建筑電氣照明節能設計方法

毛科學

（婁底市施工圖審查服務有限公司）

0 引言

我國地大物博，人口眾多，能源種類十分豐富，面臨著能源短缺問題，因此節能減排已經上升為國家戰略［1－2］。建筑電氣照明的能源消耗占據廣大群眾日常工作和生活中能源消耗中的相當一部分，因此在保證照明質量的同時，也要對照明節能問題進行深入研究，對建筑電氣的照明方案進行優化，實現能源的高效利用［3－4］。

1 建筑電氣照明節能的意義

照明作為建筑的一項基本功能，是建筑物實現其他功能的基本前提，照明功能必須與其他功能相互配合，才能夠保證建筑物充分體現其作用。在建筑電氣設計中展開節能設計，落實建筑電氣照明節能方案，能夠保證需要長期連續照明建筑的能源得到有效節約，實現建筑投資成本回收周期的縮短［5］。

2 建筑電氣照明節能設計原則

建筑電氣照明節能設計的核心思想是節能，其設計還需要遵循以下原則展開。

1）綠色環保原則：必須要以提高能源的利用效率為核心目標，從環境保護和能源高效利用的角度出發，制定照明系統的設計方案，實現經濟、自然、人類的和諧匹配［6］。在滿足居民日常工作、生活用電需求的同時，通過照明器材的選型和控制方式等手段，也要對照明系統的電能消耗進行合理的控制。在保證照明系統投資規模的前提下，得到較好的能源高效利用效果，并實現安全用電［7－8］。

2）適用性原則：建筑電氣照明的設計在于滿足居民的照明需求，不能單純追求節能目標而忽略居民的照明體驗，這就需要照明系統設計師對建筑物的結構、電力負荷分布、照明要求等進行深入了解，以此為基礎展開照明系統的設計。要保證照明的時長、照明色度、照明均勻度、照明對比度的功能性指標［9］。

3）經濟性指標：照明系統的節能設計必須結合時間的經濟效益來進行，不能為了單純地追求節能目標而進行高額投資，導致照明系統建設成本增加。照明系統設計師需要對整個照明系統進行綜合分析，科學合理選擇照明材料和照明設備，根據建筑物的實際結構，配置照明設備的數量和位置［10］。

4）美觀性原則：在建筑電氣照明中，還需要考慮美觀性因素，在確保節能性和功能性的基礎上，進行美觀性設計，做到節能和美觀的平衡。照明系統設計師需要從全局考慮，兼顧多方面因素，結合實際情況完成建筑照明節能設計方案［11－12］。

3 建筑電氣照明節能控制系統

3.1 系統硬件架構

建筑電氣照明節能控制系統的硬件架構如圖1所示。

圖1 建筑電氣照明節能控制系統架構

1）光感單元：在建筑電氣照明節能控制系統的硬件中，光感單元是實現節能控制的一個重要部件，其主要功能是檢測建筑物內的人員活動情況，然后根據實際情況在變化的時間點上設置合理的照明強度。光感單元會設定一個照明時間，當照明時間計時完成前2s會重新檢測建筑物內的人員活動情況，如果檢測到人員活動，則繼續進行照明，反之則將照明關閉，從而實現建筑電氣照明的節能。光感單元采用的器件型號為UYHWJK-09，能夠實現遠達150m的有效光感檢測距離，配置為3＋2路檢測通道（3路常用通道，2路備用通道），能夠支持以太網（LAN）和串口（RS485和RS232）兩種通信方式，通信協議為TCP／IP。

2）控制單元：完成照明的控制功能，負責處理光感單元上傳的建筑物內的人員活動情況，并進行相關數據處理，得到照明控制命令，最終通過脈沖單元輸出。為了保證控制單元的運用效果，采用EIB控制系統，控制單元主要包括數據總線、控制執行器、其他零部件等，控制器采用靈敏度極高的材料，能夠對信號進行高精度辨識，控制執行器采用繼電器輸出和NPN晶體管輸出兩種模式。

3）驅動單元：驅動單元作為建筑電氣照明系統的重要組成，負責提供照明系統的動力驅動，同時也是建筑電氣照明系統中能量消耗最大的器件。在保證驅動單元功能的基礎上，最大限度降低驅動單元的能量損耗，合理選擇器件，選取電動機型號為HDI-027。

4）脈沖單元：建筑電氣照明系統中的脈沖單元負責將采集到的數據按照特定的規則進行脈沖輸出，以實現對照明的有效控制，選用的脈沖單元型號為YU-09XI，其結構如圖2所示。

圖2 脈沖單元電路結構

3.2 光照強度分析

通常情況下，建筑電氣照明系統的節能措施是通過對光照度進行有效控制、合理配置相關運行設備的位置，同時對可再生能源進行高效利用。光照度控制是指控制電氣照明的光通量，所謂光通量是指亮度的輻射通量，用來評價人的視覺光感，通過各個執行單元協同控制建筑物內的照明光通量，并根據相關傳感器返回的數值，實時計算光通量的實際數值，達到規定的光通量后，由控制單元發出指令，關閉照明或部分關閉照明，不滿足規定的光通量后，適當開啟照明，進行光通量的調節，從而降低建筑電氣照明系統的能量消耗。建筑電氣照明系統的能量來自發電站，為了降低能量的損耗，可以縮短變壓器與建筑的距離，減少能量在傳輸過程中的損失。可再生能源是建筑電氣照明節能系統的研究熱點，將可再生能源進行合理轉化，以降低照明系統的能源消耗。建筑電氣照明系統在進行照明的過程中，需要明確照明的時間需求、空間需求，以便進行細化的照明能源消耗統計。

建筑物中的空間分布與門、窗、臺階等都存在關聯關系，這就導致同樣的空間格局所需要的照明量存在差異，所以不能夠根據一種照明強度完成全部建筑的照明方案設計，必須對每一個建筑的照明強度進行單獨分析計算，才能夠保證照明效果的同時又達到能源消耗的降低。

首先將建筑物進行虛擬化處理，形成一個三維的坐標系，其內部的墻體、門窗、陳設等都按照一定的規則進行轉化，數據都進行歸一化處理，具體的計算方法如下：

式中，η為光通量；L1、L2、L3分別代表建筑內各個位置到光源的距離；λ為建筑內舉架高度與光源高度的比值；S為建筑內的面積。

任何照明光源的光束都是呈現發散式照射的，所以在進行光照強度計算的時候，將建筑空間認作半球體，光源發出的光與折射光垂直時，光照強度最強，約束條件為：

式中，φ為光源發出的光與折射光之間的夾角；m1、m2、m3、m4分別為建筑物內各個角落的位置。

4 試驗分析

在某建筑內對本文提出的方法進行驗證，與基于BIM建模的建筑電氣照明系統和基于KNA節能控制的建筑電氣照明系統進行對比。

每次測試照明強度無法保證完全一致，每次測試時間周期為24h，當三種方法全部完成測試，得到能量損耗試驗結果如圖3所示。

圖3 能量損耗試驗結果

根據試驗數據，得到結論。在24h的測試周期內，基于BIM建模的建筑電氣照明系統的無效照明時間最長，本文所提出的建筑電氣照明節能系統的無效照明時間最短；在規定時間內基于KNA節能控制的建筑電氣照明系統能量消耗最小，基于BIM建模的建筑電氣照明系統能量消耗最大；三種建筑電氣照明控制中，基于KNA節能控制的建筑電氣照明系統穩定性最差，本文所提出的建筑電氣照明節能系統穩定性最佳。綜上分析可知，基于BIM建模的建筑電氣照明系統顯然不是建筑電氣照明系統的最佳選擇。當前情況下，我國對于建筑電氣照明系統的穩定性要求高于建筑電氣節能的要求。綜合多方面因素考慮，本文所提出的建筑電氣照明節能系統是建筑電氣照明控制系統的最佳選擇，兼顧多種影響因素，比本文所論述到的其他兩種方法都更實用。

5 結束語

在進行建筑電氣照明節能設計時，需要根據建筑的實際特點，在建筑電氣照明系統中設計光感單元、控制單元、驅動單元、脈沖單元等，構成一套完整的建筑電氣照明節能控制系統，通過軟件方法采集建筑區域內的實際情況進行計算，并對建筑內的照明進行動態調節，實現降低能源消耗。經過實際測試，對本文所提出的方法進行驗證，既能夠保證照明效果滿足要求，又能夠實現能源消耗的降低，具備大規模推廣應用的價值，兼顧經濟效益和社會效益。