校園智能照明控制系統的研究

蔣逸明 王一凡 龍 騰 陳 杰

中國建筑第二工程局有限公司西南分公司 重慶 400020

目前，我國絕大多數已建成的中小學校均采用傳統的照明控制方式，包括翹板開關控制、聲控開關控制和光控開關控制。這種控制方式接線簡單、施工方便、投入較少，但是存在電能消耗高、布線復雜、管理機械、操作不便、不節能等問題，比如綜合樓、教學樓區域，照明設施地理位置分散、數量眾多，采用傳統照明無法實現人走燈滅的要求，需采用智能控制方式。針對校園建筑的傳統照明控制系統存在的諸多不足之處，對學校體育館、禮堂、教學樓、圖書館、辦公樓等不同建筑單體采用與之匹配的智能照明控制方案，明確智能照明系統在校園各個建筑單體中的具體作用。一是協助學校降低電能的損耗，提高能效等級；二是方便管理和易于操作的智能照明控制系統，更適應新時代校園智能化和節能化的新要求。

智能化技術已深入生產生活的各個領域，智能照明的應用范圍也越來越廣泛。智能照明控制系統已經被各種類型的建筑所采用。新建中小學校均引入了智能照明控制系統，并取得了很好的效果[1-4]。首先，與傳統照明系統相比較，智能照明控制系統的綜合成本低，操作簡單，管理便利；其次，智能照明系統所具備的功能豐富多樣，可以隨意調控燈具的亮度和點亮時間；最后，設置智能照明控制系統有效地減少了電能的消耗。

1 工程概況

某中學總建筑面積約8.3萬 m2，整個校區包含體育館、操場、禮堂、教學樓、實驗樓、綜合樓、行政樓、食堂、男女生宿舍、地下車庫、門衛等單體。本項目智能照明系統的管控目標是運用先進的智能照明控制技術，采用高效節能的燈具、控制元件，統一規劃管理校園照明系統，降低照明系統的能源損耗，降低校園的運維成本。

2 智能照明控制系統關鍵技術

本項目中學照明系統智能控制方式裝設了一套智能照明控制系統，由上位監控機、通信網絡、智能照明配電終端、智能照明控制終端等構成，組成了一個分層分布的控制網絡。工程智能照明控制系統選用法國施耐德公司C-Bus系統，主要功能有：場景控制功能，禮堂、匯報廳可運用此功能；恒照度控制功能，辦公室和教學樓中靠近窗戶的燈具可根據天然光的情況自動開關；定時控制功能，可用于校園內道路照明和建筑夜景泛光照明；就地手動控制功能；群組組合控制；應急處理功能；遠方控制功能等。

系統實施控制的就地設備主要是智能照明配電終端、智能照明控制終端（圖1）。

圖1 智能照明控制系統

2.1 智能照明配電終端

智能照明配電終端即將普通的照明配電箱改為采用動力及控制保護一體化智能開關的照明配電箱，一體化開關集成配電操作開關、電氣保護及通信功能，除了可就地操作外，還可接收通信網絡傳送的操作命令，從而實現各個照明電氣回路的就地控制及遠程監控，實現燈具的分區域開關。控制權限按照就地手動控制→遠程自動控制→遠程手動控制的優先級順序實施。通信協議采用與配電系統協議一致的Mod Bus協議，與建筑供配電系統的網絡連接方便，可以在上位監控機預設不同的工作模式。

2.2 智能照明控制終端

在照明配電箱與燈具之間安裝智能照明控制終端，由調光模塊、控制面板、輸出繼電器、照度動態檢測器及移動傳感器等單元構成。根據需要采用輸出繼電器和調光模塊，輸出繼電器與智能照明配電箱實現供電回路的通斷，調光模塊可實現供電回路的功率控制（調光）或通斷。當需要調光功能時，需要采用具有調光功能的燈具，兩者均有邏輯編程功能，可直接實現場景模式的設定。

調光模塊預設場景工作模式，根據各種傳感器監測輸入對不同回路光源輸出進行調節。調光模塊利用電子感應和電磁調壓技術對高效熒光燈及LED燈進行調節，自由地調節照度大小，平滑地調節電路電壓和電流的幅值，進而調整了光源的輸出，也可以在維持電壓的基礎上進行調壓，通過限制過電壓及減少冷態沖擊電流提高燈具壽命，減小了照明回路中三相不平衡負荷所帶來的額外損耗，提高了照明系統的功率因數，降低了燈具和照明供電回路的溫度。

智能照明終端支持智能建筑的C-Bus總線協議，與樓宇自動化系統高效融合，與建筑的安保、消防等連接成一個網絡?？刂平K端也支持紅外無線遙控。智能照明控制終端可實現預設場景工作模式的控制，實現照明效果隨人員移動控制，隨不同區域照度要求、自然采光情況控制，隨夜間工作、白天休息等不同時段場景模式控制。

2.3 學校智能照明控制系統構成

學校不同區域的建筑物具有不同的運行巡視要求及工作環境，智能照明配電終端與智能照明控制終端均可應用于學校智能照明控制系統中。車庫、門衛、管理用房等場所，運行巡視安排相對固定且不屬于人員密集場所，環境較為惡劣，調光方式意義不大且需增加投資，因此采用智能照明配電箱終端的輸出繼電器構成智能照明控制功能。在設計過程中，根據區域功能合理劃分照明箱配電回路覆蓋范圍。從簡化系統層級的角度考慮，采用智能照明配電終端，從與樓宇自動化系統融合角度考慮，采用智能照明控制終端。

對于綜合樓、實驗樓、教學樓等環境較好、人員流動性大的建筑單體，采用智能照明配電箱或智能照明終端的輸出繼電器構成智能照明控制。在學校內對照明控制水平要求較高的場所，采用了智能照明終端調光模塊，根據預設場景、移動傳感器及照度檢測器輸入等動態調節照明效果，實現豐富的工作場景模式控制。

2.4 學校智能照明控制系統可實現的功能

學校監控室設置統一的照明監控上位機對全校照明進行控制管理。監控系統具有遠程監控、分組管理、用電管理、負荷分析、設備地理信息管理等功能。系統與安防系統、消防系統、樓宇智能化系統等聯網，能實現如下實時監控功能：自動巡測功能；數據采集功能；可視化監測功能；控制中心可任意開關一組路燈或自定義群組路燈；按現場已制定好的時間計劃自動調節路燈開關，制定照明系統的控制策略；控制中心及時準確地獲取故障燈具的位置信息。實現的設備管理功能有：資料維護、日常維護、故障查詢。智能照明控制系統還可以進行亮燈率計算、用電管理、負荷分析，并生成分析曲線和報表。

3 學校各單體建筑智能照明控制系統

針對不同建筑單體對智能照明的需求，下文按學校建筑單體的分類，逐一介紹智能照明控制系統的具體設計方案及實施策略。

3.1 以開關控制為主的教學樓照明控制系統

學校教學樓的用電量占學?？傆秒娏康谋戎剌^大，這是因為學生和老師活動的主要場所為教學樓，燈具數量安裝較多，教室的照度較一般房間高出很多。因此，教學樓的照明控制系統在校園智能照明控制總系統中占據相當重要的地位。

教學樓照明一般采用翹板開關控制方式。學生在教室內活動的時間相對固定，因此教學樓的燈具更適合統一管理。在教學樓內設置智能照明控制系統后，根據教學時間段、人流量進行系統詳細參數的設定，在固定的時間通過開關控制教室燈具的啟閉。在教室臨窗的一排座位上方可以設置光線傳感器，通過感知戶外的自然光線，經光線傳感器系統分析處理，形成電信號，通過執行機構分區控制燈具的啟閉，調節照明系統的亮度，實現自動控制的功能。教學樓一般均設置多媒體教室，通過多媒體技術的展示，增加學生的學習興趣，多媒體教室內的智能照明控制要求更加復雜，要求多媒體教室內的燈具可以和電動窗簾、投影儀、幕布等設備進行有效聯動，自由切換各種場景模式，達到多媒體教學要求。

3.2 以時鐘控制為主的圖書館照明控制系統

圖書館是學校建筑的重要組成部分，主要包括閱覽區、藏書區、自習室、計算機中心等。圖書館照明燈具數量多，場景復雜，智能照明控制系統可以為圖書館照明提供很好的解決方案。

為保證最佳的節能效果，圖書館采用時鐘控制的照明控制系統。圖書館開、閉館時間固定，人流量大的場所相對固定，通過方便智能的時鐘控制系統，可以使燈光隨時間律動，最大限度地降低管理成本和電能浪費。閱覽區對桌面垂直照度的穩定性要求較高，通過采用光照度傳感器，利用自然光進行照度補償，保證了閱覽室的恒定照度。通過自然光的補償有效地減少燈具的開啟時間，降低了照明系統的能源損耗。

圖書館配電箱內的照明回路斷路器具有聯網控制功能，可以遠程控制回路內燈具的啟閉，根據課表的時間安排自動控制燈具的啟閉時間。在圖書館各層主出入口處安裝人流量統計裝置，對進出的人員數量進行統計。在夜間，閱覽區、自習區根據統計出的人流量，分片區地控制燈具啟閉，可以有效減少電能浪費。

3.3 以智能場景開關控制為主的行政樓照明控制系統

行政樓是學校行政辦公的主要場所，照明控制不同于教學樓和圖書館。智能照明控制系統以自動控制為主，不需要管理人員的大量參與。通過場景開關實現不同場景的燈光模式轉換。在會議室預設本地控制、無線控制、監控室遠程操控等多種控制方式，實現自由切換多種燈光場景的功能。行政樓內光源種類多種多樣，在會議室內使用調光、場景預設等技術，可以有效地實現溫馨型、專業型和舒適型等燈光場景間的無縫切換。行政樓的燈光控制與投影儀、電動窗簾、幕布等裝置有效聯動，自由切換各種場景模式。行政樓內走廊、樓梯等公共通道處的燈具設定為定時開啟和關閉模式，在晚間定時關閉70%的燈具，同時啟動動靜探測器，在有人員進入的情況下，適時地開啟部分燈具，滿足照明要求。

行政樓根據校方的要求劃分出若干個行政區域，選用不同的照明控制方式。會議室采用智能型開關面板，預設不同的場景模式，控制不同燈組的啟閉和不同場景的切換。行政區的燈具和電動窗簾、投影儀通過中央控制器相連，連接投影儀時，幕布自動放下，電動窗簾自動拉上，幕布附近的燈光自動調暗；會議結束，投影儀自動關閉，電動窗簾自動打開，燈光系統自動恢復正常亮度。

3.4 多種開關聯動的體育館和禮堂照明控制系統

學校的體育館和禮堂照明既要求照明亮度恒定，又要求兼顧觀眾席的視覺感受。體育比賽的不同，對體育館內的照明也有不同要求；文藝晚會的差異，對禮堂的照明要求也多種多樣，舞臺和觀眾席的照明標準迥異，照明模式種類多、功能復雜。因此傳統的照明控制器件很難滿足要求，采用智能照明控制系統可以為體育館和禮堂的照明提供較好的解決方案。

首先，在智能照明控制主機中預設不同的場景，以確保場景間的自由切換。體育館、禮堂的照明控制回路多，布線復雜，主要控制方式為開關控制，輔助控制方式為調光控制。在體育館、禮堂內設置多重燈光控制模式，比如迎賓模式、候場模式、演出模式、清潔模式等。通過燈光效果的不同，營造出不同的場景氛圍，以滿足體育館、禮堂內多種照明模式的要求。同時，設置自動、手動轉換開關，靈活使用多種照明控制方式，豐富了照明控制功能，提高了照明系統的管理效率和水平，顯著地提升了綠色節能的建筑品質。

夜間體育館的使用頻率遠低于教學區，照明控制的首要目標不是節能，而是合理高效地控制體育館內的燈具啟閉，根據師生的實際使用要求進行控制。校園體育館一般采用深照型和斜照型燈具，每個燈具的功率大多在1 500 W以上，每個控制回路需要與燈光場景回路一一對應，每回路燈具數量不宜過多，主要采用開關控制模式，主席臺等位置的燈光輔以調光控制模式，根據不同的比賽項目調整控制回路的組合。體育館和田徑場的晚間照明控制模式與圖書館類似，在主要出入口處安裝人流量統計裝置，統計進入體育館的人數，根據人數的多少，分區域開啟照明燈具。工作日22：30后，通過背景廣播系統的播報，通知體育館內的人員離開活動場所，15 min后自動關閉體育館內的一般照明燈具。

3.5 時間控制器聯動的建筑物外泛光照明和地下車庫照明

建筑物外景觀泛光照明，燈具布置間距大，回路敷設距離長，燈具功率大，以開關控制為主，調光控制為輔。在景觀泛光照明配電箱內裝設智能型斷路器，綜合考慮作息時間表和季節變化的情況，系統地控制景觀照明設備的啟閉，19：30開啟建筑泛光照明和綠化景觀照明，23：00關閉，次日00：00后僅開啟必要的通道照明。景觀和泛光照明的具體啟閉時間可根據季節變化進行調整，亦可設定節假日模式，以區別常規的建筑物外泛光照明。

車庫智能照明控制系統同樣采用自動控制模式，通過開關、照度傳感器等模塊化的控制設備，實現不同場景模式的自動切換。地下車庫照明采用時間繼電器分時段控制燈具的啟閉數量，在上下班高峰時段，全部點亮地下車庫燈具；在工作時間維持車庫正常照明即可，僅需開啟33%的照明燈具；22：30后，車庫內車流量很小，關閉所有車位照明，車道照明開啟10%即可，應急指示照明保持常亮，有效地降低了電能損耗。除了通過時間繼電器自動控制車庫內的燈具啟閉外，在車庫進出口管理用房內設置控制開關，以實現手動控制功能。車庫智能照明控制系統與智能監控視頻系統、空調管理系統等校園智慧網絡相聯動，實現數字化管理，通過設置紅外熱感應器，檢測到人員移動或者進入區域時，燈光自動開啟，2 min內未識別到人員移動，則燈光自動關閉，提高了能源利用效率。

4 結語

校園建筑采用智能照明控制系統可以有效地降低電能損耗，提高校園的智能化水平。學校占地面積大，建筑種類多，在采用智能照明系統時，應具體問題具體分析，因地制宜地制定智能照明控制方案，根據不同場所的用電需求，合理地選擇智能照明模式以達到最佳的照明效果、實現最佳的節能效果。