建筑照明系統(tǒng)分析

秦旭

摘? ?要：為實(shí)現(xiàn)建筑照明系統(tǒng)的節(jié)能，需要對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的特征分析，因此，文章從照明控制系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程的角度出發(fā)，關(guān)注各個(gè)階段使用的技術(shù)手段及其節(jié)能理念，并在此基礎(chǔ)上對(duì)影響照明系統(tǒng)能耗的因素進(jìn)行總結(jié)，將其分為主要因素以及次要因素兩類。根據(jù)節(jié)能角度的不同，提出了不同的節(jié)能方式，實(shí)現(xiàn)綠色照明。

關(guān)鍵詞：照明系統(tǒng);動(dòng)態(tài)調(diào)光;節(jié)能

城市化步伐的加快，出現(xiàn)了大量的公共建筑，這就使得建筑能耗的問(wèn)題日益突出。根據(jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計(jì)表明，2015年全國(guó)建筑能耗就已占據(jù)全國(guó)能源消費(fèi)總量的20%。在電能消耗上，照明能耗占到整個(gè)建筑電量能耗的25%～35%，占全國(guó)電力總消耗量的13%[1]。因此，公共建筑的照明節(jié)能已經(jīng)成為建筑節(jié)能的重要環(huán)節(jié)之一，為實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)節(jié)能，需對(duì)其進(jìn)行特征分析，以便使用適宜的照明控制技術(shù)。

1? ? 照明控制系統(tǒng)

照明控制系統(tǒng)就是把多種照明控制方式有機(jī)整合，使它們相互配合、協(xié)調(diào)工作，達(dá)到控制光環(huán)境的目的。采用適宜的照明控制系統(tǒng)不僅能夠滿足人對(duì)光環(huán)境的需求，還能節(jié)約能源。通常依據(jù)人工照明控制方式的不同，可將系統(tǒng)分為3個(gè)不同階段[2-3]。

1.1? 傳統(tǒng)照明

傳統(tǒng)照明控制方式，控制的主要途徑是使用手動(dòng)控制，通過(guò)配電線路中的開(kāi)關(guān)來(lái)控制回路的轉(zhuǎn)臺(tái)，以此來(lái)進(jìn)行燈具的開(kāi)關(guān)操作。傳統(tǒng)照明控制方式雖然簡(jiǎn)單有效，但不足之處在于其嚴(yán)重依賴個(gè)人，系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較低，難以滿足人們對(duì)光環(huán)境的要求。

1.2? 自動(dòng)照明

自動(dòng)照明控制使用數(shù)字控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具的遠(yuǎn)程控制。該方式在對(duì)燈具的統(tǒng)一管理方面做出很大的改進(jìn)，其自動(dòng)化程度有了明顯提升，但該方式未實(shí)現(xiàn)燈具的調(diào)光控制，且存在不能提供預(yù)設(shè)置的場(chǎng)景功能等缺陷。

1.3? 智能照明

通常，智能照明控制通過(guò)使用當(dāng)前的科學(xué)技術(shù)，如自動(dòng)控制以及光學(xué)知識(shí)等，對(duì)信息進(jìn)行采集，并進(jìn)行處理計(jì)算，之后對(duì)計(jì)算結(jié)果加以應(yīng)用，最終完成控制需求。智能照明系統(tǒng)的出現(xiàn)、發(fā)展及應(yīng)用，大幅度提升照明的質(zhì)量，且通過(guò)各種技術(shù)手段降低了系統(tǒng)的運(yùn)維成本。

2? ? 照明系統(tǒng)的能耗分析

隨著世界能源危機(jī)的爆發(fā)，人們?cè)谠O(shè)計(jì)照明系統(tǒng)時(shí)，還需考慮照明系統(tǒng)的能耗。影響建筑照明系統(tǒng)能耗的因素有很多，在系統(tǒng)的運(yùn)行中，線路及元器件的電能損耗不會(huì)因外部因素發(fā)生劇烈的波動(dòng)，這些能耗是固定的。此外，墻壁的反光系數(shù)通過(guò)影響燈具數(shù)量間接地對(duì)照明能耗產(chǎn)生影響，影響程度較低，因此，這些因素都屬于次要因素。在照明系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，燈具的能耗會(huì)隨著調(diào)光輸入的大小、系統(tǒng)的控制方法、自然光等發(fā)生巨大波動(dòng)，因此，這些因素是影響照明系統(tǒng)能耗的主要因素。

2.1? 室內(nèi)燈具類型

在建筑照明系統(tǒng)中能耗的主要對(duì)象為燈具的電能損耗，為減少建筑照明系統(tǒng)的能源消耗，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)選擇合理的燈具至關(guān)重要。建筑照明中使用的燈具經(jīng)歷了從白熾燈至熒光燈、節(jié)能燈、LED燈的發(fā)展過(guò)程。回顧照明系統(tǒng)中燈具的變遷，其發(fā)展經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次的變革創(chuàng)新，卻始終離不開(kāi)節(jié)能與環(huán)保這一理念。

2.2? 室外自然光源

自然光主要通過(guò)采光口影響室內(nèi)環(huán)境，當(dāng)自然光利用受到時(shí)間和場(chǎng)合的限制，無(wú)法達(dá)到要求的照明標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要開(kāi)啟人工光源來(lái)改善室內(nèi)的光環(huán)境[4-6]。自然光隨著季度的更替呈現(xiàn)不同的照明效果，如夏季日照時(shí)間較長(zhǎng)，系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間縮短，而冬季日照時(shí)間較短，則系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，照明系統(tǒng)能耗亦相應(yīng)地隨之呈現(xiàn)較為規(guī)律性的變化。

2.3? 照明控制方法

建筑用途不同，則建筑照明系統(tǒng)依據(jù)不同的照度標(biāo)準(zhǔn)，以利用自然光、人工光源進(jìn)行補(bǔ)充為原則，采用不同的控制方法，營(yíng)造舒適、節(jié)能的光環(huán)境。當(dāng)室內(nèi)光環(huán)境的照度標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法通過(guò)自然光的調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)成，則需開(kāi)啟燈具補(bǔ)充照明。

2.3.1? 分區(qū)控制

分區(qū)控制是將照明區(qū)域劃分為具有不同照明需求的功能區(qū)域，通過(guò)照明控制器對(duì)不同功能區(qū)域的照明設(shè)備進(jìn)行控制。對(duì)于有規(guī)律的活動(dòng)場(chǎng)所，使用該控制方式，能夠避免照明燈具長(zhǎng)期處于開(kāi)啟狀態(tài)帶來(lái)的能源浪費(fèi)。

2.3.2? 場(chǎng)景控制

使用此控制方式可以預(yù)設(shè)置多個(gè)不同的場(chǎng)景，通過(guò)調(diào)節(jié)不同燈具的照度，與自然光照度相配合，使室內(nèi)光環(huán)境達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的指標(biāo)，以滿足使用要求。如辦公建筑的會(huì)議室，在會(huì)議的不同階段，出于不同的需求，調(diào)節(jié)照明燈具，以適應(yīng)不同階段的功能需求。

2.3.3? 混合照度控制

混合照度控制通過(guò)光傳感器檢測(cè)空間中某片區(qū)域的自然光，并將檢測(cè)到的信號(hào)送至控制器，控制器能夠依據(jù)自然光的強(qiáng)度來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)燈具的亮度，當(dāng)自然光不足時(shí)，通過(guò)控制人工光源進(jìn)行補(bǔ)償，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定光環(huán)境的供給。

2.3.4? 人員活動(dòng)控制

通過(guò)在照明區(qū)域內(nèi)安裝由聲、光元件構(gòu)成的傳感器，以此來(lái)對(duì)區(qū)域內(nèi)的人員進(jìn)行檢測(cè)，隨后依據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（GB50034）》[7]中有關(guān)照度的標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)使用時(shí)序控制、場(chǎng)景控制等方法，對(duì)照明系統(tǒng)中的燈具進(jìn)行控制。當(dāng)人員離開(kāi)該區(qū)域，系統(tǒng)程序會(huì)按照預(yù)先設(shè)定的時(shí)間延時(shí)后，自動(dòng)切斷照明系統(tǒng)的能源供給，以實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的節(jié)能。

2.4? 人行為

在實(shí)際場(chǎng)景中，建筑環(huán)境每時(shí)每刻都在改變，是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，人在其中是參與者以及管理者。在建筑照明系統(tǒng)中，人們從自身所需的光環(huán)境出發(fā)，改變照明系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，其行為的發(fā)生直接產(chǎn)生能耗[8-9]。例如，當(dāng)室外照度較大時(shí)，人們往往傾向于利用自然光，這就使得開(kāi)燈行為發(fā)生的可能性較低。而當(dāng)照明系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，人在其中擔(dān)任管理者的角色，針對(duì)照明系統(tǒng)中的故障進(jìn)行及時(shí)的排查、檢修，行為的發(fā)生間接產(chǎn)生了照明系統(tǒng)的能耗。因此，建立能夠準(zhǔn)確描述人員行為的模型對(duì)照明節(jié)能具有至關(guān)重要的作用。

3? ? 照明系統(tǒng)節(jié)能

在設(shè)計(jì)建筑照明系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)選取影響能耗因素、控制方式以及應(yīng)用場(chǎng)景等角度的不同，照明系統(tǒng)的節(jié)能方式可分為兩大類型。（1）節(jié)能控制技術(shù)，通過(guò)使用系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)減少系統(tǒng)的電能消耗實(shí)現(xiàn)節(jié)能。（2）從系統(tǒng)全生命周期的角度出發(fā)，通過(guò)構(gòu)建照明系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并預(yù)測(cè)能耗數(shù)據(jù)異常點(diǎn)，方便管理人員及時(shí)地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，以此間接地減少照明系統(tǒng)的能源消耗。

3.1? 直接節(jié)能—控制模型

靜態(tài)模型是指系統(tǒng)中描述的各個(gè)變量之間不能隨時(shí)間變化而變化，如傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)，以及在采用定時(shí)分區(qū)及場(chǎng)景控制方法的智能照明系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的燈具不能根據(jù)系統(tǒng)外部的因素變化，進(jìn)而做出調(diào)整。隨著人們對(duì)照明需求的增加，人們?cè)陟o態(tài)控制模型的基礎(chǔ)上不斷地深化，將影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)因子加入其中，如自然光等，形成了照明動(dòng)態(tài)控制模型，能夠根據(jù)外部因素的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)燈具，在提供穩(wěn)定光環(huán)境的同時(shí)，還能減少照明系統(tǒng)的能源消耗。

3.2? 間接節(jié)能—預(yù)測(cè)模型

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，誕生了一系列的預(yù)測(cè)算法，與傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)算法不同，其能夠?qū)v史數(shù)據(jù)能耗進(jìn)行學(xué)習(xí)，不斷地調(diào)整模型中的參數(shù)，來(lái)保證模型對(duì)未來(lái)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。選取能夠反映能耗變化的因素用于能耗預(yù)測(cè)模型時(shí)，不僅能提升模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，而且能通過(guò)模型發(fā)現(xiàn)能耗變化的趨勢(shì)以及發(fā)展特性，這對(duì)節(jié)能工作的展開(kāi)以及研究建筑定額用能具有指導(dǎo)性意義。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

本文介紹建筑照明控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程，并分析比較不同發(fā)展階段控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，其中的節(jié)能理念為能耗影響因素的分析做出鋪墊。從影響能耗的主要因素以及次要因素出發(fā)，詳細(xì)介紹了主要因素對(duì)系統(tǒng)能耗的影響表現(xiàn)。最后，從系統(tǒng)不同的節(jié)能角度出發(fā)，闡述了直接節(jié)能以及間接節(jié)能的思路，為后續(xù)照明系統(tǒng)的節(jié)能研究提供了理論基礎(chǔ)。

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Abstract：In order to realize the energy saving of architectural lighting system， detailed analysis of the lighting system is needed. Therefore， from the perspective of the development process of lighting control system， this paper pays attention to the technical means and energy-saving ideas used in each stage; on this basis the factors affecting the energy consumption of the lighting system are summarized and divided into two main factors and the secondary factors. According to the different energy saving angles， the direct energy saving method for reducing the energy of the lighting system and the indirect energy saving for reducing other energy consumption of the system are proposed. In order to achieve resource conservation， green lighting is achieved.

Key words：lighting system; dynamic dimming; energy saving