基于DIALux軟件與KNX節(jié)能控制系統(tǒng)的建筑電氣照明設計

夏兵

【摘 要】國家大力提倡建立節(jié)約型社會，節(jié)能減排被安排到了工作日程上來。據(jù)有關數(shù)據(jù)顯示，由于建筑電氣照明系統(tǒng)分布不合理，浪費的電能甚至達到了整棟大樓用電量的五分之一。因此，對控制系統(tǒng)的建筑電氣照明設計研究，對建筑節(jié)能意義重大。本文以某節(jié)能項目為例，對DIALux照明設計軟件進行了簡要的介紹，通過對建筑項目整體照明系統(tǒng)進行全面了解，從而開展項目總線智能控制系統(tǒng)設計，在一定程度上對建筑節(jié)能起到了積極作用。

【關鍵詞】控制系統(tǒng);照明方案;節(jié)能設計;控制策略

中圖分類號： TU85;TU113.66 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）20-0033-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.014

0 引言

兩會期間李克強總理首次提出了“互聯(lián)網(wǎng)+”的經(jīng)營理念，各大企業(yè)為了響應國家號召積極開展“互聯(lián)網(wǎng)+”的商業(yè)模式[1]。與此同時，創(chuàng)新性的提出了“智慧城市”“智慧家居”等與互聯(lián)網(wǎng)緊密相關的智能化發(fā)展行業(yè)，甚至更進一步人們將智能化用在了建筑建設中。隨著近年來建筑智能化建設的興起，節(jié)能控制系統(tǒng)在建筑電氣照明方面得到了迅速發(fā)展。建筑照明電氣系統(tǒng)作為建筑內(nèi)部建設的關鍵一環(huán)，其設計質(zhì)量直接影響著建筑使用者的經(jīng)濟利益。建筑電氣照明系統(tǒng)設計不合理會對建筑內(nèi)的電能產(chǎn)生巨大的浪費，因此，對建筑照明系統(tǒng)進行合理改造，不僅符合國家提倡的節(jié)約理念，而且對建筑使用者來說也是有益無害的。

1 項目概況

本項目作為吸引海外科技人才示范項目，是威海市重點扶持項目之一，由政府投資進行建設。該項目在質(zhì)量及工期等方面有嚴格要求， 對原有材料、結構、機電管線進行排查并制定最符合最終效果與經(jīng)濟效益的改造設計方案。本項目涉及的區(qū)域種類較多，包括了倉庫、辦公室、普通理化實驗室、儀器分析室、潔凈室等，每個區(qū)域設計要求不同，并且涉及要求眾多，各種儀器對電器需求又各不同，涉及的規(guī)范較多。

2 照明設計軟件DIALux

2.1 DIALux軟件

DIALux是當下功能最完備的照明計算軟件之一，其最大優(yōu)勢就在于能夠配適于各個不同廠家生產(chǎn)的所有類型燈具，并通過其強大的軟件功能，使得照明設計及計算要求都能得以實現(xiàn)。DIALux軟件具有以下幾個優(yōu)點：（1）該軟件操作簡單、通俗易懂，能夠與AutoCAD互通進行圖形編輯和繪制，是適合燈具設計人員使用的專業(yè)的現(xiàn)場模擬軟件;（2）計算結果高效準確，打破了燈具設計師憑借主觀意愿對燈具設計進行評估;（3）軟件設置具有模塊化，針對相應模塊進行操作，更加專業(yè)和有針對性[2]。

2.2 建模與照明計算

DIALux軟件增加了在室內(nèi)照明計算中的房間建模功能，通過Room Element中的各項建模元素，結合設計者的設計風格以及實際的設計需求，可以對其中的屋頂、室內(nèi)臺階及斜坡等形體進行不同高度差調(diào)整，使得建模更為符合設計者的理念。另外，在對內(nèi)部陳設進行建模的過程中，DIALux軟件中也設有各類不同風格、款式的家具供設計者自行選擇，使得該過程更為便捷。當要對墻面、地面等物體的材質(zhì)和顏色等進行建模時，不僅可以使用DIALux軟件內(nèi)已有的素材，還可以根據(jù)實際情況導入外部的圖片以使建模更為貼近設計。DIALux軟件能夠?qū)ㄖ锏娘L格進行自定義，設計者只要根據(jù)設計房屋的風格進行相應模型的搭建，最終得到設計者想要的設計模型。

本項目在建模之前，對原有建筑現(xiàn)場進行了勘查，在對建筑物結構有一個全面了解的情況下，通過DIALux軟件采用自定義的方法，將屋頂、地面、墻體和材質(zhì)均設計成項目中材料的風格和具體屬性，從而對室內(nèi)進行了照明計算。在進行照明計算過程中，采用的是國際照明委員會（CIE）推薦的室內(nèi)照明計算法。計算步驟如下：首先，以建筑內(nèi)房間、燈具配光數(shù)據(jù)和燈具布置的實際情況，計算建筑頂棚、墻壁、工作面的光通量;然后，根據(jù)計算出來的數(shù)據(jù)計算照明設施的光通密度，從而得到室內(nèi)實際照度。詳細過程如下：

如圖1所示，光源S，作直線垂直于平面ABC并交平面ABC于O，則光通量FWp（直接）為：

FWp（直接）=GM1*FC1+GM2*FC2+GM3*FC3+GM4*FC4（1）

式中GM1、GM2、GM3、GM4稱為GM系數(shù)，表示的是矩形面邊長X、Y和燈具懸掛高度H之比X/H、Y/H的函數(shù)，它的數(shù)表和計算式是可參考資料給出的。FC1、FC2、FC3、FC4稱為累計球帶光通量。圖2所示為燈具下半球面，按立體角分為四等分，通過各球帶射出的光通量自上而下順次名為F1、F2、F3、F4時，則

FC1=F1

FC2=F1+F2

FC3=F1+F2+F3

FC4=F1+F2+F3+F4=Fd（2）

另外，令垂直角為時，燈具的配光值I（θ）為：

I（θ）=q1+q2cosθ+q3cos2θ+q4cos3θ（3）

視（1）式為工作面上的直射光通量，近似等于（3）式的積分而導出的結果。因此，根據(jù)上式，q1、q2、q3、q4分別是FC1、FC2、FC3、FC4的函數(shù)。當燈具數(shù)量為1臺時，計算（1）式的四項，即可得工作面的直射通量。當存在有多臺燈具時的工作面直射光通量FWp（直接）等于各燈具直射光通量之和。

3 照明方案與節(jié)能設計

3.1 區(qū)域照度

對于建筑照明系統(tǒng)而言，由于不同的設計師對光與影以及建筑的理解不同，設計出來的風格也多種多樣。為了使項目達到預期效果，需要不斷進行溝通和交流，明確項目的主要目的，從而設計方制定出最終的施工方案。根據(jù)《建筑照明設計標準》GB50034-2013，《LED室內(nèi)照明應用技術要求》GB31831-2015以及項目要求確定各區(qū)域的照度，選擇適合的燈具配光[3]。根據(jù)對現(xiàn)場進行考察知，該項目一層是高大倉庫，由于倉庫高度比較高，倘若燈具安裝較低從而使得燈光的覆蓋范圍較小，區(qū)域照度小浪費了燈光資源;倘若燈具安裝較高，雖然燈光范圍較大，然而亮度不佳。

因此對于區(qū)域照度的要求，需要合理布置燈光的高度。基于以上考慮，決定在倉庫處對燈具安裝高度設置為5米，設計照度為200lx。從節(jié)能方面出發(fā)，LED光源亮度佳，照明效果好，并且耗能低，決定倉庫照明采用LED光源。由于之前倉庫沒有用過LED光源，對于高大倉庫照明一時找不到合適的產(chǎn)品參數(shù)，從而給項目前期設計方案的制定造成了巨大的困難。通過對技術難題進行深刻剖析，并與相關技術人員進行及時的溝通與交流，最終決定通過查找資料參考《照明設計手冊》（第三版）中的相關案例，選擇了RT405HB100W型燈具完成設計。采用該燈具，高大倉庫的區(qū)域照度分布合理，避免了光源的浪費，照明效果達到了最佳。

3.2 燈具甄選

對于燈具的選擇，應根據(jù)燈具的使用環(huán)境，現(xiàn)場的施工條件，以及與周圍的協(xié)調(diào)性綜合進行考慮。由于本項目所涉及的場所種類多，包括了辦公室、普通理化實驗室、儀器分析室、潔凈室等多個區(qū)域，并且這些區(qū)域的工作環(huán)境復雜，需要的燈具也不盡相同。因此，在選擇燈具時要因地制宜，分別對待。

對于實驗室區(qū)域，此處存放著多種試劑，倘若選擇燈具不當可能會引發(fā)火災，爆炸等事故，因此在選擇實驗室的燈具過程中要格外的慎重。針對實驗室這種具有爆炸危險的場所，我國相關部門已對這些場所的燈具有相關的選擇標準，可以直接根據(jù)標準進行選擇。因此，對實驗室區(qū)域根據(jù)試劑種類以及《爆炸危險環(huán)境電力設裝置設計規(guī)范》GB50058-2014的要求，采用防爆燈具從電氣設計角度把危險排除。對于辦公區(qū)域以及普通實驗區(qū)域，根據(jù)吊頂樣式采用600*600規(guī)格嵌入式LED面板燈。這樣做的好處是一方面表現(xiàn)的整體布置美觀大方，另一方面又方便施工，縮短了工期。

對于潔凈區(qū)域，需要采用彩鋼板吊頂，考慮到采用嵌入式燈具需要對吊頂進行切割，該過程既耗時耗料又可能造成密封不嚴，從而引起實驗室潔凈度降低，故此次潔凈室燈具采用吸頂式面板燈厚度13mm，避免了對吊頂大的破壞而且美觀方便施工。考慮到工作場所要求潔凈，不集塵，并且易于擦拭，同時要控制燈光亮度避免工作人員出現(xiàn)眩暈的現(xiàn)象，決定對潔凈區(qū)域采用面板燈具。此外，潔凈室對環(huán)境清潔度要求較高，因此決定在潔凈室適當添加紫外滅菌燈，紫外滅菌燈能夠?qū)諝庵屑毦_到99%的消毒率，對于紫外滅菌燈的安裝根據(jù)衛(wèi)生條件燈具安裝不超過2.7米的高度，對燈具功率的選擇是參考《照明設計手冊》（第三版）進行確定。

3.3 KNX總線智能控制系統(tǒng)應用

3.3.1 EIB控制系統(tǒng)

對于控制系統(tǒng)，采用的是西門子二線制、總線型完全分布式智能控制的EIB控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能齊全，因此用途也較為廣泛，不僅能夠應用于日常的照明、遮陽系統(tǒng)等，并且連消防、安保等系統(tǒng)中的聯(lián)動控制也能實現(xiàn)。EIB控制系統(tǒng)中所有單元器件（除電源外），在其內(nèi)部都配置了微型處理器和存儲單元，通過雙絞線的形式來構建整個網(wǎng)絡系統(tǒng)。在運行過程中，為實現(xiàn)對每個獨立單元的控制，則要對各個單元設置相對應的物理地址以及特定功能，并通過輸出單元的方式來實現(xiàn)對不同回路的控制。輸入單元之間的聯(lián)系是靠組地址和輸出組建立起來的。具體過程為，在進行輸入操作時，輸入信號會被輸入單元轉變?yōu)镋IB總線信號，利用此原理，實現(xiàn)EIB系統(tǒng)總線上廣播，就使得所有輸出單元都能夠及時地實現(xiàn)信號的接收并據(jù)此作出相應判斷，從而能夠起到控制相應回路輸出的作用。

3.3.2 時間表控制

對于大型建筑中，有的地方需要在固定時間進行開燈或關燈，如果開燈太早或關燈時間太晚都將會導致電能的浪費，若使用人力操作控制開關，對工作人員每天都進行操作就會增加他們的勞動強度。為此，決定采用網(wǎng)絡對開關進行控制。對于一些固定時間燈具需要開關的場所，通過設置相應的開關時間就能實現(xiàn)場所的燈具的亮滅。對于項目的會議室在此就采用這樣的控制，該種控制策略被稱之為可預知時間表策略控制。據(jù)有關權威部門統(tǒng)計，采用該控制方案，可以節(jié)約10%～50的能源。并且該時間表控制策略還可以對節(jié)假日、雙休日進行時間的設定。為盡可能地節(jié)約能源，同時又要兼顧建筑內(nèi)亮度，則可通過光度傳感器來實時掌握室內(nèi)照度的情況，根據(jù)相關標準，當室內(nèi)照度達到300lx時即能夠滿足正常的照明需求，因此將臨界值設為300lx，并設定當檢測到的照度小于此值時，時間表才開始運行，就能夠更好地實現(xiàn)節(jié)約能源的目的。

3.3.3 紅外移動檢測

針對每天能夠預測的固定時間燈具進行工作，適合可預知時間表控制，但是對于那些經(jīng)常變化的場所，由于人員流動性強，用燈沒有固定的時間，這就不能再使用時間表控制了。針對這樣的情況，決定采用紅外移動檢測策略控制。紅外移動檢測控制是采用紅外移動探測器進行檢測，一旦檢測到有人進入檢測場所，此時發(fā)出開燈命令。該檢測器通常安裝在場所大門的頂上，當有人進入場所時，就能及時檢測到。燈具工作一段時間后，由于后臺對燈具具有定時功能，達到一定時間間隔后燈具會自動熄滅，避免了燈具長時間工作產(chǎn)生能源浪費。為了避免光源充足時開燈導致電能的浪費，該控制室同樣采用了光度傳感器，當室內(nèi)照度小于一定照度值時室內(nèi)燈具才能自動打開照明。

3.3.4 恒照度控制

光環(huán)境的照明一般是依據(jù)燈具的最小光亮來進行設計的，通常情況下，最初投入使用的燈具光通量會比最小光通量大20%～50%。光通量是指按照國際規(guī)定的標準人眼視覺特性評價的輻射通量的導出量，以符號Φ（或Φr）表示。光通量與輻射通量的關系為：

φ=Km？蘩V（λ）φeλdλ

式中Km為光譜光視效能的最大值，等于683lm/W;V（λ）為國際照明委員會（CIE）規(guī)定的標準光譜光視效率函數(shù);Φeλ為輻射通量的光譜密集度。光通量的單位是lm（流明）;λ為光譜光視效率。1lm等于由一個具有1cd（坎德拉）均勻的發(fā)光強度的點光源在1sr（球面度）單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量，即1lm=1cd·sr。

所以，在建筑中需要采用對光通量進行維持的控制形式，并且通過減少電能輸入的措施，使得燈具在工作時處在最小光通量的環(huán)境。但是由于要對光通量進行測量的操作過程難度大，為實現(xiàn)此目的，可以采用亮度傳感器的恒照度策略來簡化該過程。針對于此，當燈具處于靠近外部光源較為充足的環(huán)境時，通過與事先設定的最低光照水平指數(shù)進行比較，就可以將燈具的亮度進行一定程度的降低，甚至將燈具關閉。

4 結論

本文以某節(jié)能項目為例，闡述了照明設計軟件DIALux的建模與照明計算;通過對項目照明系統(tǒng)的全面了解，決定從時間表控制策略、紅外移動檢測策略和恒照度控制策略對項目照明系統(tǒng)進行節(jié)能控制，從而避免了照明系統(tǒng)的電能浪費。

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