建筑電氣照明節(jié)能設(shè)計(jì)方法

毛科學(xué)

（婁底市施工圖審查服務(wù)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(jié)能減排已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略［1－2］。建筑電氣照明的能源消耗占據(jù)廣大群眾日常工作和生活中能源消耗中的相當(dāng)一部分，因此在保證照明質(zhì)量的同時(shí)，也要對(duì)照明節(jié)能問題進(jìn)行深入研究，對(duì)建筑電氣的照明方案進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用［3－4］。

1 建筑電氣照明節(jié)能的意義

照明作為建筑的一項(xiàng)基本功能，是建筑物實(shí)現(xiàn)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(xiàn)其作用。在建筑電氣設(shè)計(jì)中展開節(jié)能設(shè)計(jì)，落實(shí)建筑電氣照明節(jié)能方案，能夠保證需要長期連續(xù)照明建筑的能源得到有效節(jié)約，實(shí)現(xiàn)建筑投資成本回收周期的縮短［5］。

2 建筑電氣照明節(jié)能設(shè)計(jì)原則

建筑電氣照明節(jié)能設(shè)計(jì)的核心思想是節(jié)能，其設(shè)計(jì)還需要遵循以下原則展開。

1）綠色環(huán)保原則：必須要以提高能源的利用效率為核心目標(biāo)，從環(huán)境保護(hù)和能源高效利用的角度出發(fā)，制定照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、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(shí)，通過照明器材的選型和控制方式等手段，也要對(duì)照明系統(tǒng)的電能消耗進(jìn)行合理的控制。在保證照明系統(tǒng)投資規(guī)模的前提下，得到較好的能源高效利用效果，并實(shí)現(xiàn)安全用電［7－8］。

2）適用性原則：建筑電氣照明的設(shè)計(jì)在于滿足居民的照明需求，不能單純追求節(jié)能目標(biāo)而忽略居民的照明體驗(yàn)，這就需要照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)、電力負(fù)荷分布、照明要求等進(jìn)行深入了解，以此為基礎(chǔ)展開照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。要保證照明的時(shí)長、照明色度、照明均勻度、照明對(duì)比度的功能性指標(biāo)［9］。

3）經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)：照明系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)必須結(jié)合時(shí)間的經(jīng)濟(jì)效益來進(jìn)行，不能為了單純地追求節(jié)能目標(biāo)而進(jìn)行高額投資，導(dǎo)致照明系統(tǒng)建設(shè)成本增加。照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析，科學(xué)合理選擇照明材料和照明設(shè)備，根據(jù)建筑物的實(shí)際結(jié)構(gòu)，配置照明設(shè)備的數(shù)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(jié)能性和功能性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行美觀性設(shè)計(jì)，做到節(jié)能和美觀的平衡。照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要從全局考慮，兼顧多方面因素，結(jié)合實(shí)際情況完成建筑照明節(jié)能設(shè)計(jì)方案［11－12］。

3 建筑電氣照明節(jié)能控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

建筑電氣照明節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 建筑電氣照明節(jié)能控制系統(tǒng)架構(gòu)

1）光感單元：在建筑電氣照明節(jié)能控制系統(tǒng)的硬件中，光感單元是實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制的一個(gè)重要部件，其主要功能是檢測建筑物內(nèi)的人員活動(dòng)情況，然后根據(jù)實(shí)際情況在變化的時(shí)間點(diǎn)上設(shè)置合理的照明強(qiáng)度。光感單元會(huì)設(shè)定一個(gè)照明時(shí)間，當(dāng)照明時(shí)間計(jì)時(shí)完成前2s會(huì)重新檢測建筑物內(nèi)的人員活動(dòng)情況，如果檢測到人員活動(dòng)，則繼續(xù)進(jìn)行照明，反之則將照明關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)建筑電氣照明的節(jié)能。光感單元采用的器件型號(hào)為UYHWJK-09，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)達(dá)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(wǎng)（LAN）和串口（RS485和RS232）兩種通信方式，通信協(xié)議為TCP／IP。

2）控制單元：完成照明的控制功能，負(fù)責(zé)處理光感單元上傳的建筑物內(nèi)的人員活動(dòng)情況，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)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(yùn)用效果，采用EIB控制系統(tǒng)，控制單元主要包括數(shù)據(jù)總線、控制執(zhí)行器、其他零部件等，控制器采用靈敏度極高的材料，能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行高精度辨識(shí)，控制執(zhí)行器采用繼電器輸出和NPN晶體管輸出兩種模式。

3）驅(qū)動(dòng)單元：驅(qū)動(dòng)單元作為建筑電氣照明系統(tǒng)的重要組成，負(fù)責(zé)提供照明系統(tǒng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也是建筑電氣照明系統(tǒng)中能量消耗最大的器件。在保證驅(qū)動(dòng)單元功能的基礎(chǔ)上，最大限度降低驅(qū)動(dòng)單元的能量損耗，合理選擇器件，選取電動(dòng)機(jī)型號(hào)為HDI-027。

4）脈沖單元：建筑電氣照明系統(tǒng)中的脈沖單元負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)按照特定的規(guī)則進(jìn)行脈沖輸出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)照明的有效控制，選用的脈沖單元型號(hào)為YU-09XI，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 脈沖單元電路結(jié)構(gòu)

3.2 光照強(qiáng)度分析

通常情況下，建筑電氣照明系統(tǒng)的節(jié)能措施是通過對(duì)光照度進(jìn)行有效控制、合理配置相關(guān)運(yùn)行設(shè)備的位置，同時(shí)對(duì)可再生能源進(jìn)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(píng)價(jià)人的視覺光感，通過各個(gè)執(zhí)行單元協(xié)同控制建筑物內(nèi)的照明光通量，并根據(jù)相關(guān)傳感器返回的數(shù)值，實(shí)時(shí)計(jì)算光通量的實(shí)際數(shù)值，達(dá)到規(guī)定的光通量后，由控制單元發(fā)出指令，關(guān)閉照明或部分關(guān)閉照明，不滿足規(guī)定的光通量后，適當(dāng)開啟照明，進(jìn)行光通量的調(diào)節(jié)，從而降低建筑電氣照明系統(tǒng)的能量消耗。建筑電氣照明系統(tǒng)的能量來自發(fā)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(jié)能系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)，將可再生能源進(jìn)行合理轉(zhuǎn)化，以降低照明系統(tǒng)的能源消耗。建筑電氣照明系統(tǒng)在進(jìn)行照明的過程中，需要明確照明的時(shí)間需求、空間需求，以便進(jìn)行細(xì)化的照明能源消耗統(tǒng)計(jì)。

建筑物中的空間分布與門、窗、臺(tái)階等都存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，這就導(dǎo)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(jù)一種照明強(qiáng)度完成全部建筑的照明方案設(shè)計(jì)，必須對(duì)每一個(gè)建筑的照明強(qiáng)度進(jìn)行單獨(dú)分析計(jì)算，才能夠保證照明效果的同時(shí)又達(dá)到能源消耗的降低。

首先將建筑物進(jìn)行虛擬化處理，形成一個(gè)三維的坐標(biāo)系，其內(nèi)部的墻體、門窗、陳設(shè)等都按照一定的規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)化，數(shù)據(jù)都進(jìn)行歸一化處理，具體的計(jì)算方法如下：

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

任何照明光源的光束都是呈現(xiàn)發(fā)散式照射的，所以在進(jìn)行光照強(qiáng)度計(jì)算的時(shí)候，將建筑空間認(rèn)作半球體，光源發(fā)出的光與折射光垂直時(shí)，光照強(qiáng)度最強(qiáng)，約束條件為：

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

4 試驗(yàn)分析

在某建筑內(nèi)對(duì)本文提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證，與基于BIM建模的建筑電氣照明系統(tǒng)和基于KNA節(jié)能控制的建筑電氣照明系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。

每次測試照明強(qiáng)度無法保證完全一致，每次測試時(shí)間周期為24h，當(dāng)三種方法全部完成測試，得到能量損耗試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 能量損耗試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到結(jié)論。在24h的測試周期內(nèi)，基于BIM建模的建筑電氣照明系統(tǒng)的無效照明時(shí)間最長，本文所提出的建筑電氣照明節(jié)能系統(tǒng)的無效照明時(shí)間最短；在規(guī)定時(shí)間內(nèi)基于KNA節(jié)能控制的建筑電氣照明系統(tǒng)能量消耗最小，基于BIM建模的建筑電氣照明系統(tǒng)能量消耗最大；三種建筑電氣照明控制中，基于KNA節(jié)能控制的建筑電氣照明系統(tǒng)穩(wěn)定性最差，本文所提出的建筑電氣照明節(jié)能系統(tǒng)穩(wěn)定性最佳。綜上分析可知，基于BIM建模的建筑電氣照明系統(tǒng)顯然不是建筑電氣照明系統(tǒng)的最佳選擇。當(dāng)前情況下，我國對(duì)于建筑電氣照明系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求高于建筑電氣節(jié)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(jié)能系統(tǒng)是建筑電氣照明控制系統(tǒng)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(shí)用。

5 結(jié)束語

在進(jìn)行建筑電氣照明節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)建筑的實(shí)際特點(diǎn)，在建筑電氣照明系統(tǒng)中設(shè)計(jì)光感單元、控制單元、驅(qū)動(dòng)單元、脈沖單元等，構(gòu)成一套完整的建筑電氣照明節(jié)能控制系統(tǒng)，通過軟件方法采集建筑區(qū)域內(nèi)的實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)建筑內(nèi)的照明進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)降低能源消耗。經(jīng)過實(shí)際測試，對(duì)本文所提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證，既能夠保證照明效果滿足要求，又能夠?qū)崿F(xiàn)能源消耗的降低，具備大規(guī)模推廣應(yīng)用的價(jià)值，兼顧經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。