建筑電氣照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計研究

林賜文

（福建省九龍建筑設(shè)計有限公司，福建 泉州 362000）

0 引言

近年來，綠色建筑理念在我國不斷推廣，對建筑工程建設(shè)、使用中的資源與能源消耗提出了更高的控制要求。電氣照明系統(tǒng)為建筑內(nèi)部提供光源，在長期使用中消耗大量電能。建筑使用中電氣照明系統(tǒng)的能源節(jié)約，主要通過合理的設(shè)計方案實現(xiàn)。因此，建筑電氣施工設(shè)計方案需要關(guān)注照明節(jié)能的指標(biāo)要求，通過科學(xué)選材、優(yōu)化布局等方式降低建筑能源消耗，增強(qiáng)社會發(fā)展的可持續(xù)性。

1 建筑電氣照明系統(tǒng)能耗影響因素分析

建筑電氣照明系統(tǒng)能耗的影響具有多因特征，需綜合考慮硬件、控制方式、環(huán)境利用等要點。首先，電氣照明系統(tǒng)的光源是能源消耗的主要構(gòu)件，不同類型光源的額定功率、光效、色溫、綜合能耗等指標(biāo)存在較大差異。建筑空間因用途差異對相關(guān)指標(biāo)的設(shè)計要求也有所不同，因而光源與空間照明需求的適配性決定了對照度的利率效率，進(jìn)而影響到能耗利用率。其次，隨著技術(shù)進(jìn)步電氣照明系統(tǒng)的控制方法日趨多樣化。應(yīng)用場景的需求區(qū)別對控制方法有各異要求，合理的控制方法可降低無效照明時間，起到降低能耗的效果。

另外，在相同光源條件下，照明系統(tǒng)的布局設(shè)計會影響其實際照度。另外，對室型指數(shù)、墻面反射等客觀條件的參考也將影響照度。因而除選擇合適光源與控制方式外，充分利用環(huán)境科學(xué)布局光源可在使用更少能源的情況下實現(xiàn)相同的照度，進(jìn)而間接節(jié)約成本。

由此可見，建筑電氣照明系統(tǒng)設(shè)計需充分考慮環(huán)境條件與照明需求。并選擇合適的光源硬件、控制方法，通過科學(xué)計算在滿足使用需求的前提下實現(xiàn)低耗能系統(tǒng)設(shè)計。

2 工程概況

案例項目位于福建省漳州市，由一棟商業(yè)樓及附屬地下車庫構(gòu)成，總建筑面積約為7700 m2。商業(yè)樓為地上5 層建筑，是集購物餐飲、休閑娛樂為一體的商業(yè)綜合體。地下車庫為1 層，在東、南兩側(cè)市政道路設(shè)有進(jìn)出口。該項目設(shè)計中無市內(nèi)自然照明，商業(yè)樓與地下車庫均采用電氣照明系統(tǒng)。項目電氣照明系統(tǒng)設(shè)計以《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB50034-2004)為基礎(chǔ)。在滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，以多方案對比的形式逐步形成照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計方案，并考慮對實際環(huán)境的科學(xué)利用，以達(dá)到節(jié)能減排的綠色建筑建設(shè)目標(biāo)。

3 建筑電氣照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

該項目在光源節(jié)能設(shè)計中采取了多方案對比選擇模式。結(jié)合項目實際需求，分析各類常見光源的性能及節(jié)能效果。通過選定光源產(chǎn)品類型形成差異化的設(shè)計方案。設(shè)計單位充分考慮了電氣照明系統(tǒng)在長期使用中采購成本與使用成本之間的矛盾。通過成本計算確定最終方案，并對初步設(shè)計方案以照度計算實現(xiàn)細(xì)節(jié)優(yōu)化，從而達(dá)成科學(xué)合理的節(jié)能設(shè)計目標(biāo)。

3.1 光源硬件對比

該項目對目前建筑電氣照明系統(tǒng)的常用光源性能進(jìn)行分類比對。由于該工程設(shè)計用途廣泛，且綜合體與地下車庫的環(huán)境、照度要求有所差異。因此，選取熒光燈、白熾燈、LED 燈及高壓鈉燈作為設(shè)計參考光源硬件，對上述光源的特征對比如表1所示：

表1：電氣照明常用光源硬件特征對比

啟動耗時 1-2S 瞬時 瞬時 5-7min ?

通過比較上述光源影響主要指標(biāo)可以看出，熒光燈的色溫范圍較大，相對于LED 等能耗平均值適中，光效相對較高。常見的熒光燈分為直管、環(huán)管等，差異化的形狀結(jié)構(gòu)適合于商業(yè)樓內(nèi)多變的環(huán)境要求。因而將其列入設(shè)計材料備選方案中。LED 燈作為近年來較為常見的節(jié)能照明系統(tǒng)光源，是緊湊熒光燈的有效代替品，同樣具有較高的光效比。但是相對于熒光燈+鎮(zhèn)流器的組合，白光LED 等由于技術(shù)較為復(fù)雜，在采購成本方面存在一定劣勢。因此，對兩類終端設(shè)備的最終選擇需經(jīng)過成本計算后確定。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

電氣照明系統(tǒng)控制開關(guān)的區(qū)別主要在感應(yīng)方式上，目前常見的方式包括紅外與微波兩類。紅外系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢在于可以串聯(lián)照明回路，有效降低設(shè)計功耗，且起控照度可根據(jù)場景需求在較大余度內(nèi)自由設(shè)定。微波系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢在于可智能識別自然光，感應(yīng)人體或物品的移動，并且可根據(jù)實際需求調(diào)整系統(tǒng)的感應(yīng)時間與延時時長。該項目根據(jù)場景對照明的需求，在商業(yè)樓與地下車庫分別應(yīng)用上述系統(tǒng)。紅外感應(yīng)主要用于地下車庫、消防通道內(nèi)日常人流較少的區(qū)域。而紅外系統(tǒng)則應(yīng)用于需提供長期穩(wěn)定照明的場景。通過差異化設(shè)計方案，可有效降低系統(tǒng)能耗。

通訊系統(tǒng)是照明控制的組成部分，目前以無線傳輸技術(shù)為主。該項目設(shè)計階段分別對WIFI、藍(lán)牙、ZigBee 三項技術(shù)進(jìn)行對比。WIFI 的優(yōu)勢在于多端口控制，可以利用移動終端隨時調(diào)節(jié)。但是，考慮到該項目為商業(yè)地產(chǎn)，電氣照明的用途與要求相對固定，因而優(yōu)勢不明顯。且該項目剪力墻、隔斷墻較為密集，也影響了信號傳輸效率。藍(lán)牙傳輸距離一般不超過15m，過多的傳輸節(jié)點將增加建設(shè)成本。ZigBee 適合于在低能耗設(shè)備間進(jìn)行傳輸，且傳輸距離穩(wěn)定在150m 以上，因而最終被該設(shè)計方案所采用。另外，該項目還選用了以CC2530 作為片上系統(tǒng)解決方案以搭建智能控制系統(tǒng)，其控制采集結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1：控制采集中心結(jié)構(gòu)示意圖

以上述方式建立的智能控制系統(tǒng)，可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的環(huán)境感應(yīng)條件給出照明反饋，實現(xiàn)對能源的高效利用。

3.3 方案成本計算

該項目擬采購的熒光燈為飛利浦品牌某常見型號，燈光功率為28W、鎮(zhèn)流器功率為4W。根據(jù)設(shè)計方案統(tǒng)計單管燈為202 支、雙管燈為89 支。商城應(yīng)用時間為每天10:00 至22:00，由于商城營業(yè)期間需要維持市內(nèi)照明，因此其用電量按照每日12 小時計算，該設(shè)計方案每年用電量預(yù)估為：

[202+（89×2）]（支）×32W×12h÷1000W/KW×365 天=53260.80 度/年

按照福建省當(dāng)?shù)厣虡I(yè)用電約1 元/度的實際價格計算，采取此方案預(yù)計每年產(chǎn)生電費約5 萬元。隨后，按照LED 燈設(shè)計方案計算年用電費用。該項目選用的LED燈為雷士電子品牌功率為21W 的某產(chǎn)品，相關(guān)數(shù)據(jù)顯示該款產(chǎn)品使用壽命在30000h 以上。以該光源為基礎(chǔ)的設(shè)計方案計劃使用共220 支，該方案每年用電量預(yù)估為：

220（支）×21W×12h÷1000W/KW×365 天=20235.60 度/年

按照該款LED 等使用壽命3年計算兩套方案的電費消耗成本差額為：

（53260.8 元-20235.6 元）×3年=99075.6 元

經(jīng)設(shè)計單位對比兩類光源的市場采購價格發(fā)現(xiàn)，LED 燈設(shè)計的光源采購成本較熒光燈設(shè)計采購成本高出約30 元，使用LED 燈另外需要配套的終端價格為220元/臺，計入增加的安裝工時費后，LED 燈總成本支出高出約44000 元。安裝設(shè)計使用3年壽命計算，LED 等設(shè)計方案可節(jié)省直接成本超過45000 元，并增強(qiáng)建筑使用中的減排環(huán)保公益價值。

4 照度設(shè)計優(yōu)化

該項目為增強(qiáng)光源點位設(shè)計的合理性，采取平均照度計算等方法對設(shè)計方案進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化。平均照度計算主要分為燈具利用系數(shù)、室形指數(shù)、空間系數(shù)等二級指標(biāo)演算構(gòu)成對現(xiàn)行設(shè)計方案的量化評價結(jié)果。燈具利用系數(shù)的計算較為簡單，依照施工設(shè)計圖與選定光源產(chǎn)品參數(shù)，計算光源至工作面的光通量。再將其除以該產(chǎn)品的額定總通光量，即為利用系數(shù)，此系數(shù)越大，說明設(shè)計方案的光源利用率約好。在符合設(shè)計規(guī)范的前提下，可通過利用系數(shù)調(diào)整設(shè)計布局，以減少不必要的燈具用量，從而降低系統(tǒng)能耗。室形指數(shù)和空間指數(shù)的計算需要結(jié)合設(shè)計圖測得頂棚、光源、地板各自高程，采用規(guī)定的計算方式導(dǎo)入?yún)?shù)計算即可。設(shè)計中應(yīng)當(dāng)分別參考頂棚、地板及墻面的有效反射比，從而使方案更加接近實際情況，提高設(shè)計光源的利用效率。

實踐中，可應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計軟件進(jìn)一步改善設(shè)計方案。該項目選用松下的MaTLP5 系統(tǒng)，依照工程設(shè)計方案分別輸入各空間的高度、進(jìn)深、光源等參數(shù)，由系統(tǒng)自動計算得出優(yōu)化結(jié)果，所形成的優(yōu)化設(shè)計方案如圖2所示：

地下車庫受到客觀因素影響存在多處避光區(qū)，該項目所應(yīng)用的軟件尚無法反應(yīng)此問題。因而需要通過人工計算得出燈具數(shù)量調(diào)整與布置方案。另外，照明系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計也應(yīng)當(dāng)考慮項目使用變化情況。例如，該項目地處新城區(qū)，竣工1年左右為輻射區(qū)內(nèi)居住社區(qū)的交鑰高峰期，客流量的變化將對地下車庫使用率產(chǎn)生影響。因而宜采取分區(qū)設(shè)計的方式，便于項目物業(yè)后期根據(jù)需求靈活調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)的使用。

5 結(jié)語

綜上所述，建筑電氣照明系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計需要從多方面著手。在設(shè)計前應(yīng)開展工程總設(shè)計圖勘察，加強(qiáng)與業(yè)主溝通以掌握建筑使用期間的相關(guān)信息。在充分了解環(huán)境因素的基礎(chǔ)上，以分區(qū)設(shè)計的方式合理選配光源與控制系統(tǒng)。注意對優(yōu)化參數(shù)、使用成本的計算，以提升照明系統(tǒng)的節(jié)能成效。

圖2：地下二層停車場光源布置方案優(yōu)化示意圖