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【摘 要】本文介绍了绿色智能照明的主要设计思路,着重从照明方式、照度计算、光源及灯具选择、镇流器选择、系统设计等方面介绍了绿色智能照明的设计方案。
【关键词】绿色智能;照度;光源;BMS
Design of green and Intelligent Lighting
Zhang Jing-yi
(Xi'an Railway Vocational & Technical Institute Xi'an Shan'Xi 710014)
【Abstract】This article introduces the main green intelligent lighting design, lighting, emphatically from the source and calculation, the intensity of illumination lamps and lanterns chooses, ballast, systems design aspects of the green design of intelligent lighting.
【Key words】Green Intelligent Lighting; Ballast; illuminant; BMS
本届上海世博会,绿色照明与智能照明成为了绿色世博、科技世博的一大亮点,各种太阳能光伏发电技术、LED、新型节能灯都有大规模应用。在中国,照明耗电大体占全国总发电量的10%~12%,因此,从照明节电降耗入手,符合国家经贸委在1996年制定的绿色照明工程实施方案。绿色智能照明的宗旨是提高照明质量,节约资源,保护生态环境,以获得显著的经济效益、社会效益和环境效益;其主要解决的问题是在节能、环保、安全的前提下为人们的生活和工作环境提供舒适的光环境。
1. 利用绿色自然光
二十一世纪能源危机和环境问题举世瞩目, 如何使建筑物充分利用自然光,从而节能减排,引起国际建筑和照明界的高度关注。自然光是一种取之不尽、用之不竭的绿色洁净能源。充分开发、利用自然光一定会对我国的现代化建设起到明显推动作用。目前利用自然光主要有以下几种:
(1)光电效应法是根据光电效应把太阳能直接转换为电能,如太阳能电池就是这类换能器件。
(2)导光管法是导光管把太阳集光器收集的光传送到室内需要采光的位置。
(3)光导纤维法是用光导纤维把光线引到需要采光的位置。
(4)棱镜反射法是用一组传光棱镜把集光器收集的太阳光传送到需要采光的位置。
(5)平面镜反射法是用反光镜把太阳光反射到室内需要采光的地方。
(6)光-热-电-光转换法是用太阳光集光器把收集的太阳光转换为热能从而产生蒸汽,再用蒸汽驱动汽轮机发电。
(7)实际作业中充分利用自然光需要多位专业人员密切配合,对自然光在建筑中的功能进行全面分析,建立建筑物系统的采光设计模拟,同时要进行大量数据计算。
2. 照明方案
2.1 照明方式。
如果是一般的工作场所,则采用可以照亮整个场所的均匀照明即一般照明;如果同一场所内不同的区域位置有不同照度要求,则采用分区一般照明;如果同一场所内部分作业面照度要求高,作业密度不大,则采用混合照明即一般照明与局部照明综合的照明方式。
2.2 照度计算。
照度必须遵循科学、合理、经济的原则。照度标准与照明功率密度值应该符合《建筑照明设计标准》(GB 50034-2004)的要求。以办公建筑照明为例,照明标准值和照明功率密度值应符合表1的规定。若要达到照明设计强制性标准的要求,选择适宜的灯具利用系数和光源是很关键的。
不同的光源会直接影响照度及照明功率密度值(LPD),要符合要求,就必须对照明设计进行全面准确的计算。照度计算通常采用两种方法:利用系数法和单位容量法。如果没有计算精确,很可能出现两种情况:一种是没有使用高光效的光源或高效率的灯具,其结果虽然达到了LPD的要求,但房间的实际照度并未达到规定的照度标准;另一种情况是使用了高光效的光源及高效率的灯具,但房间未进行准确的照度计算,从而导致照度远高于规定的照度标准,并未实现真正的节能。
2.3 器材的选择。
2.3.1 光源的选择。
尽量采用高效节能的电光源,比如办公室、会议室等,使用用高光效、长寿命、显色性比较好的细管径三基色直管形荧光灯管。因为直管型灯管效率远高于弯曲型灯管,灯管管径越细则光效越高,节能效果越明显。
当今正在开发并利用新型绿色光源半导体发光二极管作为光源的固态照明被称为第四代新型绿色光源即LED光源,LED光源与传统光源相比有明显的特性和优势:
(1)高光效。LED光效可达50~200lm/W,光谱较窄, LED光源可利用红、绿、篮三种基色原理和计算机控制技术进行任意组合,产生256×256×256=16777216种颜色,单色性很好,显色性、光指向性很好。
(2)高节能。LED光源为冷光源,电能可直接转化为光能,而不转化为内能。一个10~12W的LED光源发出的光能与一个35~150W的白炽灯发出的光能相当。相同照明效果比传统光源节能80%以上。
(3)安全性高。LED光源使用低电压直流驱动,发光稳定,无频闪,光谱中没有紫外线和红外线;无热量、无辐射、眩光小,废物可回收利用;无污染不含汞元素。
(4)寿命长。固体冷光源,环氧树脂封装,无灯丝发光易烧、热沉积等缺点,可承受高强度机械冲击,LED单管使用寿命可达6万到10万小时, 比传统光源寿命长10倍以上,且维护费用较低。
(5)快速响应。LED发光二极管响应时间很短,能在规定条件内保证多个光源相互之间或一个光源的不同区域之间的快速准确地切换。
当然,当今的LED光源具有工作温度低、光衰等问题,但是鉴于它的综合性能,其最终取代传统照明是光源发展的必然趋势。
图1 智能照明控制系统结构图
2.3.2 灯具的选择。
(1)灯具光强的空间分布曲线应采用空间、平面相对等照度曲线的分布方式。
(2)灯具分类应按照光通量分布、光束角、防护等级进行划分。
(3)灯具能效的评价标准宜采用灯具的光输出比。
(4)灯具选择配光种类应遵循不同场所选用不同种类灯具的配光形式和直接配光灯具射出的光通量应有较高的利用系数的原则。
2.3.3 镇流器的选择。
室内照明光源主要以荧光灯为主,镇流器是荧光灯工作时必不可少的配套附件,荧光灯的镇流器有电感镇流器和电子镇流器两种。电子镇流器与电感镇流器相比,具有明显的优点。
(1)高功率因数。
电感镇流器和电子镇流器功耗占灯功率的百分比的对比见表3所示,通过比较可以看出二者在使用效率方面的优劣。
由表2可见,灯功率越大,镇流器的功率损耗就越低;在相同的灯功率下,节能型电感镇流器比传统型电感镇流器的损耗要低,而电子镇流器比电感镇流器的损耗更低。
(2)发光效率高由于电子镇流器为高频激励,所以采用电子镇流器的荧光灯的发光效率比采用电感镇流器的发光效率高得多。大部分电子镇流器效率为70lm/W,而电感镇流器效率仅有50lm/W。
(3)消除频闪电感镇流器供电的日光灯有周闪烁,会严重影响工作者的视力。而电子镇流器在超音频下工作,消除了频闪,发光更稳定。有利于提高视觉分辨率,提高功效;降低连续作业的视觉疲劳,有利于保护视力。
(4)起点可靠电感镇流器采用双金属片起动方式,有可能引起触点接触火花或接触不良等问题,而且在气温和电网电压的影响下,起辉器起跳较难。如果不能一次成功起动,多次起动很容易损坏灯管的阴极,从而缩短灯管的使用寿命。电子镇流器是采用高频高压气体的辉光放电的原理,使灯管在低温低压下也可以点燃,并可在预热灯管后一次起点成功,避免了多次起点。
综上所述,当照明主光源为荧光灯时,最好采用电子镇流器,以达到绿色高效节能的目的。
3. 绿色智能照明系统设计
绿色智能照明设计案例很多,在这里简单介绍与BMS系统相结合的设计方案:
3.1 明确不同控制回路的划分原则:
(1)根据场景及控制要求进行划分。例如室内或场所需要根据天然光强弱分布的不同,实现自动调光,则所控灯列最好与侧窗相平行,从而可以实现自动调节或开关各列灯具的目的。再例如像多功能会议厅等场所,尽量使所控灯列靠近或远离讲台分组,从而可以实现多场景控制的目的,同时如果使用投影仪,则可关闭讲台和邻近区段的灯光。
(2)每条照明控制回路的灯具最好为同类型的灯具,以便于很好地选择和配置调光模块。
(3)每条照明控制回路的最大负载功率应符合要选择的调光器的额定负载容量的要求。
3.2 合理选配调光器。
调光器是绿色智能照明控制系统中很关键的部件,常见的调光器有硅控调光器(Triacdimmer)(前切式)、电子式调光器(后切式)、遥控调光器(红外线或RF式)和智能型调光器等。应该根据照明控制回路的性能选择合适的调光器,同时对于不同类型的灯具也应选用不同的调光器。
3.3 BMS系统在智能照明技术中的应用。
智能照明控制系统的设计在整个智能建筑设计中是相对独立的,但作为建筑智能化系统之一,首先应使照明系统与其它的智能系统共享资源(例如实现火灾探测报警信号对灯光的联动),其次应将照明系统的监控信息迅速准确地传送给BMS系统,以实现BMS系统对照明系统的实时监控和综合管理。智能照明控制系统宜采用国际标准通信接口及协议,通过照明PC监控主机与楼宇智能管理系统相结合(如图1所示),从而实现BMS系统控制中心对照明系统的信号收集、监测和管理。
4. 结束语
实施绿色智能照明不仅要选用高效节能的光源和灯具,还应该选择最合理的照明方案并结合相关智能控制技术,从而达到能量消耗最低,照明效果最佳,照明环境更健康的最终目标。国务院发布的《确保“十一五”节能减排目标的通知》提出,大力推广节能技术和产品,推广节能灯1.5亿只以上,东中部地区和有条件的西部地区城市道路照明、公共场所、公共机构全部淘汰低效照明产品,这一系列政府扶持政策必将推进绿色照明、智能照明驶入发展快车道。
参考文献
[1] 孙成群.关于建筑照明节能理论的探讨.电气应用专刊,2007.
[2] 姚梦明,陆燕.办公室照明[M].上海:复旦大学出版社.2005.
[3] 《建筑照明设计标准》GB50034-2004,2004,8.
[文章编号]1006-7619(2010)08-17-761
【关键词】绿色智能;照度;光源;BMS
Design of green and Intelligent Lighting
Zhang Jing-yi
(Xi'an Railway Vocational & Technical Institute Xi'an Shan'Xi 710014)
【Abstract】This article introduces the main green intelligent lighting design, lighting, emphatically from the source and calculation, the intensity of illumination lamps and lanterns chooses, ballast, systems design aspects of the green design of intelligent lighting.
【Key words】Green Intelligent Lighting; Ballast; illuminant; BMS
本届上海世博会,绿色照明与智能照明成为了绿色世博、科技世博的一大亮点,各种太阳能光伏发电技术、LED、新型节能灯都有大规模应用。在中国,照明耗电大体占全国总发电量的10%~12%,因此,从照明节电降耗入手,符合国家经贸委在1996年制定的绿色照明工程实施方案。绿色智能照明的宗旨是提高照明质量,节约资源,保护生态环境,以获得显著的经济效益、社会效益和环境效益;其主要解决的问题是在节能、环保、安全的前提下为人们的生活和工作环境提供舒适的光环境。
1. 利用绿色自然光
二十一世纪能源危机和环境问题举世瞩目, 如何使建筑物充分利用自然光,从而节能减排,引起国际建筑和照明界的高度关注。自然光是一种取之不尽、用之不竭的绿色洁净能源。充分开发、利用自然光一定会对我国的现代化建设起到明显推动作用。目前利用自然光主要有以下几种:
(1)光电效应法是根据光电效应把太阳能直接转换为电能,如太阳能电池就是这类换能器件。
(2)导光管法是导光管把太阳集光器收集的光传送到室内需要采光的位置。
(3)光导纤维法是用光导纤维把光线引到需要采光的位置。
(4)棱镜反射法是用一组传光棱镜把集光器收集的太阳光传送到需要采光的位置。
(5)平面镜反射法是用反光镜把太阳光反射到室内需要采光的地方。
(6)光-热-电-光转换法是用太阳光集光器把收集的太阳光转换为热能从而产生蒸汽,再用蒸汽驱动汽轮机发电。
(7)实际作业中充分利用自然光需要多位专业人员密切配合,对自然光在建筑中的功能进行全面分析,建立建筑物系统的采光设计模拟,同时要进行大量数据计算。
2. 照明方案
2.1 照明方式。
如果是一般的工作场所,则采用可以照亮整个场所的均匀照明即一般照明;如果同一场所内不同的区域位置有不同照度要求,则采用分区一般照明;如果同一场所内部分作业面照度要求高,作业密度不大,则采用混合照明即一般照明与局部照明综合的照明方式。
2.2 照度计算。
照度必须遵循科学、合理、经济的原则。照度标准与照明功率密度值应该符合《建筑照明设计标准》(GB 50034-2004)的要求。以办公建筑照明为例,照明标准值和照明功率密度值应符合表1的规定。若要达到照明设计强制性标准的要求,选择适宜的灯具利用系数和光源是很关键的。
不同的光源会直接影响照度及照明功率密度值(LPD),要符合要求,就必须对照明设计进行全面准确的计算。照度计算通常采用两种方法:利用系数法和单位容量法。如果没有计算精确,很可能出现两种情况:一种是没有使用高光效的光源或高效率的灯具,其结果虽然达到了LPD的要求,但房间的实际照度并未达到规定的照度标准;另一种情况是使用了高光效的光源及高效率的灯具,但房间未进行准确的照度计算,从而导致照度远高于规定的照度标准,并未实现真正的节能。
2.3 器材的选择。
2.3.1 光源的选择。
尽量采用高效节能的电光源,比如办公室、会议室等,使用用高光效、长寿命、显色性比较好的细管径三基色直管形荧光灯管。因为直管型灯管效率远高于弯曲型灯管,灯管管径越细则光效越高,节能效果越明显。
当今正在开发并利用新型绿色光源半导体发光二极管作为光源的固态照明被称为第四代新型绿色光源即LED光源,LED光源与传统光源相比有明显的特性和优势:
(1)高光效。LED光效可达50~200lm/W,光谱较窄, LED光源可利用红、绿、篮三种基色原理和计算机控制技术进行任意组合,产生256×256×256=16777216种颜色,单色性很好,显色性、光指向性很好。
(2)高节能。LED光源为冷光源,电能可直接转化为光能,而不转化为内能。一个10~12W的LED光源发出的光能与一个35~150W的白炽灯发出的光能相当。相同照明效果比传统光源节能80%以上。
(3)安全性高。LED光源使用低电压直流驱动,发光稳定,无频闪,光谱中没有紫外线和红外线;无热量、无辐射、眩光小,废物可回收利用;无污染不含汞元素。
(4)寿命长。固体冷光源,环氧树脂封装,无灯丝发光易烧、热沉积等缺点,可承受高强度机械冲击,LED单管使用寿命可达6万到10万小时, 比传统光源寿命长10倍以上,且维护费用较低。
(5)快速响应。LED发光二极管响应时间很短,能在规定条件内保证多个光源相互之间或一个光源的不同区域之间的快速准确地切换。
当然,当今的LED光源具有工作温度低、光衰等问题,但是鉴于它的综合性能,其最终取代传统照明是光源发展的必然趋势。
图1 智能照明控制系统结构图
2.3.2 灯具的选择。
(1)灯具光强的空间分布曲线应采用空间、平面相对等照度曲线的分布方式。
(2)灯具分类应按照光通量分布、光束角、防护等级进行划分。
(3)灯具能效的评价标准宜采用灯具的光输出比。
(4)灯具选择配光种类应遵循不同场所选用不同种类灯具的配光形式和直接配光灯具射出的光通量应有较高的利用系数的原则。
2.3.3 镇流器的选择。
室内照明光源主要以荧光灯为主,镇流器是荧光灯工作时必不可少的配套附件,荧光灯的镇流器有电感镇流器和电子镇流器两种。电子镇流器与电感镇流器相比,具有明显的优点。
(1)高功率因数。
电感镇流器和电子镇流器功耗占灯功率的百分比的对比见表3所示,通过比较可以看出二者在使用效率方面的优劣。
由表2可见,灯功率越大,镇流器的功率损耗就越低;在相同的灯功率下,节能型电感镇流器比传统型电感镇流器的损耗要低,而电子镇流器比电感镇流器的损耗更低。
(2)发光效率高由于电子镇流器为高频激励,所以采用电子镇流器的荧光灯的发光效率比采用电感镇流器的发光效率高得多。大部分电子镇流器效率为70lm/W,而电感镇流器效率仅有50lm/W。
(3)消除频闪电感镇流器供电的日光灯有周闪烁,会严重影响工作者的视力。而电子镇流器在超音频下工作,消除了频闪,发光更稳定。有利于提高视觉分辨率,提高功效;降低连续作业的视觉疲劳,有利于保护视力。
(4)起点可靠电感镇流器采用双金属片起动方式,有可能引起触点接触火花或接触不良等问题,而且在气温和电网电压的影响下,起辉器起跳较难。如果不能一次成功起动,多次起动很容易损坏灯管的阴极,从而缩短灯管的使用寿命。电子镇流器是采用高频高压气体的辉光放电的原理,使灯管在低温低压下也可以点燃,并可在预热灯管后一次起点成功,避免了多次起点。
综上所述,当照明主光源为荧光灯时,最好采用电子镇流器,以达到绿色高效节能的目的。
3. 绿色智能照明系统设计
绿色智能照明设计案例很多,在这里简单介绍与BMS系统相结合的设计方案:
3.1 明确不同控制回路的划分原则:
(1)根据场景及控制要求进行划分。例如室内或场所需要根据天然光强弱分布的不同,实现自动调光,则所控灯列最好与侧窗相平行,从而可以实现自动调节或开关各列灯具的目的。再例如像多功能会议厅等场所,尽量使所控灯列靠近或远离讲台分组,从而可以实现多场景控制的目的,同时如果使用投影仪,则可关闭讲台和邻近区段的灯光。
(2)每条照明控制回路的灯具最好为同类型的灯具,以便于很好地选择和配置调光模块。
(3)每条照明控制回路的最大负载功率应符合要选择的调光器的额定负载容量的要求。
3.2 合理选配调光器。
调光器是绿色智能照明控制系统中很关键的部件,常见的调光器有硅控调光器(Triacdimmer)(前切式)、电子式调光器(后切式)、遥控调光器(红外线或RF式)和智能型调光器等。应该根据照明控制回路的性能选择合适的调光器,同时对于不同类型的灯具也应选用不同的调光器。
3.3 BMS系统在智能照明技术中的应用。
智能照明控制系统的设计在整个智能建筑设计中是相对独立的,但作为建筑智能化系统之一,首先应使照明系统与其它的智能系统共享资源(例如实现火灾探测报警信号对灯光的联动),其次应将照明系统的监控信息迅速准确地传送给BMS系统,以实现BMS系统对照明系统的实时监控和综合管理。智能照明控制系统宜采用国际标准通信接口及协议,通过照明PC监控主机与楼宇智能管理系统相结合(如图1所示),从而实现BMS系统控制中心对照明系统的信号收集、监测和管理。
4. 结束语
实施绿色智能照明不仅要选用高效节能的光源和灯具,还应该选择最合理的照明方案并结合相关智能控制技术,从而达到能量消耗最低,照明效果最佳,照明环境更健康的最终目标。国务院发布的《确保“十一五”节能减排目标的通知》提出,大力推广节能技术和产品,推广节能灯1.5亿只以上,东中部地区和有条件的西部地区城市道路照明、公共场所、公共机构全部淘汰低效照明产品,这一系列政府扶持政策必将推进绿色照明、智能照明驶入发展快车道。
参考文献
[1] 孙成群.关于建筑照明节能理论的探讨.电气应用专刊,2007.
[2] 姚梦明,陆燕.办公室照明[M].上海:复旦大学出版社.2005.
[3] 《建筑照明设计标准》GB50034-2004,2004,8.
[文章编号]1006-7619(2010)08-17-761