高校照明系統綠色節能策略研究

王春玲 陳琛 張晴 殷賑聲

1 引言

1.1研究意義

根據教育部2013年的統計資料，全國普通高校已達2790所，教職工近230萬人，在校學生超過3000萬[1]。同時，據不完全統計，高校年能耗近3 000萬tce（噸標準煤），高校學生的年均能耗遠高于一般城鎮居民能耗。高校作為電耗大戶，照明用電量占總用電量的40%-50%以上[2]。

隨著節能減排等基本國策的提出和高校綠色節能校園建設的開展，高校校園的照明質量與節能也越來越令人們所重視。照明設備分布廣、應用時間長、能耗大，對其節能改造具有良好的經濟效益。通過對部分高校的調查情況來看，高校照明用電存在的問題很多，高等院校的節能潛力較大。開展高校照明節能工作，不但可以為學校節省資金，支持為教學、科研等關鍵支出提供經費。更重要的是可以培養師生的節約意識，使之成為建設“節約型社會”的生力軍。另外，進入21世紀以來，國內外都更專注于研究并推行旨在節約電能、減少環境污染、有利人體健康的綠色照明工程計劃，我國也早在1990年代即提出了綠色照明計劃，但是由于節電技術措施不完善、節能宣傳不力、部分節能產品質次價高等因素的影響，高校照明綠色節能的推廣和普及仍存在很多問題。因此，從綠色節能技術角度深入研究高校照明課題很有意義。

1. 2 研究方法

通過大量的文獻瀏覽和對泰安三所高校（泰山學院、山東農業大學、泰山高等職業技術學院）的實地調研，了解目前高校照明及節能現狀；然后對現存節能技術方案進行比較分析；最后得出結論。

2高校照明用電現狀調研與分析

高校照明節能技術主要涉及1、樓內（包括教學樓、圖書館、辦公樓、實驗室、學生宿舍區），2、校園（包括景觀區、道路）等兩類公共場所的照明節電技術。

2.1 高校樓內照明用電現狀

高校樓內區域照明主要涉及教學樓、圖書館、辦公樓和實驗室的室內（包括教室、辦公室、實驗室、閱覽室、宿舍，本文主要以教室為主要研究對象）和樓道、衛生間照明。為使師生有舒適的教學和工作環境，無論是教室的面積、設施和照度，校方在力所能及的范圍內，都付出了十分的努力。但由于一般高校節能管理模式的粗放化、教室使用的開放化和師生節能意識的淡薄，加之人眼在高亮度條件下對亮度變化的不敏感，導致普遍存在白天室內照度很高的情況下仍然開燈的現狀；或者即使室內無人或人數很少仍然全部開啟室內照明；長明燈比比皆是，人走不熄燈的現象司空見慣。

樓道和衛生間照明燈的主要問題是長明燈現象嚴重。白天自然光照大于燈具光照的情況下，人們難以覺察到燈光的存在，這是造成白天長明燈的主要原因。而深夜人流很小甚至無人的情況下，如果最后離開教室的學生或值班人員責任心不強，樓道和衛生間燈具基本上也是全部開啟。

缺乏有效的技術控制和管理措施造成了大量不必要的電耗及支出。根據我們調查統計：80%以上的教學樓存在著在白天光照良好的情況下教室、樓道和衛生間燈具開啟及午休時間長明燈的現象。以中等教室（共有12盞日光燈，每燈功率40W）為例，每層教學樓約有教室30間，共六層計，則整個教學樓教室照明燈具總負荷約為86.4KW，再加上樓道、衛生間照明和線路損耗，一棟教學樓照明負荷約為150KW。若平均每天按減少不必要照明2小時、電費0.55元/千瓦時計算，1天就可節約電能300千瓦時，折合電費165元。以學生一年在校9個月計，一年即可節約電能8.1萬千瓦時，折合電費44.55萬元。推及全校及全國高校，數目驚人?？梢姡咝＝虒W樓內照明節能潛力巨大。

2.2高校校園照明用電現狀

高校校園是指高校校園內的交通和景觀區域，既是校園中夜間照明的框架和主要對象，又是體現校園莊重典雅人文氣息的重要載體。在校園內所進行的教學、科研、交流活動不同于城市市民生活或商業活動，高校校園應該充滿寧靜、平和、舒暢的氣氛，夜晚的照明環境應光亮柔和、清爽悅目，不允許光怪陸離、刺眼變幻。校園照明可分為功能性照明和裝飾性照明。功能性照明是指在一定的視覺環境質量下滿足行人和車輛夜間通行的暢通和安全需要，裝飾性照明則是滿足人們對美的欣賞要求，表現夜間校園恬靜優雅的學府氣質并有效預防夜間犯罪。

我國的高校校園建設近年來蓬勃發展，取得了顯著成就。但是，由于校園照明并無直接的國家標準作為指導，導致質量參差不齊。調查發現，校園照明主要存在以下問題：

（1）首先是后半夜路燈超功率運行。由于目前中國電網技術相對落后，導致高校電網波動過大，特別在后半夜用電負荷銳減，使得電網電壓甚至接近245V，這時額定功率為250W的路燈實際功率可達560W左右，多耗了近一倍的電量。同時由于超負荷運行，路燈燈泡使用壽命也大大縮減，實際平均使用時間不到一年。

（2）缺乏相關標準指導，照明水平兩極分化嚴重。有些高校不重視道路照明，校園夜間光環境過暗；而有些新修的大學城，過分地強調夜間形象，導致夜間光環境過亮，耗費大量的能源。

（3）缺少人性化的規劃，忽視道路照明對阻止校園犯罪的作用。有些高校只在人流車流量大的道路配置路燈，其余的道路則一團漆黑，為犯罪分子提供了可乘之機。

（4）開、關燈時間不合理。一年四季的開關燈時間固定不變或者實行冬夏制，與自然光環境的變化缺乏聯系，導致照明系統在自然光環境變化的情況下不能靈敏地開啟和關閉。

（5）忽視對學府氣質的營造，存在一定程度的光污染和眩光。有的高校校園照明光色過分妖艷，與場所自身屬性不符；有的高校采用高壓汞燈作為光源，十分刺眼，但路面照明效果和顯色性并不好。

為解決以上問題，實施國家節能戰略，保障師生擁有科學合理、安全有序、健康舒適的照明環境，高校照明的節能問題不得不提到重要的議事日程上來。

3 高校照明系統的綠色節能策略

3.1 國內外高校照明綠色節能的研究現狀

中國第一部《綠色校園評價標準》（標準編號CSUS/GBC 04 - 2013）將綠色校園定義為：在全壽命周期內最大限度地節約資源、保護環境和減少污染，為師生提供健康、適用、高效的教學和生活環境，對學生具有環境教育功能，與自然環境和諧共生的校園。中國《建筑照明設計標準》（GB 50034-2013）定義：綠色照明是節約能源、保護環境，有益于提高人們生產、工作、學習效率和生活質量，保護身心健康的照明。高校照明綠色節能理念的內涵不僅是節能，而且要滿足師生對照明健康、適用、低碳等要求。

隨著綠色、低碳、可持續發展理念的推廣和物聯網、通信及傳感等技術的進展，國內外高校對綠色照明的關注和研究日益深入。在美歐等國家，各大學制定了完備的校園夜間照明策略。如國際黑天空協會（International Dark-Sky Association（IDA））在其發行的第 23號（Information Sheet #23）文件中對校園照明提出非常細致的規定[3]，哈佛、芝加哥大學等都對校園照明通過專門的調查，制定了照明區域分類量化標準[5]。國內學者對高校照明也在進行著持續而廣泛的研究，如劉世英對高校校園道路照明的研究，對高校教室照明或教學樓節能管理平臺的設計也有廣泛的研究，但研究對象比較分散，缺乏針對校園整體照明策略的設計。所以我們通過對照明和研究現狀的綜合分析，提出以下高校照明綠色節能設計的策略。

3.2 高校照明綠色節能的基本原則

1、以人為本的設計原則

高校師生是高校照明的使用主體。所以，照明綠色節能設計的第一原則是以人為本，以師生的健康、安全、適度舒適為原則進行照明節能設計。

在照明節能設計中，要考慮到人的視覺特性。如，人在光強較低（昏暗的清晨、陰天或傍晚）時對亮燈是敏感的，但在光強較高時（開燈后、晴天等）對亮度的變化則不敏感。因此在教室或辦公室內開燈后往往會忘記關燈從而造成浪費。為此，可以通過照明節能系統中智能檢測與開關的設計實現自動操作，保證在滿足師生舒適性照明需要前提下的節能，這正是綠色節能的內涵。再如，在校園道路設計中，不同區域節能設計要采用不同的策略，校園主干道路作為交通干道應提供較高亮度，偏僻小道行人照明需要則可設計成聲控或紅外控制，實現有人才亮燈。

2、整體規劃的原則

要從校園的整體規劃出發，將照明節能納入統一的校園節能（節電、節水、供暖、空調）管控一體化平臺建設中，做出校園照明專項規劃，結合相關國家標準、主觀評價和當地特色，均衡功能性和裝飾性，通盤考慮綠色、節能和可持續的原則實施校園照明節能設計，并結合信息化校園建設，充分發揮校園網作用，實現網絡化節能管控。

3、充分利用自然光的原則

研究發現，自然光相對人工光源更有利于保護視力和提高學習工作效率[4]。因此，高校室內外照明節能設計均應采用自然光+人工光源的混合照明方式，并在技術方案設計中充分利用自然光。如路燈控制在不同季節開關燈時間應考慮到自然光隨季節的變化，樓內照明則區分室內和室外，有所區別（見下文）。

4、選用先進、可持續的照明節能技術成果

作為一門綜合技術，照明綠色節能隨著照明材料、物聯網、傳感器、計算機、新能源等技術的迅猛發展而呈現出日新月異的技術態勢。但是作為高校照明節能，一方面作為技術研發應用的前沿，要勇于嘗試、研發、應用新技術，另一方面考慮技術的可持續性和性價比，在整體系統設計上，則應遵循適度先進、相對成熟的原則。

3.3 高校照明綠色節能技術的應用

從上述原則出發，比較成熟的先進綠色照明技術主要有以下幾方面：

3.3.1選用高效照明燈具及節電產品

白光LED（Lighting Emitting Diode）照明燈不僅具有體積小、重量輕、低耗電量（相同照明效果比傳統光源節能近 80%）、使用壽命長（可達 6 萬 ～10 萬h，比傳統光源壽命長 10 倍以上）、高亮度、低熱量（冷發光技術）的優點，而且作為一個完全的電子產品，LED燈易于與各種類型傳感器關聯，實現光控、紅外控制等智能、簡化、經濟的照明。據調研，目前高校教室普遍采用T5-28W 三基色熒光節能燈。即使選用綜合性能較差的 LED 燈替換，每年的使用成本即可節約 40%（實際會更高）[6]。因此，在高校樓內教室、樓道、衛生間及校園路燈、景觀燈等照明燈具均可選擇LED燈具，配合智能網絡化管控系統，更易于實現綠色節能照明。

綜合壽命、光效、經濟性、顯色性等指標，目前照明路燈高壓鈉燈應屬首選。純步行的校園道路、景觀設施照明、綠化照明以及其它的裝飾性照明，則可以采用性能好、壽命長的緊湊型熒光燈或節能燈。

對于現有熒光燈燈具，應予以節能改造，推廣使用電子鎮流器替代傳統電感鎮流器，安裝反射罩等以減小功耗，改善采光效果。

3.3.2采用先進的綠色照明智能節電控制系統

智能化控制是未來照明節能控制發展的趨勢。作為科技研發前沿的高校應致力于先進智能化照明控制技術的研發和應用試點與推廣，為建設節約型社會提供表率。目前比較成熟的智能照明控制技術主要有：

1、樓內智能照明控制技術

在樓內照明控制中，主要釆用遠紅外智能控制開關、光控或分區分組照明控制。

遠紅外智能控制開關的技術支撐為以人體溫度為檢測目標的熱釋型紅外傳感技術。只有當人進入其探測區域時，紅外傳感器將人體與空間溫度的差值信號傳遞給控制系統，實現對照明開關電路的驅動。在控制電路中一般同時加入自然光照度檢測電路，遵循自然光優先原則，在室內照度達標情況下，即使室內有人或強行開燈都不予支持，杜絕了白天室內照度達標而開燈上課的嚴重浪費。

衛生間和樓道則應用新型聲控開關和LED燈具，有人走過才開燈，并采用延遲閉燈技術，充分滿足行走照明需要，同時又能夠。以上紅外、聲控、光控、分區檢測等智能化的自動控制系統既減少了照明用電，又延長了照明產品壽命。

教室內照明并不總是需要均勻一致的照度，如多媒體教室上課時不同區域（黑板區、屏幕區、觀眾區）會有不同照度要求（見圖1），自習室里常常只有少量學生分散就坐。為實現綠色節能舒適照明、開燈節電的目標，教室照明控制應該實現分區、分組照明控制。對有高照度特殊要求的局部區域采用局部照明并設置獨立開關單獨控制，以保證當人離開時能夠自動關閉，以減少不必要的電能浪費。

2.高校校園照明節能控制技術

高校校園照明系統包括主干街道照明、步行道照明、廣場運動場照明、建筑物重點照明、景觀重點照明等，具有照明面積巨大而分散、場景多樣的特點，應根據不同使用場合和使用特點，平衡功能性和裝飾性需求和節能與可持續原則，進行整體規劃和分類設計。

（1）路燈照明系統可以選用太陽能路燈，利用白天的太陽能發電為夜晚路燈供電；景觀照明系統主要采用LED燈具，減少高耗能射燈。

（2）實行半夜燈。高校校園下半夜基本沒有行人，多數道路上可以實行半夜燈。實施方案首選采用雙光源燈具（或在同一桿上重疊安裝兩臺燈具），下半夜關閉同一燈具的一支燈泡（或另一燈具），優點是路面（或照度）均勻度保持不變；也可以采用雙功率鎮流器，即能自動降低燈泡功率的節能型電感鎮流器或電子鎮流器，以便下半夜自動降低燈泡功率（最多約可降低 40%燈功率）；關閉所有裝飾性照明；不建議采用關掉一半燈具（如間隔關燈）因為照度均勻性差導致安全性大大降低。

（3）采用智能節能控制器，根據光強檢測配合定時方式確定開、關燈時間；根據電流檢測調整燈具功率；根據場合需要靈活選擇控制方式，如主干道統一控制，偏遠少人處則采用聲控延時開關，景觀燈則采用預設功能控制等。

3.高校照明節能管控平臺建設

綠色校園建設是一項涉及照明、動力、空調、暖氣、用水等功能的系統工程，隨著校園信息化建設、綠色節能標準的制定和通信及物聯網技術的發展，校園節能監管與控制一體化平臺的建設已成為國內外高校節能管理的主流趨勢。節能管控平臺一般以校園網為基礎，綜合能耗監測、教室照明控制、空調用電控制、校園路燈管理、供暖監控、節水控制等于一體，對校園能耗管理和控制構建智能網絡化體系，最大限度提高資源利用率，節能降耗。照明節能作為其子系統存在，通過無線網絡（如ZigBee）、智能控制（如專家控制、模糊自適應PID）、數據庫等技術的綜合應用達到了更靈活、高效的綠色節能效果。如圖2是某高?；赯igBee技術的教學樓照明控制系統[7]。

4 結語

照明綠色節能是國家綠色可持續發展路徑下高校建設的必然選擇。本文通過對高內外高校照明與節能現狀的調研分析，提出了高校照明節能的基本原則，并給出了綠色照明節能的主要技術策略，為高校照明節能研究提供參考。

參考文獻：

[1]干靚.美國綠色學校評估體系及其實踐研究[C].2011年第七屆國際綠色建筑與建筑節能大會論文集.北京：2011.3

[2].譚紅衛.高校節約型校園向綠色校園縱深發展的探索和思考[C].第九屆國際綠色建筑與建筑節能大會論文集.北京：2013.4

[3]] http：//www.darksky.org/：國際黑天空協會（International Dark-Sky Association（IDA））第 23 號（Information Sheet #23）文件.

[4] Rea MS，Bullough JD. A new framework for lighting practice[J]. Lighting Research and technology. 2001. Vol. 19（2）：90-105

[5]劉世英：高等學校校園道路照明研究[D].重慶大學碩士學位論文，2005.4.

[6]周霜，楊蕾，廖永丹，浦鴻宇.高等學校照明節能改造——以四川某大學校區為例[J]. 建筑節能2014.12（總第 42 卷 第 286 期.88-90）.

[7]王春玲，陳華標，王美紅. 基于ZigBee的高校教學樓照明管控系統設計[J].電子技術2016.12.