民用建筑電氣照明系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)分析

金?

【摘要】如何有效利用照明節(jié)能技術(shù)，制定切實可行的建筑照明節(jié)能方案，減少民用建筑照明中的能源浪費，對我國節(jié)能減排事業(yè)有非常重要的意義。本文從建筑電氣照明設(shè)計的角度，以分析民用建筑照明節(jié)能技術(shù)為研究課題，重點研究民用建筑電氣照明的節(jié)能技術(shù)，通過分析影響照明系統(tǒng)能量消耗的因素，從照明系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)研究了電氣照明節(jié)能技術(shù)，對建筑電氣照明設(shè)計的過程提出一系列有效措施實現(xiàn)照明節(jié)能，并分析各個節(jié)能技術(shù)的適用性與節(jié)能效果，希望為建筑照明節(jié)能設(shè)計提出一些切實可行的辦法，供設(shè)計人員參考，優(yōu)化照明設(shè)計方案，將節(jié)能工作做到實處。

【關(guān)鍵詞】民用建筑;電氣照明;節(jié)能技術(shù)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

17.097

前言：

比較我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的照明功率密度值與建筑物單位用電指標(biāo)值，并結(jié)合實際運行經(jīng)驗，可以發(fā)現(xiàn)我國民用建筑的照明用電量已占到建筑總耗電的40%以上，而這一數(shù)值在發(fā)達(dá)國家僅為14%，是我國的1/3。造成這種結(jié)果的主要原因是我國建筑節(jié)能技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家，現(xiàn)在廣泛被人們認(rèn)可的節(jié)能措施主要包括選擇高效照明設(shè)備、合理利用自然光、選擇科學(xué)的控制方法等，日本三菱公司曾經(jīng)做過研究，若在規(guī)劃設(shè)計初期就將照明節(jié)能的理念引入建筑，利用有效的科學(xué)技術(shù)，照明系統(tǒng)的節(jié)能潛力最高可達(dá)到69%。

1、電氣照明基礎(chǔ)理論

1.1照明基本概念

照明就是通過給周圍對象以合適的光分布，使人們能正確且快速地獲取大量的視覺信息，從而達(dá)到服務(wù)人們的生活、活動的目的。照明的本質(zhì)就是對光的利用。電磁波理論認(rèn)為發(fā)光體以輻射能的形式發(fā)射光，而輻射能又以電磁波的形式向外傳輸，電磁波作用在人眼上就產(chǎn)生光的感覺。光總是沿直線傳播的，當(dāng)遇到某種物體時，根據(jù)該物體材料的不同，光線可能會發(fā)生反射、吸收或透射，以下系數(shù)可以表示材料對光的反射、吸收以及透射的性質(zhì)：

式中：φi為投射到物體表面的光通量，φρ、φα、φγ 分別為被物體材料反射、吸收、透射的光通量。在照明工程中應(yīng)特別注意反射比 ρ這一參數(shù)，合理提高燈具燈罩與飾面材料的反射比能極大的改善空間照度分布。

1.2照明質(zhì)量評價指標(biāo)

（1）照度水平。合適的照度應(yīng)能使人易于辨別他所從事的工作細(xì)節(jié)，大約1 cd/m2的亮度剛剛能夠使人辨別其他人臉的特征，這個亮度需要20lx左右的平均照度，所以CIE將20lx確定為所有非工作房間的最低照度水平。我國《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中詳細(xì)規(guī)定了各類建筑不同房間和場所的照度標(biāo)準(zhǔn)值。

（2）照度均勻度。照度均勻度是反映光線分布均勻程度的指標(biāo)，可用給定工作面上的最低照度與平均照度之比來表示，即Emin/Eav。為了獲得滿意的照度均勻度，燈具布置的間距不應(yīng)大于燈具的最大允許距高比，當(dāng)有更高要求時，可采用間接型、半間接型燈具或光帶等。

（3）眩光。眩光是由于視野中的亮度分布或亮度范圍的不適宜或存在極端的亮度對比，以致引起不舒適的感覺或降低觀察細(xì)節(jié)及目標(biāo)能力的視覺現(xiàn)象。眩光可能是由光源或燈具直接引起的，也可能是光源通過反射比高的表面反射引起的。眩光對視力危害很大，它會引起不舒適感、視覺疲勞或降低可見度，嚴(yán)重時甚至失去部分視功能或短暫失明，影響工作，還可能造成事故。

（4）光的顏色室內(nèi)各物體表現(xiàn)的顏色是由物體對光的反射。光源的顏色特性表現(xiàn)在色溫和顯色能力（顯色指數(shù)）兩方面，對室內(nèi)的氣氛、人的情感和物體的顏色都有影響。

①色溫光源按色溫的不同而有冷暖之分，不同色溫的光在視覺心理上會有不同的感受。低色溫（<3300K）的燈光給人以暖的感覺，在室內(nèi)營造親切輕松的氣氛;高色溫（>5300K）的燈光接近自然光色，給人以冷的感覺。人在溫暖氣候條件下喜歡冷色溫的光，在寒冷條件下喜歡暖色溫的光，一般情況下采用中間色溫。

②顯色能力。正確的色視覺只有在照明光譜接近于自然光的情況下才能達(dá)到，而當(dāng)照明條件與自然光的光譜相差很大時，被照物的顏色會失真，這會對色彩辨別要求較高的工作造成影響，所以要求有顯色指數(shù)較高的光源。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對不同照明場所都有顯色指數(shù)Ra的最低要求。

2、電氣照明節(jié)能技術(shù)分析

2.1降低照明功率密度值LPD

（1）選擇優(yōu)質(zhì)的光源

選擇優(yōu)質(zhì)的電光源是照明節(jié)電的首要工作。光源選擇的一般原則是：發(fā)光效率高，顯色指數(shù)滿足要求，壽命長，性能價格比優(yōu)。從能源消耗角度考慮：電光源不僅要光效高，而且使用壽命越長越好。因此，選擇節(jié)能型光源應(yīng)該從電光源的光效和使用壽命兩方面考慮。表1是民用建筑常用光源光效和有效壽命的比較。

①白熾燈、熒光燈以及白光LED燈通常都可用于室內(nèi)照明，且25W白熾燈、5W緊湊型以及3W白光LED的亮度相當(dāng)。普通白熾燈光效低，壽命短，從能耗和經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，普通室內(nèi)照明應(yīng)避免使用白熾燈。比較白光LED燈與其它兩種光源，發(fā)現(xiàn)LED燈單燈價格最高，導(dǎo)致前期投資約為緊湊型熒光燈的三倍，但在較長使用周期里使用LED光源可以減少更換頻率，其總費用是低于緊湊型熒光燈的，這其中還不包括所節(jié)省的用于設(shè)備維護(hù)的人工費用。同時LED光源代替熒光燈還可以減少大量的汞廢棄量，是照明節(jié)能環(huán)保的首要選擇。

②管熒光燈及其燈具比較適用于面積較大的室內(nèi)場所，如學(xué)校、辦公室、廠房等。根據(jù)管徑不同，常用的熒光燈分為T5，T8和T12三種，T12熒光燈由于光效過低已經(jīng)很少使用。通過分析發(fā)現(xiàn)，熒光燈的光效與壽命隨燈管直徑的減小而增大，節(jié)能效果突出。

（2）選擇高效率節(jié)能燈具

①選擇燈具效率高的燈具。選擇高效率的燈具是提高照明利用系數(shù)的重要方法。在滿足眩光和配光要求的情況下燈具的效率不應(yīng)低于規(guī)定值。為節(jié)省光的損失，條件允許時可采用不帶遮光附件的燈具。

②選擇配光合理的燈具。如對于辦公室及公共建筑，要求房間的墻和頂棚有一定的亮度，需要有一部分光投射到頂棚和墻上，此時可采用直接-間接配光的燈具，燈具上半球光通輻射一般不小于15%，并且應(yīng)該采用配光較寬的燈具;而對于6m以上的高大建筑，則應(yīng)該采用配光較窄的燈具;對有垂直照度要求的場所，可選用不對稱配光的燈具，也可采用聚光燈、射燈等指向型燈具。

③選擇光通量維持率高的燈具。引起燈具輸出光通量降低的原因有光源光通量下降、燈具老化和污染。選擇燈具時，可采用涂高純度石英玻璃（SiO2）的燈罩，這種材料具有耐腐蝕性，可在腐蝕作業(yè)環(huán)境下長時間使用，減慢老化速度，并且其表面光滑，不易集灰，易于用水清洗。

（3）選擇節(jié)能型鎮(zhèn)流器

鎮(zhèn)流器是氣體放電燈用于起動和限流的控制器件，根據(jù)不同工作原理分為電感鎮(zhèn)流器和電子鎮(zhèn)流器。比較兩種鎮(zhèn)流器，發(fā)現(xiàn)電子鎮(zhèn)流器有以下優(yōu)勢：

高效節(jié)能：氣體放電燈在高頻下的發(fā)光效率比在工頻高10%，因而配置電子鎮(zhèn)流器的光源亮度會有所提高;電子鎮(zhèn)流器自身功耗小，比電感鎮(zhèn)流器節(jié)能20%～30%;功率因數(shù)較高，減少無功功率，可以降低系統(tǒng)工作電流。

舒適安全：電子鎮(zhèn)流器沒有頻閃與噪音，有利于營造舒適安靜的工作環(huán)境;對比電感鎮(zhèn)流器由于自身耗電量大導(dǎo)致表面溫升大，易形成火災(zāi)隱患，電子鎮(zhèn)流器的安全性更高，加之各種異常保護(hù)功能，使得照明過程安全可靠。

2.2提高照明利用率

（1）充分利用天然光自然光資源取之不盡，用之不竭，具有清潔、安全的特點，另外經(jīng)調(diào)查研究表明，人們在天然光下工作的視覺功效要比人工照明高5%～20%，照明設(shè)計時若能結(jié)合利用天然光既有利于節(jié)能環(huán)保，還能營造舒適高效的工作環(huán)境。建筑利用天然光常用的方法主要有采光窗和導(dǎo)光管技術(shù)。

①采光窗

采光窗是利用不同類型的窗戶進(jìn)行采光的方法，主要有側(cè)窗采光和天窗采光。側(cè)窗采光是從墻面的普通垂直窗進(jìn)行采光，分為單側(cè)采光和雙側(cè)采光。這種方法構(gòu)造簡單、造價較低，但是房間縱向的光照均勻度較差，并且隨著與窗距離的增加，工作面的照度急劇變小。因此照明設(shè)計時，若一個開關(guān)控制多盞燈具，如圖1，由一個三聯(lián)開關(guān)控制房間內(nèi)九盞燈具，每個開關(guān)控制一排燈具，控制回路應(yīng)平行于側(cè)窗。當(dāng)側(cè)窗采光充足時，能完全滿足房間照度要求。隨著戶外太陽光照的降低，離窗戶較遠(yuǎn)的縱深會首先照度不足，此時打開離窗最遠(yuǎn)的一排燈具，直至窗戶周圍也照度不足時打開全部燈具。

②導(dǎo)光技術(shù)

導(dǎo)光系統(tǒng)主要分為三部分：采光罩、光導(dǎo)管和漫射器。其中采光罩經(jīng)過特殊的表面處理可獲得較高的透光率，而且有效避免灰塵覆蓋，有良好的自潔性能。光導(dǎo)管的內(nèi)壁采用反射率很高的材料，并且可以旋轉(zhuǎn)彎曲，有利于將自然光導(dǎo)入房間深處不易照射到的角落。漫射器的底部裝設(shè)有可以使光線發(fā)生漫射的設(shè)備，不僅可以使室內(nèi)光線均勻分布，也能有效減小眩光。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（2）制定科學(xué)的照明控制方案

照明控制是照明系統(tǒng)的一部分，也是照明設(shè)計的重要內(nèi)容之一。選擇合適的照明控制不僅可以根據(jù)房間的不同功能需求營造良好的光環(huán)境，還可以盡量減少不必要的開燈時間、開燈數(shù)量，是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段。照明控制方式主要有開關(guān)控制和調(diào)光控制。開關(guān)控制是通過接收特定的信號，包括人為手動、定時元件以及傳感器感知的信號等，來實現(xiàn)燈具的開關(guān)控制。根據(jù)控制元件的不同，開關(guān)控制可分為翹板開關(guān)控制、斷路器控制、定時控制、光電感應(yīng)開關(guān)控制、占空傳感器控制等。調(diào)光控制即調(diào)節(jié)光源的光通量輸出，不同光源的調(diào)光原理有所不同。

2.3優(yōu)化照明配電系統(tǒng)

（1）合理布設(shè)配電線路

①采用銅芯導(dǎo)線。無論是機(jī)械特性還是電氣特性，銅芯導(dǎo)線都優(yōu)于鋁芯導(dǎo)線，電氣照明系統(tǒng)中應(yīng)盡可能使用銅芯導(dǎo)線，提高用電可靠性和安全性，降低線路電能損耗。

②選擇適宜的導(dǎo)線敷設(shè)方式。布置線纜時，要根據(jù)用電設(shè)備和環(huán)境條件選擇最適宜的敷設(shè)方式，走線盡量呈直線，條理簡潔，避免迂回浪費。如常用燈具一般采用沿頂或沿吊頂敷設(shè)，對于安裝位置特殊的其它燈具，如壁燈、展柜照明燈等局部照明燈具，則應(yīng)該根據(jù)實際安裝情況選擇敷設(shè)方式與路徑，力求減短供電線路，省管省線的同時降低線路損耗。

③電源設(shè)在負(fù)荷中心。條件允許時，變電所或者配電箱的位置應(yīng)設(shè)在負(fù)荷中心。如圖3所示，S為電源，A～F為不同終端負(fù)荷。負(fù)荷中心不只是幾何距離的中心，而是指整個系統(tǒng)輸電線路損耗最小的點。設(shè)計時要不斷調(diào)整S點位置，使整個系統(tǒng)線路產(chǎn)生的損耗最小的點就是最優(yōu)點，即負(fù)荷中心。

④平衡分配三相負(fù)荷。我國《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》明確規(guī)定，三相照明線路各負(fù)荷應(yīng)平衡分配，三相電流不平衡度不宜大于15%，經(jīng)過電氣設(shè)計人員的精心設(shè)計，這個值甚至可以達(dá)到5%以下。要做到整個系統(tǒng)三相負(fù)荷平衡分配，最簡單有效的辦法是力求局部三相平衡。以一梯多戶住宅為例，首先電氣設(shè)計人員應(yīng)將每層用電負(fù)荷均衡分配到三個相位，當(dāng)單層負(fù)荷無法平衡時，將每三層作為一個局部做到三相負(fù)荷平衡分配，進(jìn)而使得每幢樓以及整個居民區(qū)都三相平衡。只要每個局部都做好平衡工作，那么整個系統(tǒng)自然就會達(dá)到三相負(fù)荷平衡分配。除此之外，負(fù)荷分配還應(yīng)與控制方式相配合，使得任何控制模式下運行的設(shè)備都滿足三相平衡。

（2）提高系統(tǒng)功率因數(shù)

提高功率因數(shù)的方法主要有提高用電設(shè)備的自然功率因數(shù)和進(jìn)行無功補(bǔ)償。對于LED光源以及采用電子鎮(zhèn)流器的氣體放電燈，其自然功率因數(shù)就達(dá)到0.9以上，滿足電能質(zhì)量要求，應(yīng)推廣使用。而當(dāng)氣體放電燈采用電感鎮(zhèn)流器時，功率因數(shù)相對較低，只有0.4～0.55左右，大量的無功功率會使照明線路的電流和變壓器的容量增大，從而增加了線路損耗和變壓器損耗，因此要并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償，使其功率因數(shù)不小于0.9。

（3）限制系統(tǒng)諧波污染

諧波對照明系統(tǒng)和電網(wǎng)線路有極大的危害，諧波電流會使變壓器和線路損耗增大，不利于節(jié)能。各相三次諧波在中性線上疊加引起過大的電流極易引起導(dǎo)線的損壞，甚至引發(fā)火災(zāi)。除此之外還會對電網(wǎng)和通信、信息系統(tǒng)等帶來干擾和危害。民用建筑供配電系統(tǒng)中，一般采用無源濾波器和有源濾波器來實現(xiàn)濾波，有源濾波器較無源濾波器有極大的性能優(yōu)勢，不僅能達(dá)到實時補(bǔ)償諧波電流的目的，且其濾波能力和負(fù)荷的功率因數(shù)無關(guān)，這對于功率因數(shù)較高的民用建筑配電系統(tǒng)尤其適用。

結(jié)語：

本文圍繞三個方面提出有效的節(jié)能措施，主要包括從降低照明功率密度的角度，通過合理選擇節(jié)能型照明器設(shè)備和提高照度計算有關(guān)系數(shù)來實現(xiàn)節(jié)能;從提高照明利用率的角度，通過充分利用天然光和制定科學(xué)的控制策略來實現(xiàn)節(jié)能;從優(yōu)化照明配電系統(tǒng)方面，通過合理布置配電線路、提高系統(tǒng)功率因數(shù)、限制諧波含量等措施減少輸電線路損耗實現(xiàn)節(jié)能。

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