燈具安裝高度確定該夾角的角度，且采用中等配光時需增加對稱一側的光束角的技術要求。書架照明進行節能優化設計僅依據這三個指標選燈還不夠全面，尚需補充描述燈具配光的技術指標，例如最大光強夾角>0°的這類燈具對稱配光一側的光束角及布燈影響書架垂直面的照度均勻度，應進一步研究。

表6　典型行道寬度書架照明燈具選型的配光參考值

2)本文根據典型的書架高度和行道寬度，給出燈具光通量推薦值。

3)建議以書架垂直面的照明功率密度進行書庫照明的設計節能評價。

參考文獻

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[2] 公共圖書館建設標準：JB 108—2008[S].

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[4] GB 50034—2013建筑照明設計標準實施指南[M].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[5] 建筑照明設計標準：GB 50034—2013[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[6] 照明設計手冊[M].北京：中國電力出版社，2006.

[7] IESNA. The lighting handbook[M].

[8] 圖書館建筑設計規范：JGJ 38—2015[S].

[9] LED室內照明應用技術要求：GB/T 31831—2015[S].

Research on Energy-saving Design of Book Stacks Lighting

Li Yuan，Wang Shuxiao,Luo Tao

(ChinaAcademyofBuildingResearch，Beijing100013，China)

Abstract：Lighting for book shelf is not only evaluated with the lighting quantity, quality requirements on Libraries in GB 50034—2013Standardsforlightingdesignofbuildings, but also should be energy efficient lighting.7 different types of IES photometric data are chosen with application in the shelf lighting with typical aisle width.This paper concentrates on the relationships between the three parameters of optical performance—beam angleθ, the ratio of Imax/I30, proportion of flux in the solid angle zones of 30°～60°widthη4,5,6, and utilanceU. The reference value of optical performance，the luminous flux, LPD is proposed eventually for energy-saving optimization design.

Key words:energy-saving; utilance； distribution of luminous intensity; book shelf lighting; LED panel luminaire

基金項目：國家863課題“智能化半導體照明產品開發及其在節能建筑中的應用”(2013AA03A111)

中圖分類號：TM923

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.002