基于比功率法和利用系數(shù)法的HAB（WB）照度計(jì)算在海工船上的應(yīng)用

戴祥斌，徐心淵

（上海市斯迪安船舶設(shè)計(jì)有限公司，上海 200052）

0 引 言

為滿足規(guī)范對(duì)照度的要求，在照明設(shè)計(jì)中需要對(duì)設(shè)計(jì)照度進(jìn)行計(jì)算，通常采用手工計(jì)算或計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。手工計(jì)算有逐點(diǎn)計(jì)算法，利用系數(shù)法（又稱光通量法、流明法）和比功率法等；計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)以GLAMOX公司的OptiWin軟件為例：該軟件可以導(dǎo)入CAD圖紙，根據(jù)要求自動(dòng)生成照明布置和照度上的精確分布[1]。隨著照明研究的深入，研究者提出了一些新的方法，如考慮了墻壁多次反射的維護(hù)面計(jì)算法[2]，以及照度矩陣這樣的數(shù)學(xué)工具[3]，為照度計(jì)算提供了新的理論基礎(chǔ)。

結(jié)合150T三用拖船上HAB(WB)照度計(jì)算的實(shí)例，對(duì)利用系數(shù)法和比功率的使用進(jìn)行了討論。

1 設(shè)計(jì)背景

船上照明是船舶正常航行、支持作業(yè)以及船上人員生活工作的必要條件。包括確保航行安全及人員安全的照明（如航行燈、信號(hào)燈、登放艇區(qū)域的照明），工作場(chǎng)所照明（如駕駛室，機(jī)艙和裝卸區(qū)域的照明）以及生活區(qū)域照明（如起居，休閑娛樂(lè)場(chǎng)所的照明）等。同時(shí)，隨著海洋石油工業(yè)向深海拓展，船上人員的離岸工作時(shí)間和強(qiáng)度顯著增加，保證船員的生活的舒適性日益重要，其中對(duì)照明的要求變得更加嚴(yán)格。

特別地，對(duì)于海工輔助船（OSV-offshore supply vessel）的照明設(shè)計(jì)：一方面，海工輔助船的客觀條件給照明設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)：海工輔助船承擔(dān)為海洋石油勘探、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)提供全面的船舶作業(yè)支持服務(wù)，提供各種水深的起拋錨作業(yè)、海上設(shè)施及大型工程船舶的拖航就位、鉆采物資運(yùn)輸供應(yīng)、油田守護(hù)、提油支持、油田生產(chǎn)支持、消防和海上污染處理等多種作業(yè)服務(wù)。工作的多樣性和復(fù)雜性對(duì)照明提出了很高要求。另外，以某型150T AHTS（錨作拖帶船）為例，其特點(diǎn)是船型較小，而功能多樣，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，走道寬度狹小，艙室內(nèi)部設(shè)備多且型式多樣，各系統(tǒng)管路電路交錯(cuò)縱橫，給照明設(shè)計(jì)布置帶來(lái)了較大困難。同時(shí)，照明設(shè)計(jì)既需要滿足工作區(qū)域人員安全高效工作的要求，在生活區(qū)域也要求具有一定的美觀性，同時(shí)還涉及船上人員緊急逃生時(shí)的安全問(wèn)題。

另一方面，隨著國(guó)際規(guī)范（MLC，船級(jí)社規(guī)范如DNV、ABS、BV）對(duì)舒適性的嚴(yán)格要求，照明設(shè)計(jì)被賦予了更高的難度：以HAB(WB)為例，它是由ABS（美國(guó)船級(jí)社）近年推出的針對(duì)工作船舒適度要求的入級(jí)符號(hào)，對(duì)5個(gè)方面提出了全面而明確的指標(biāo)，分別是居住區(qū)域的設(shè)計(jì)，振動(dòng)，噪音，室內(nèi)空調(diào)和通風(fēng)以及照明。另外，該符號(hào)還擁有兩個(gè)升級(jí)版，HAB+ (WB)以及HAB++ (WB)[4]，對(duì)于上述前4個(gè)方面中某些指標(biāo)均提出了更高的要求。但值得注意的是，照明方面的要求，三者是一致的。規(guī)范對(duì)工作船上各個(gè)處所的照度都有詳細(xì)的規(guī)定，相比其他規(guī)范HAB(WB)在照度上的要求，舉例如表1所示。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)照度要求對(duì)比 單位：lx

可見(jiàn)，HAB(WB)對(duì)照度的要求也是比較嚴(yán)格的。在施工結(jié)束后由通過(guò)認(rèn)證的第三方編制照度測(cè)量計(jì)劃，得到批準(zhǔn)后在ABS的監(jiān)督下按計(jì)劃進(jìn)行測(cè)量[5]。

2 海工船的照度計(jì)算方法

2.1 計(jì)算方法的選擇

首先根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況選擇最合適的照度計(jì)算方法。150T AHTS總長(zhǎng)72m，型寬17.2m，型深7.8m，定員36名。起居艙室有船員住艙，娛樂(lè)室，廚房，餐廳等處所。由于艙室分類較少，通常一類處所（如住艙）可選取1～3種典型布置計(jì)算；另外，各類型艙室內(nèi)布置情況都較為簡(jiǎn)單，并不需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行精確的分析計(jì)算。因此，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和手工計(jì)算均能勝任。

其次，不同于空間較大的商船，通過(guò)精確的計(jì)算可以避免過(guò)度照明產(chǎn)生的浪費(fèi)，海工船因?yàn)榕撌颐娣e小，當(dāng)計(jì)算照度與HAB(WB)要求的值之間有差距時(shí)，通過(guò)增加1～2盞燈具，照度就可以大大超出指標(biāo)要求；加之艙室數(shù)量較少，燈具的總增量也能控制在一定的范圍內(nèi)。因此，通過(guò)采用計(jì)算軟件精確分析以節(jié)省成本的優(yōu)勢(shì)難以顯現(xiàn)。

另外，鑒于照度計(jì)算軟件中燈具的數(shù)據(jù)庫(kù)往往僅限定于提供廠家的自有產(chǎn)品，在燈具的選型上便受到掣肘。如果不依賴廠家進(jìn)行獨(dú)立的計(jì)算，還需要考慮購(gòu)買一套照明設(shè)計(jì)軟件。

鑒于以上幾點(diǎn)考慮，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件輔助照明設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)不大，故選擇手工計(jì)算。為提高可靠性，同時(shí)采用比功率法和利用系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)兩者的結(jié)果進(jìn)行綜合考慮，最后再用計(jì)算軟件進(jìn)行校核，檢查上述方法的精確度。

2.2 計(jì)算方法的內(nèi)容

2.2.1 比功率法

比功率法是根據(jù)各艙室的最低照度要求，選擇其單位面積所需的功率數(shù)值（即比功率值），再根據(jù)艙室面積計(jì)算該艙室所需照明的總功率，然后結(jié)合艙室的具體布置情況確定照明燈具的形式、數(shù)量及每個(gè)燈的功率的方法。如果已經(jīng)做好了燈具選型工作，每盞功率與總功率的比值即為所需燈具數(shù)量的最小值。

計(jì)算公式：

式中：P——所需燈具總功率/W；Ws——單位面積所需功率（比功率值）/W/m2；s——艙室面積/m2。

其中，根據(jù)需要的照度和燈具的型式，可以在設(shè)計(jì)手冊(cè)[4]中查到相應(yīng)的值。

2.2.2 利用系數(shù)法

利用系數(shù)是指被照面上的有效光通量與光源發(fā)射的額定光通量之比。利用系數(shù)法就是在艙室的幾何特性已確定的前提下，根據(jù)預(yù)選燈具的利用系數(shù)來(lái)計(jì)算所需光通量的方法。

利用系數(shù)法的計(jì)算公式為

式中：F——每個(gè)燈具中光源的光通量/lm；S——艙室面積/m2；E——要求達(dá)到的平均照度/lx；K——照度補(bǔ)償系數(shù)；N——燈具數(shù)量；η——利用系數(shù)。

考慮光源在使用期間，由于光通量的衰減及被照環(huán)境的變化而引起照度降低，在照明計(jì)算時(shí)預(yù)置了補(bǔ)償系數(shù)（K），K與艙室內(nèi)光通量衰減量成正相關(guān)。

利用系數(shù)η值與艙室的幾何形狀、墻壁與天花板的反射條件及燈具的型式有關(guān)。

室形指數(shù)φ取決于艙室的幾何形狀，可由下式計(jì)算：

式中：a——艙室長(zhǎng)度/m；b——艙室寬度/m；H——艙室高度/m。

2.2.3 兩種方法各自優(yōu)缺點(diǎn)

1) 比功率法適用范圍廣，可以應(yīng)用于不規(guī)則的房間，但是相比利用系數(shù)法，僅考慮了平均功率和燈具類型兩個(gè)因素，沒(méi)有考慮墻面反射，房間形狀對(duì)光線照射的影響以及房間內(nèi)空氣的通透度等對(duì)照度的影響，所以在精確性上要打折扣；

2) 利用系數(shù)法相較于比功率法考慮了墻面反射，和室內(nèi)環(huán)境對(duì)照度的影響，結(jié)果更加接近實(shí)際，但缺點(diǎn)是對(duì)于不規(guī)則房間不能直接進(jìn)行應(yīng)用。

2.2.4 計(jì)算表格

根據(jù)以上所述兩種不同的方法，創(chuàng)建一個(gè)電子表格，根據(jù)房間的布局，分別填入長(zhǎng)，寬，高，查表[6]得到補(bǔ)償系數(shù)，反射系數(shù)等各個(gè)參數(shù)。再填入代表燈具屬性的各個(gè)參數(shù)如型式，光通量等等，就可以根據(jù)表格中編好的公式，得到各方法下燈具的數(shù)量。最后，比較兩種方法的結(jié)果，加上設(shè)計(jì)人員的根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的修正，得到的最終結(jié)果就能作為照明布置時(shí)燈具數(shù)量的理論依據(jù)（見(jiàn)表2、3）。

表2 利用系數(shù)法計(jì)算

表3 比功率法計(jì)算

2.3 照度報(bào)告

完成照明設(shè)計(jì)后，利用上述表格，可分別把燈具數(shù)量填入當(dāng)中，利用比功率法和利用系數(shù)法的公式計(jì)算出的結(jié)果就是在相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)之下的理論照度。該文件可以作為照明設(shè)計(jì)的支撐文件，提交船東參考。

3 海工船照明系統(tǒng)照度設(shè)計(jì)的實(shí)踐應(yīng)用

在150T AHTS中選取以下幾種典型艙室，使用比功率法和利用系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算：

3.1 駕駛室

駕駛室照明布置如圖1。駕駛室燈具使用嵌入式熒光燈，燈具規(guī)格為2×20W，使用2只燈管。燈管光通量參照飛利浦MASTER TL5 HO Eco 20，每只1525lm，考慮損失，一盞熒光燈光通量按2200lm計(jì)算。

由于房間形狀不規(guī)則，只能用比功率法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)規(guī)范，駕駛臺(tái)需要照度為325lx，其他區(qū)域根據(jù)規(guī)范要求為150lx。因?yàn)槭怯?jì)算平均照度，所以選取150lx為需要值，駕駛臺(tái)不足照度單獨(dú)考慮，或可用射燈補(bǔ)足。駕駛室總面積102m2，選用嵌入式熒光燈，通過(guò)查表[6]，要獲得150lx照度每平方米需要的照明功率為7W（7 W/m2），燈具功率為40W/盞，根據(jù)公式(1)可得到如下結(jié)果：N=7× 102/40=17.85，向上取整為18盞燈。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

圖1 駕駛室照明布置

表4 比功率法計(jì)算駕駛室照度結(jié)果

3.2 典型艙室-娛樂(lè)室

娛樂(lè)室布置如圖2，由于該艙室為規(guī)則矩形，可使用利用系數(shù)法計(jì)算。根據(jù)房間長(zhǎng)寬高，由公式（3），室形系數(shù)：φ=4.78× 3.14/(2.1×Y4.78+3.14Y)=0.9，天花板和墻壁的顏色分別為白色和淡綠色，通過(guò)查表[6]得利用系數(shù)為 0.43，根據(jù)處所類型和燈具類型選擇補(bǔ)償系數(shù)1.3。由公式(2)，燈具數(shù)量N=6.18，故選擇6盞燈，并等待進(jìn)一步用比功率法驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果如表5。

采用比功率法驗(yàn)算，根據(jù)面積和300lx照度下需要的比功率，由式(1)得N=5.25，向上取整選取6盞燈，結(jié)果超出指標(biāo)。比功率法計(jì)算結(jié)果如表6。

3.3 典型船員住艙

船員住艙布置如圖 3。艙室燈具選用 2×11W 筒燈，燈頭光通量參照飛利浦 EcotoneHS CDL E27 220-240V 1CT，每只 760lm，每盞筒燈的光通量按1200lm計(jì)算。

圖2 娛樂(lè)室照明布置

表5 利用系數(shù)法計(jì)算娛樂(lè)室照度結(jié)果

表6 比功率法計(jì)算娛樂(lè)室照度結(jié)果

圖3 比功率法計(jì)算艙室照度

圖4 利用系數(shù)法計(jì)算艙室照度

由于房型不規(guī)則，且需要去掉衛(wèi)生單元單獨(dú)計(jì)算居住艙室。去掉衛(wèi)生單元之后房間的面積為 8.4m2。查表[6]可得要獲得150lx照度每平方米需要的照明功率為 7W（7W·m-2），燈具為20W/盞，根據(jù)式(1)，得到需要3盞燈。計(jì)算結(jié)果如表7。

表7 比功率法計(jì)算船員艙室照度結(jié)果

如要使用利用系數(shù)法，用一個(gè)形狀相似且面積略大的矩形來(lái)進(jìn)行近似計(jì)算（如圖4 矩形所示，長(zhǎng)2.45m，寬3.41m）。室形系數(shù)：φ=0.68，天花板和墻壁的顏色分別為白色和淡綠色，查表[6]得利用系數(shù)為0.43，根據(jù)處所類型和燈具類型選擇補(bǔ)償系數(shù)1.3。由式（2）計(jì)算得燈具數(shù)N=3.15。利用系數(shù)法計(jì)算結(jié)果如表8。

表8 利用系數(shù)法計(jì)算船員艙室照度結(jié)果

將房間近似成矩形來(lái)進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果，可用來(lái)作為參考，兩者的計(jì)算結(jié)果也較為接近，考慮到臺(tái)燈提供的額外的照度，選擇3盞燈能夠滿足規(guī)范要求。

3.4 驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)在OSV上比功率法和利用系數(shù)法結(jié)合的理論依據(jù)是否可行，采用OptiWin軟件進(jìn)行驗(yàn)證。

3.4.1 OptiWin介紹

OptiWin軟件包含GLAMOX公司的燈具數(shù)據(jù)庫(kù)，類型齊全、種類繁多，囊括了船舶海事、陸地等多個(gè)領(lǐng)域。OptiWin軟件中，數(shù)據(jù)庫(kù)中燈具各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)精確，可以查閱每種類型中具體型號(hào)的燈具圖片、特性曲線與性能參數(shù)。其計(jì)算理論依據(jù)如下：

1) 評(píng)估照度計(jì)算：這種方法是基于設(shè)備利用率，用于計(jì)算必要的平均照度。房間內(nèi)的燈具布置勻稱均衡且在同一個(gè)高度上，適用于具體房間的照明燈具布置；

2) 精確照度計(jì)算：這是根據(jù)距離計(jì)算照明燈具的精確照度的方法。如果光源距離較短，把照明燈具劃分為更小的組，精確的計(jì)算一個(gè)或多個(gè)光源的照度；

3) 房間內(nèi)部反射計(jì)算：這是照度計(jì)算中最重要也最復(fù)雜的部分。需要考慮房間內(nèi)天花板、墻板與地板的反射系數(shù)、燈具的安裝角度；考慮光源在不同點(diǎn)（房間內(nèi)的區(qū)域劃分為更小的區(qū)域）之間的移動(dòng)，直到點(diǎn)可被忽略。這種計(jì)算綜合考慮以上兩種算法，盡管計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)，但計(jì)算結(jié)果精確[1]。

3.4.2 OptiWin計(jì)算結(jié)果

將上述艙室照明布置建模，采用OptiWin軟件對(duì)上述照度計(jì)算進(jìn)行檢驗(yàn)。

如圖5，駕駛室內(nèi)的照度在分布在150～300lx之間，室內(nèi)絕大部分走道和休息區(qū)域均達(dá)到了150lx的照度；在駕駛臺(tái)上，有部分區(qū)域已經(jīng)達(dá)到了325lx，由于駕駛臺(tái)上另外裝帶有調(diào)光功能的射燈，可以補(bǔ)足欠缺的照度。

采用同樣的方法，對(duì)另外幾個(gè)例子進(jìn)行檢驗(yàn)，記錄在表 9中。各例中，平均照度均能滿足規(guī)范的要求；少數(shù)位置低于標(biāo)準(zhǔn)，如休息室的角落，艙室里的床頭位置，通過(guò)裝設(shè)壁燈和床頭燈，在提供裝飾和功能的同時(shí)也補(bǔ)足了照度。

圖5 軟件計(jì)算駕駛室照度

表9 利用系數(shù)法與軟件計(jì)算結(jié)果比較表

4 結(jié) 語(yǔ)

在150T AHTS艙室布置的情況下，通過(guò)兩種方法計(jì)算相互修正，保證了大致的精度。通過(guò)表格的型式，一方面提高了計(jì)算時(shí)操作的效率，同時(shí)可直接生成照度計(jì)算文件。同時(shí)，相較計(jì)算機(jī)軟件輔助計(jì)算，節(jié)省了購(gòu)買軟件的成本。

由于采用的是平均值的理論基礎(chǔ)，比功率法和利用系數(shù)法均無(wú)法對(duì)點(diǎn)照度的要求進(jìn)行考慮，比如駕駛臺(tái)，房間角落的照明，需要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)，或者逐點(diǎn)計(jì)算法進(jìn)行照明的補(bǔ)足。并且，利用系數(shù)法僅考慮了墻壁的一次反射，比功率法沒(méi)有考慮艙壁的反射的差異，故在精度上存在一定缺陷，應(yīng)用存在一定的條件限制。

[1] 陳奎英，張冬梅，肖昕路. OptiWin照度計(jì)算軟件在海洋工程照明設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 船舶，2009, (5).

[2] 李運(yùn)江，彭惠明，徐 波. 幾種照度計(jì)算方法的比較及研究[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003, (2).

[3] 汪魯才，王耀南，毛六平，等. 基于照度矩陣的照度計(jì)算方法研究[J]. 照明工程學(xué)報(bào)，2002, (6).

[4] 美國(guó)船級(jí)社. Guide for Crew Habitability on WorkBoats[S]. 2012.

[5] 王 平，王金苓. OptiWin3DPro軟件在船舶HAB(WB)照明設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 廣東造船，2013, (2).

[6] 中國(guó)船舶工業(yè)總公司編. 船舶設(shè)計(jì)使用手冊(cè)(電氣分冊(cè))[M].