高校照明系統(tǒng)綠色節(jié)能策略研究

王春玲 陳琛 張晴 殷賑聲

1 引言

1.1研究意義

根據(jù)教育部2013年的統(tǒng)計資料，全國普通高校已達(dá)2790所，教職工近230萬人，在校學(xué)生超過3000萬[1]。同時，據(jù)不完全統(tǒng)計，高校年能耗近3 000萬tce（噸標(biāo)準(zhǔn)煤），高校學(xué)生的年均能耗遠(yuǎn)高于一般城鎮(zhèn)居民能耗。高校作為電耗大戶，照明用電量占總用電量的40%-50%以上[2]。

隨著節(jié)能減排等基本國策的提出和高校綠色節(jié)能校園建設(shè)的開展，高校校園的照明質(zhì)量與節(jié)能也越來越令人們所重視。照明設(shè)備分布廣、應(yīng)用時間長、能耗大，對其節(jié)能改造具有良好的經(jīng)濟效益。通過對部分高校的調(diào)查情況來看，高校照明用電存在的問題很多，高等院校的節(jié)能潛力較大。開展高校照明節(jié)能工作，不但可以為學(xué)校節(jié)省資金，支持為教學(xué)、科研等關(guān)鍵支出提供經(jīng)費。更重要的是可以培養(yǎng)師生的節(jié)約意識，使之成為建設(shè)“節(jié)約型社會”的生力軍。另外，進入21世紀(jì)以來，國內(nèi)外都更專注于研究并推行旨在節(jié)約電能、減少環(huán)境污染、有利人體健康的綠色照明工程計劃，我國也早在1990年代即提出了綠色照明計劃，但是由于節(jié)電技術(shù)措施不完善、節(jié)能宣傳不力、部分節(jié)能產(chǎn)品質(zhì)次價高等因素的影響，高校照明綠色節(jié)能的推廣和普及仍存在很多問題。因此，從綠色節(jié)能技術(shù)角度深入研究高校照明課題很有意義。

1. 2 研究方法

通過大量的文獻瀏覽和對泰安三所高校（泰山學(xué)院、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)、泰山高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院）的實地調(diào)研，了解目前高校照明及節(jié)能現(xiàn)狀；然后對現(xiàn)存節(jié)能技術(shù)方案進行比較分析；最后得出結(jié)論。

2高校照明用電現(xiàn)狀調(diào)研與分析

高校照明節(jié)能技術(shù)主要涉及1、樓內(nèi)（包括教學(xué)樓、圖書館、辦公樓、實驗室、學(xué)生宿舍區(qū)），2、校園（包括景觀區(qū)、道路）等兩類公共場所的照明節(jié)電技術(shù)。

2.1 高校樓內(nèi)照明用電現(xiàn)狀

高校樓內(nèi)區(qū)域照明主要涉及教學(xué)樓、圖書館、辦公樓和實驗室的室內(nèi)（包括教室、辦公室、實驗室、閱覽室、宿舍，本文主要以教室為主要研究對象）和樓道、衛(wèi)生間照明。為使師生有舒適的教學(xué)和工作環(huán)境，無論是教室的面積、設(shè)施和照度，校方在力所能及的范圍內(nèi)，都付出了十分的努力。但由于一般高校節(jié)能管理模式的粗放化、教室使用的開放化和師生節(jié)能意識的淡薄，加之人眼在高亮度條件下對亮度變化的不敏感，導(dǎo)致普遍存在白天室內(nèi)照度很高的情況下仍然開燈的現(xiàn)狀；或者即使室內(nèi)無人或人數(shù)很少仍然全部開啟室內(nèi)照明；長明燈比比皆是，人走不熄燈的現(xiàn)象司空見慣。

樓道和衛(wèi)生間照明燈的主要問題是長明燈現(xiàn)象嚴(yán)重。白天自然光照大于燈具光照的情況下，人們難以覺察到燈光的存在，這是造成白天長明燈的主要原因。而深夜人流很小甚至無人的情況下，如果最后離開教室的學(xué)生或值班人員責(zé)任心不強，樓道和衛(wèi)生間燈具基本上也是全部開啟。

缺乏有效的技術(shù)控制和管理措施造成了大量不必要的電耗及支出。根據(jù)我們調(diào)查統(tǒng)計：80%以上的教學(xué)樓存在著在白天光照良好的情況下教室、樓道和衛(wèi)生間燈具開啟及午休時間長明燈的現(xiàn)象。以中等教室（共有12盞日光燈，每燈功率40W）為例，每層教學(xué)樓約有教室30間，共六層計，則整個教學(xué)樓教室照明燈具總負(fù)荷約為86.4KW，再加上樓道、衛(wèi)生間照明和線路損耗，一棟教學(xué)樓照明負(fù)荷約為150KW。若平均每天按減少不必要照明2小時、電費0.55元/千瓦時計算，1天就可節(jié)約電能300千瓦時，折合電費165元。以學(xué)生一年在校9個月計，一年即可節(jié)約電能8.1萬千瓦時，折合電費44.55萬元。推及全校及全國高校，數(shù)目驚人?？梢姡咝＝虒W(xué)樓內(nèi)照明節(jié)能潛力巨大。

2.2高校校園照明用電現(xiàn)狀

高校校園是指高校校園內(nèi)的交通和景觀區(qū)域，既是校園中夜間照明的框架和主要對象，又是體現(xiàn)校園莊重典雅人文氣息的重要載體。在校園內(nèi)所進行的教學(xué)、科研、交流活動不同于城市市民生活或商業(yè)活動，高校校園應(yīng)該充滿寧靜、平和、舒暢的氣氛，夜晚的照明環(huán)境應(yīng)光亮柔和、清爽悅目，不允許光怪陸離、刺眼變幻。校園照明可分為功能性照明和裝飾性照明。功能性照明是指在一定的視覺環(huán)境質(zhì)量下滿足行人和車輛夜間通行的暢通和安全需要，裝飾性照明則是滿足人們對美的欣賞要求，表現(xiàn)夜間校園恬靜優(yōu)雅的學(xué)府氣質(zhì)并有效預(yù)防夜間犯罪。

我國的高校校園建設(shè)近年來蓬勃發(fā)展，取得了顯著成就。但是，由于校園照明并無直接的國家標(biāo)準(zhǔn)作為指導(dǎo)，導(dǎo)致質(zhì)量參差不齊。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，校園照明主要存在以下問題：

（1）首先是后半夜路燈超功率運行。由于目前中國電網(wǎng)技術(shù)相對落后，導(dǎo)致高校電網(wǎng)波動過大，特別在后半夜用電負(fù)荷銳減，使得電網(wǎng)電壓甚至接近245V，這時額定功率為250W的路燈實際功率可達(dá)560W左右，多耗了近一倍的電量。同時由于超負(fù)荷運行，路燈燈泡使用壽命也大大縮減，實際平均使用時間不到一年。

（2）缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，照明水平兩極分化嚴(yán)重。有些高校不重視道路照明，校園夜間光環(huán)境過暗；而有些新修的大學(xué)城，過分地強調(diào)夜間形象，導(dǎo)致夜間光環(huán)境過亮，耗費大量的能源。

（3）缺少人性化的規(guī)劃，忽視道路照明對阻止校園犯罪的作用。有些高校只在人流車流量大的道路配置路燈，其余的道路則一團漆黑，為犯罪分子提供了可乘之機。

（4）開、關(guān)燈時間不合理。一年四季的開關(guān)燈時間固定不變或者實行冬夏制，與自然光環(huán)境的變化缺乏聯(lián)系，導(dǎo)致照明系統(tǒng)在自然光環(huán)境變化的情況下不能靈敏地開啟和關(guān)閉。

（5）忽視對學(xué)府氣質(zhì)的營造，存在一定程度的光污染和眩光。有的高校校園照明光色過分妖艷，與場所自身屬性不符；有的高校采用高壓汞燈作為光源，十分刺眼，但路面照明效果和顯色性并不好。

為解決以上問題，實施國家節(jié)能戰(zhàn)略，保障師生擁有科學(xué)合理、安全有序、健康舒適的照明環(huán)境，高校照明的節(jié)能問題不得不提到重要的議事日程上來。

3 高校照明系統(tǒng)的綠色節(jié)能策略

3.1 國內(nèi)外高校照明綠色節(jié)能的研究現(xiàn)狀

中國第一部《綠色校園評價標(biāo)準(zhǔn)》（標(biāo)準(zhǔn)編號CSUS/GBC 04 - 2013）將綠色校園定義為：在全壽命周期內(nèi)最大限度地節(jié)約資源、保護環(huán)境和減少污染，為師生提供健康、適用、高效的教學(xué)和生活環(huán)境，對學(xué)生具有環(huán)境教育功能，與自然環(huán)境和諧共生的校園。中國《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50034-2013）定義：綠色照明是節(jié)約能源、保護環(huán)境，有益于提高人們生產(chǎn)、工作、學(xué)習(xí)效率和生活質(zhì)量，保護身心健康的照明。高校照明綠色節(jié)能理念的內(nèi)涵不僅是節(jié)能，而且要滿足師生對照明健康、適用、低碳等要求。

隨著綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展理念的推廣和物聯(lián)網(wǎng)、通信及傳感等技術(shù)的進展，國內(nèi)外高校對綠色照明的關(guān)注和研究日益深入。在美歐等國家，各大學(xué)制定了完備的校園夜間照明策略。如國際黑天空協(xié)會（International Dark-Sky Association（IDA））在其發(fā)行的第 23號（Information Sheet #23）文件中對校園照明提出非常細(xì)致的規(guī)定[3]，哈佛、芝加哥大學(xué)等都對校園照明通過專門的調(diào)查，制定了照明區(qū)域分類量化標(biāo)準(zhǔn)[5]。國內(nèi)學(xué)者對高校照明也在進行著持續(xù)而廣泛的研究，如劉世英對高校校園道路照明的研究，對高校教室照明或教學(xué)樓節(jié)能管理平臺的設(shè)計也有廣泛的研究，但研究對象比較分散，缺乏針對校園整體照明策略的設(shè)計。所以我們通過對照明和研究現(xiàn)狀的綜合分析，提出以下高校照明綠色節(jié)能設(shè)計的策略。

3.2 高校照明綠色節(jié)能的基本原則

1、以人為本的設(shè)計原則

高校師生是高校照明的使用主體。所以，照明綠色節(jié)能設(shè)計的第一原則是以人為本，以師生的健康、安全、適度舒適為原則進行照明節(jié)能設(shè)計。

在照明節(jié)能設(shè)計中，要考慮到人的視覺特性。如，人在光強較低（昏暗的清晨、陰天或傍晚）時對亮燈是敏感的，但在光強較高時（開燈后、晴天等）對亮度的變化則不敏感。因此在教室或辦公室內(nèi)開燈后往往會忘記關(guān)燈從而造成浪費。為此，可以通過照明節(jié)能系統(tǒng)中智能檢測與開關(guān)的設(shè)計實現(xiàn)自動操作，保證在滿足師生舒適性照明需要前提下的節(jié)能，這正是綠色節(jié)能的內(nèi)涵。再如，在校園道路設(shè)計中，不同區(qū)域節(jié)能設(shè)計要采用不同的策略，校園主干道路作為交通干道應(yīng)提供較高亮度，偏僻小道行人照明需要則可設(shè)計成聲控或紅外控制，實現(xiàn)有人才亮燈。

2、整體規(guī)劃的原則

要從校園的整體規(guī)劃出發(fā)，將照明節(jié)能納入統(tǒng)一的校園節(jié)能（節(jié)電、節(jié)水、供暖、空調(diào)）管控一體化平臺建設(shè)中，做出校園照明專項規(guī)劃，結(jié)合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、主觀評價和當(dāng)?shù)靥厣夤δ苄院脱b飾性，通盤考慮綠色、節(jié)能和可持續(xù)的原則實施校園照明節(jié)能設(shè)計，并結(jié)合信息化校園建設(shè)，充分發(fā)揮校園網(wǎng)作用，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化節(jié)能管控。

3、充分利用自然光的原則

研究發(fā)現(xiàn)，自然光相對人工光源更有利于保護視力和提高學(xué)習(xí)工作效率[4]。因此，高校室內(nèi)外照明節(jié)能設(shè)計均應(yīng)采用自然光+人工光源的混合照明方式，并在技術(shù)方案設(shè)計中充分利用自然光。如路燈控制在不同季節(jié)開關(guān)燈時間應(yīng)考慮到自然光隨季節(jié)的變化，樓內(nèi)照明則區(qū)分室內(nèi)和室外，有所區(qū)別（見下文）。

4、選用先進、可持續(xù)的照明節(jié)能技術(shù)成果

作為一門綜合技術(shù)，照明綠色節(jié)能隨著照明材料、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、計算機、新能源等技術(shù)的迅猛發(fā)展而呈現(xiàn)出日新月異的技術(shù)態(tài)勢。但是作為高校照明節(jié)能，一方面作為技術(shù)研發(fā)應(yīng)用的前沿，要勇于嘗試、研發(fā)、應(yīng)用新技術(shù)，另一方面考慮技術(shù)的可持續(xù)性和性價比，在整體系統(tǒng)設(shè)計上，則應(yīng)遵循適度先進、相對成熟的原則。

3.3 高校照明綠色節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

從上述原則出發(fā)，比較成熟的先進綠色照明技術(shù)主要有以下幾方面：

3.3.1選用高效照明燈具及節(jié)電產(chǎn)品

白光LED（Lighting Emitting Diode）照明燈不僅具有體積小、重量輕、低耗電量（相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能近 80%）、使用壽命長（可達(dá) 6 萬 ～10 萬h，比傳統(tǒng)光源壽命長 10 倍以上）、高亮度、低熱量（冷發(fā)光技術(shù)）的優(yōu)點，而且作為一個完全的電子產(chǎn)品，LED燈易于與各種類型傳感器關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)光控、紅外控制等智能、簡化、經(jīng)濟的照明。據(jù)調(diào)研，目前高校教室普遍采用T5-28W 三基色熒光節(jié)能燈。即使選用綜合性能較差的 LED 燈替換，每年的使用成本即可節(jié)約 40%（實際會更高）[6]。因此，在高校樓內(nèi)教室、樓道、衛(wèi)生間及校園路燈、景觀燈等照明燈具均可選擇LED燈具，配合智能網(wǎng)絡(luò)化管控系統(tǒng)，更易于實現(xiàn)綠色節(jié)能照明。

綜合壽命、光效、經(jīng)濟性、顯色性等指標(biāo)，目前照明路燈高壓鈉燈應(yīng)屬首選。純步行的校園道路、景觀設(shè)施照明、綠化照明以及其它的裝飾性照明，則可以采用性能好、壽命長的緊湊型熒光燈或節(jié)能燈。

對于現(xiàn)有熒光燈燈具，應(yīng)予以節(jié)能改造，推廣使用電子鎮(zhèn)流器替代傳統(tǒng)電感鎮(zhèn)流器，安裝反射罩等以減小功耗，改善采光效果。

3.3.2采用先進的綠色照明智能節(jié)電控制系統(tǒng)

智能化控制是未來照明節(jié)能控制發(fā)展的趨勢。作為科技研發(fā)前沿的高校應(yīng)致力于先進智能化照明控制技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用試點與推廣，為建設(shè)節(jié)約型社會提供表率。目前比較成熟的智能照明控制技術(shù)主要有：

1、樓內(nèi)智能照明控制技術(shù)

在樓內(nèi)照明控制中，主要釆用遠(yuǎn)紅外智能控制開關(guān)、光控或分區(qū)分組照明控制。

遠(yuǎn)紅外智能控制開關(guān)的技術(shù)支撐為以人體溫度為檢測目標(biāo)的熱釋型紅外傳感技術(shù)。只有當(dāng)人進入其探測區(qū)域時，紅外傳感器將人體與空間溫度的差值信號傳遞給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對照明開關(guān)電路的驅(qū)動。在控制電路中一般同時加入自然光照度檢測電路，遵循自然光優(yōu)先原則，在室內(nèi)照度達(dá)標(biāo)情況下，即使室內(nèi)有人或強行開燈都不予支持，杜絕了白天室內(nèi)照度達(dá)標(biāo)而開燈上課的嚴(yán)重浪費。

衛(wèi)生間和樓道則應(yīng)用新型聲控開關(guān)和LED燈具，有人走過才開燈，并采用延遲閉燈技術(shù)，充分滿足行走照明需要，同時又能夠。以上紅外、聲控、光控、分區(qū)檢測等智能化的自動控制系統(tǒng)既減少了照明用電，又延長了照明產(chǎn)品壽命。

教室內(nèi)照明并不總是需要均勻一致的照度，如多媒體教室上課時不同區(qū)域（黑板區(qū)、屏幕區(qū)、觀眾區(qū)）會有不同照度要求（見圖1），自習(xí)室里常常只有少量學(xué)生分散就坐。為實現(xiàn)綠色節(jié)能舒適照明、開燈節(jié)電的目標(biāo)，教室照明控制應(yīng)該實現(xiàn)分區(qū)、分組照明控制。對有高照度特殊要求的局部區(qū)域采用局部照明并設(shè)置獨立開關(guān)單獨控制，以保證當(dāng)人離開時能夠自動關(guān)閉，以減少不必要的電能浪費。

2.高校校園照明節(jié)能控制技術(shù)

高校校園照明系統(tǒng)包括主干街道照明、步行道照明、廣場運動場照明、建筑物重點照明、景觀重點照明等，具有照明面積巨大而分散、場景多樣的特點，應(yīng)根據(jù)不同使用場合和使用特點，平衡功能性和裝飾性需求和節(jié)能與可持續(xù)原則，進行整體規(guī)劃和分類設(shè)計。

（1）路燈照明系統(tǒng)可以選用太陽能路燈，利用白天的太陽能發(fā)電為夜晚路燈供電；景觀照明系統(tǒng)主要采用LED燈具，減少高耗能射燈。

（2）實行半夜燈。高校校園下半夜基本沒有行人，多數(shù)道路上可以實行半夜燈。實施方案首選采用雙光源燈具（或在同一桿上重疊安裝兩臺燈具），下半夜關(guān)閉同一燈具的一支燈泡（或另一燈具），優(yōu)點是路面（或照度）均勻度保持不變；也可以采用雙功率鎮(zhèn)流器，即能自動降低燈泡功率的節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器或電子鎮(zhèn)流器，以便下半夜自動降低燈泡功率（最多約可降低 40%燈功率）；關(guān)閉所有裝飾性照明；不建議采用關(guān)掉一半燈具（如間隔關(guān)燈）因為照度均勻性差導(dǎo)致安全性大大降低。

（3）采用智能節(jié)能控制器，根據(jù)光強檢測配合定時方式確定開、關(guān)燈時間；根據(jù)電流檢測調(diào)整燈具功率；根據(jù)場合需要靈活選擇控制方式，如主干道統(tǒng)一控制，偏遠(yuǎn)少人處則采用聲控延時開關(guān)，景觀燈則采用預(yù)設(shè)功能控制等。

3.高校照明節(jié)能管控平臺建設(shè)

綠色校園建設(shè)是一項涉及照明、動力、空調(diào)、暖氣、用水等功能的系統(tǒng)工程，隨著校園信息化建設(shè)、綠色節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的制定和通信及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，校園節(jié)能監(jiān)管與控制一體化平臺的建設(shè)已成為國內(nèi)外高校節(jié)能管理的主流趨勢。節(jié)能管控平臺一般以校園網(wǎng)為基礎(chǔ)，綜合能耗監(jiān)測、教室照明控制、空調(diào)用電控制、校園路燈管理、供暖監(jiān)控、節(jié)水控制等于一體，對校園能耗管理和控制構(gòu)建智能網(wǎng)絡(luò)化體系，最大限度提高資源利用率，節(jié)能降耗。照明節(jié)能作為其子系統(tǒng)存在，通過無線網(wǎng)絡(luò)（如ZigBee）、智能控制（如專家控制、模糊自適應(yīng)PID）、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的綜合應(yīng)用達(dá)到了更靈活、高效的綠色節(jié)能效果。如圖2是某高?；赯igBee技術(shù)的教學(xué)樓照明控制系統(tǒng)[7]。

4 結(jié)語

照明綠色節(jié)能是國家綠色可持續(xù)發(fā)展路徑下高校建設(shè)的必然選擇。本文通過對高內(nèi)外高校照明與節(jié)能現(xiàn)狀的調(diào)研分析，提出了高校照明節(jié)能的基本原則，并給出了綠色照明節(jié)能的主要技術(shù)策略，為高校照明節(jié)能研究提供參考。

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