自動調節LED亮度在建筑照明節能應用探析

許國順， 馮天麒， 鄧國浩， 王易琳

(武漢科技大學城市建設學院， 湖北武漢 430065)

自動調節LED亮度在建筑照明節能應用探析

許國順， 馮天麒， 鄧國浩， 王易琳

(武漢科技大學城市建設學院， 湖北武漢 430065)

夜晚以及特殊天氣的照明需要，決定了照明系統作為教育硬件的一個重要部分。在大部分學校教室中，教室的照明系統依然采用最普遍的熒光燈管進行光線的補充，而由于初期建設規劃不夠嚴謹以及成本等條件的制約，在照明方面，存在著相當大的能源浪費現象。文章就此現象進行實地調查與測量，從而提出自動調節LED亮度方法在教室照明，乃至建筑照明方面的應用。

建筑照明； 自動調節亮度技術； LED； 節能； 教室

隨著經濟與科技的發展，教育的硬件水平也不斷提高，例如教室內的多媒體設備，包括計算機、投影儀、揚聲器等，都為教學提供了非常大的幫助；教室的照明設備，也能讓教學在夜晚以及惡劣天氣得以正常進行。但是由于現在的許多設備還不夠完善，以及大家的節約意識還不高，更沒有養成節約能源的習慣，所以在日常對設備的使用過程中，造成了能源浪費情況的發生。本文就教室的照明系統入手，進行實地調查與測量，經過對測得的大量數據進行統計與處理，并仔細查找與閱讀多方面文獻，發現在日常的教學過程中，在照明這方面的確存在著能源浪費的情況。例如，在晴朗的天氣，教室可完全憑借自然光或者僅需要少量的光線補充，便完全可以提供教學所需要的室內光線量；或者在沒有課程安排的空閑教室，也會存在著照明系統全開卻室內無人的情況。由此，本文將討論有關LED燈通過自動調節亮度的方式在節能方面的應用，在保證滿足教學需求的基礎上，加以延展，經過論證，闡述一種在建筑照明上節約能源的方法。

1 教室照明用電量現狀

學校照明用電在學校用電量比例由表1可知，2013年占比52.28 %，并且呈現穩步增長的態勢，而教室照明用電量占據了學校照明用電量的大部分[1]。

表1 2010-2013年全國學校用電量及照明用電量

所以教室的室內照明節能意義十分重大，對于節能環保以及現代建筑智能化具有重要意義。而大學教室的照明需求量十分巨大，照明質量需求也直接影響到學生的視覺心理、生理反應、學習效率，而照度是最直接而且與能耗最相關的項目，照度過低、過高均對學習會產生不良影響[2]。過高的照度，還附帶會產生更高的能耗。由于早期建設成本的控制以及技術的制約，大學教室的照明往往是很多個燈并聯在一個控制器上，這就導致了照明亮度不能夠保證根據實際情況進行細微調節需求，加上很多師生不注意節約能源，出現了很多人在燈亮、人少燈全亮、白天亮燈等浪費情況。在其他建筑照明方面，往往也由于人們不注意節約加上成本控制的原因，照明設備也不能滿足節能環保的要求。LED 作為第四代照明光源發展至今，已取得了一定的技術研究成果, 目前廣泛應用在道路照明、商業照明、辦公照明等各個領域。 從其實際使用情況來看, 確實取得了很好的照明效果和節能效果。 而在教室照明領域, 盡管部分廠家使用LED燈管來替換熒光燈管, 在節能方面取得一定的成功, 但仍無法改變目前教室照明的整體困境[3]。總之，在學校教室照明用電的情況中，存在著很多浪費的情況，我們可以在這個方面進行優化。

2 實地測量及理論模型

2.1 LED燈對比優勢

由于熒光燈管的阻抗隨工作電流的增加而減小，因此對其亮度進行調節也十分困難，尤其是大亮度調節比的場合[4]。熒光燈管的性質決定了調節亮度的難度與成本不符合節能環保的要求，新型的LED照明系統具備了容易進行亮度調節的特點。所以，結合自動調節亮度功能的LED照明系統，它具有實時調節亮度以維持高質量照度需求、節約能耗等特點。

2.2 實地測量，對比國標，理論分析

根據GB 50034-2013《建筑照明設計標準》(下文簡稱《標準》)規定，教室課桌面積平均照度應該不小于300 lx，才能滿足正常的照度需求。根據此標準，選取有代表性的教室進行細致測量，通過多時段、多地點的測量方式測得部分教室在無照明光源和現有照明光源條件下的照度情況(表2)。

由此可知，我們看到教室的日光照度是從晚上的最低值到中午到達峰值，然后又隨著時間慢慢降低，降到最低值，這也符合室內日光照度一般規律。所以在早上和晚上的時間往往需要打開照明系統來補充亮度，達到教學使用的目的。由表可知，在早上八點時，大部分的教室僅僅依靠太陽光，達不到國家規定的不小于300 lx照度的要求。而在打開照明系統之后，發現大部分的教室滿足了《標準》的照度需求，也有部分教室也超出這一標準很大部分，而超出的這一部分，我們完全可以節省下來，達到節約能源的目的。隨著時間的推移，在室內采光足夠好的條件下，日光照度已經滿足了《標準》的照度要求，所以這時候大部分的教室已經不需要打開照明系統就足以滿足正常的教學要求，而此時再打開照明系統就是不必要的浪費。基于此，我們可以得出一個結論：在天氣晴朗、室內采光良好的條件下，以《標準》對室內照度的要求為標準，一天中，在日光照度慢慢升高的過程中，打開照明系統進行照度補充，會使得室內照度高于《標準》，并隨著時間的增加而增加；當日光照度升高到超出《標準》規定的照度時，已經不需要照明系統進行補充就可以滿足人們的日常使用了；而隨著日落日光照逐漸下降，下降到低于《標準》規定的照度時就需要打開照明系統進行補充，并會以超過《標準》規定的照度慢慢下降至最低值。這個過程中，我們可以通過調節照明系統的亮度來使得室內照度滿足規定要求的情況下，降低能源的使用。

表2 部分教室照度測量情況 天氣晴lx

而LED光源的特性，它產生的光照的強度和它所需要的能量是正相關的，也就是說在降低了它的亮度之后可以節約能源。

3.3 建立能耗模型

我們建立一個模型，假設按教室照明用電占學校照明用電量50 %計算，每間教室在不使用任何節能照明產品的前提下，每天從7∶00～21∶00亮燈，共計14 h，日光照度從7∶00的0 lx到峰值300 lx再到21∶00的0 lx，功率為P1，所以一天的總能耗W1=14P1，而應用了帶有自動調節亮度功能的LED照明系統之后，假設最高功率仍為P1(實際上同等照度的LED光源遠比熒光燈功率低)，實際功率P2就是一個一次函數：

取學校照明總耗電量2010～2013平均值159.565億kW·h，應用該系統后每一年可以節約159.565×50 %×1/2=39.9(億kW·h)，按每度電0.6元計算，一共可以節約近24億元人民幣。而對比這種模型，實際情況中，由于舊設備的老化問題、教室實際使用時間往往比假設的少、教室照明占學校照明用電量往往大于50 %、LED光源本身就具備了節能特性等條件下，節約的能源會比模型中高很多，所以不管是從經濟上還是節約能源上面都有很大的應用價值。

3 一種燈光智能控制系統

本設計以低功耗單片機MSP430為主控部件采用熱釋電感應器檢測人體的存在,運用光敏三極管檢測背景光的強度,通過恒定電流源來控制LED燈光的強度, 依據教室開關燈的時間，在規定的時間內對人體和背景光進行檢測,對LED進行亮度調節，實現教室燈光的智能化控制，減少教室電量消耗。控制系統硬件組成以MSP430為微控制器輔以外圍電路如熱釋電紅外傳感器模塊、DS1302時鐘電路、AD/DA數據采集處理系統模塊、背景光檢測模塊和 LED 驅動模塊。其系統硬件框圖如圖1所示[5]。

圖1 系統硬件框圖

4 結論

由以上分析，我們得出LED燈通過自動調節亮度在教室照明中應用會產生很高的節能、經濟效益，根據保守理論預測，至少會節約39.9億kW·h的電量，節約巨大的社會資源。由于LED產業屬于新興產業，以教室的光源更換勢必帶來整個行業的進步，屆時會隨著技術的提高，產品能耗會越來越低，越來越智能，產生一個良性循環，這不管對于師生還是社會發展都有幫助。同時由于它無需人為控制即可做到自啟自停自動調節，降低了使用成本，減少了不必要的麻煩，體現了科技的以人為本。

5 討論與建議

由于我國前些年的經濟條件制約，教學設施建設初期確實存在很多問題，隨著我國經濟的發展，以往一些環境不夠友好的設備終將會淘汰，科學技術水平也得到極大地提高。智能已經成為了每一件事物前進的目標，智能化讓我們的生活質量得以改善。技術發展的最終目的就是服務于人類的生活，科技還是要回歸到人類本身，所以我們將看到越來越多的高端技術下放并應用在日常的生活當中，這樣我們的生活質量得到很好的提高，同時，也能夠做到對環境的友好。而LED燈的智能調節亮度正是基于這個目的，減少人類的負擔，減少操作量，降低能耗，做到環境友好。而LED燈對比熒光燈除了更加的節能，還在色溫、頻閃等方面有著巨大的優勢，對于提升教學質量有很高的幫助。

由于實驗條件的制約加上教室光源的復雜性，我們盡可 能的簡化了其他方面的影響，單從節能方面進行測量，但實際情況中，除了教室照明這一方面，還是有很多其他方面的問題值得我們去探討。我們不能僅僅局限于經濟、能源方面的問題，往往需要我們從其他的角度去考慮。比如在教室照明的亮度方面，到底哪個范圍的亮度是最為合適的，國家標準可能也有提升的空間，國際上各個國家對于這一項標準存在著極大的爭議[5]。而光照強度，不僅僅影響到學生們是否看得清黑板上的字、能否更高效率的學習、對于健康是否有影響，它甚至可能對師生們的心理產生影響[3]。

對于帶有自動亮度調節功能的LED光源在教室的應用方面，有下面兩點建議：

(1)學校應該充分了解到LED光源對比現有的熒光燈光源的各方面的性能、能耗方面的優勢，經過論證來決定在長期的使用當中，對于經濟、節能、師生是否有益。

(2)建筑行業也應當開發出具有優勢的產品，并將之拓展在除了教室之外的其他室內建筑照明甚至室外公用建筑的照明上，將節能的優勢進一步擴大。

[1] 鄭炳松，高飛，郭興翠.我國照明用電量的調查分析[J].中國照明電器, 2016(10)：18-22.

[2] 黃海靜.大學教室照明中的光生物效應研究[D]. 重慶大學，2010.

[3] 鐘雄，侯洪才，喬慶飛. LED智能照明在中小學教室中的應用[J]. 照明工程學報， 2016，27(3)：51-55.

[4] 王元慶. 脈寬調制亮度調節方式下冷陰極熒光燈性能的實驗研究[J]. 發光學報， 2004，25(4)：455-459.

[5] 李淵，李寶營，穆艷. LED可調光自動控制系統設計[J] . 液晶與顯示， 2011，26(1)：96-99.

[定稿日期]2017-07-24

許國順(1998～)，男，本科在讀，土木工程專業。

TU113.6

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