感應(yīng)器技術(shù)在節(jié)能樓宇中的應(yīng)用分析

文｜施耐德電氣（中國）有限公司 李 敏

隨著節(jié)能建筑與綠色建筑在國內(nèi)的推廣，越來越多的節(jié)能應(yīng)用方案應(yīng)運(yùn)而生，用于樓宇照明的節(jié)能化產(chǎn)品越來越多地出現(xiàn)在我們的周圍。人體移動(dòng)感應(yīng)器、亮度感應(yīng)器等各種感應(yīng)器不僅大量地被應(yīng)用到新建的樓宇中，在大量的節(jié)能改造型樓宇中也扮演著重要的角色。本文將著重分析人體移動(dòng)感應(yīng)技術(shù)在照明控制領(lǐng)域的應(yīng)用，希望能對人體感應(yīng)器產(chǎn)品在節(jié)能樓宇中的應(yīng)用起到一定的參考作用。

1 人體移動(dòng)/存在感應(yīng)器分類

（1）被動(dòng)紅外感應(yīng)器（PIR）

PIR是一種被動(dòng)式的紅外線探測元件，配合透鏡的聚焦及折射處理，探測到紅外線（帶有熱源的移動(dòng)物體）信號(hào)后輸出微弱變化的電子信號(hào)。后續(xù)電路對該信號(hào)進(jìn)行處理，輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的自動(dòng)開關(guān)；通常使用繼電器進(jìn)行負(fù)載的開關(guān)操作。

（2）超聲波感應(yīng)器

超聲波感應(yīng)器的原理是利用超聲波的多普勒效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對移動(dòng)物體的探測——探頭發(fā)射的超聲波會(huì)在物體表面反射回來，若物體是靜止的，反射波的頻率將是不變的，反之則反射波的頻率會(huì)發(fā)生變化；接收頭對接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的頻率作比較，從而做出有無物體運(yùn)動(dòng)的正確判斷。

（3）微波（高頻電磁波）感應(yīng)器

微波（高頻電磁波）感應(yīng)器同樣利用了多普勒效應(yīng)。電磁波也有反射的特性，當(dāng)一定頻率的電磁波碰到阻擋物的時(shí)候，就會(huì)有一部分電磁波被反射回來；如果阻擋物是靜止的，反射波的波長就是恒定的；如果阻擋物向波源運(yùn)動(dòng)，反射波的波長就會(huì)比波源的波長短；如果阻擋物是向遠(yuǎn)離波源的方向運(yùn)動(dòng)，反射波的波長就會(huì)比波源的波長長。波長的變化，就意味著頻率的變化。根據(jù)這一原理，制造一個(gè)無形的磁場。當(dāng)有移動(dòng)物體在磁場內(nèi)移動(dòng)時(shí)，磁場的頻率將改變；通過電路對磁場信號(hào)的放大及比較，即可控制負(fù)載的開關(guān)。

2 感應(yīng)器的特性比較

上文所述三種感應(yīng)器的特性對比如表1所示。

（1）被動(dòng)紅外感應(yīng)器

此類產(chǎn)品功能簡單，應(yīng)用范圍最廣，安裝方便，性能較穩(wěn)定；但是由于是探測紅外線信號(hào)，所以比較容易受到環(huán)境溫度的影響。在高溫氣候條件下，由于環(huán)境溫度與人體溫度接近，甚至比人體溫度更高，所以此類產(chǎn)品難以識(shí)別出人體移動(dòng)，靈敏度將大幅降低。另外在室內(nèi)安裝時(shí)，遮擋物如植物、辦公桌隔板、資料柜等都會(huì)影響其探測靈敏度。

（2）超聲波感應(yīng)器

此類產(chǎn)品適用于環(huán)境較惡劣（如高溫、潮濕）的地區(qū)及有較多障礙物（如隔板、屏風(fēng)）存在的空間。在這些環(huán)境中，紅外感應(yīng)器會(huì)因靈敏度降低而產(chǎn)生不正常的動(dòng)作，超聲波感應(yīng)器相比較之下不受溫度、濕度及障礙物的影響，故可以取代紅外感應(yīng)器應(yīng)用在這些環(huán)境中。但是，超聲波感應(yīng)器很容易受到氣流以及噪聲的影響而誤動(dòng)作，紅外感應(yīng)器則不易受這些因素的干擾。因此，目前出現(xiàn)了將超聲波與被動(dòng)紅外技術(shù)集于一身的產(chǎn)品：雙鑒感應(yīng)器。這種感應(yīng)器兼?zhèn)淞思t外與超聲波感應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了兩種技術(shù)的缺陷互補(bǔ)，可以實(shí)現(xiàn)更精確的監(jiān)測，大幅降低誤動(dòng)作的幾率。

（3）微波感應(yīng)器

此類產(chǎn)品具有覆蓋面積大、溫度范圍寬的特點(diǎn)；并且由于微波的穿透力強(qiáng)，此類產(chǎn)品僅受少數(shù)物質(zhì)（如金屬）影響，所以可以安裝在燈具內(nèi)，不易受環(huán)境因素如風(fēng)、灰塵、噪音、濕氣等的影響?？傮w而言，此類產(chǎn)品抗干擾性強(qiáng)，很適合在惡劣的環(huán)境中使用；但由于微波穿透能力強(qiáng)，可穿透木板、玻璃、普通的磚墻等很多非金屬材料，所以在安裝使用時(shí)要特別注意潛在的誤動(dòng)作隱患。

3 感應(yīng)器的應(yīng)用分析

由于特性不同，不同功能的感應(yīng)器對環(huán)境的依賴度也不盡相同，所以其實(shí)際應(yīng)用也應(yīng)因地而異。下面就對各類感應(yīng)器的實(shí)際應(yīng)用探討一二。

（1）紅外感應(yīng)器

紅外感應(yīng)器是目前三類感應(yīng)器中應(yīng)用最多的，無論在商業(yè)建筑還是民用建筑中都可以看到。對于紅外感應(yīng)器來說，一般有三個(gè)參數(shù)決定感應(yīng)器的工作狀態(tài)：亮度值、探測范圍（靈敏度）以及延時(shí)時(shí)間。普通的紅外感應(yīng)器一般通過旋鈕電位器調(diào)節(jié)這三個(gè)參數(shù)。其中，亮度值的設(shè)定直接決定了感應(yīng)器工作的限定值。一般晴天在有玻璃窗的辦公室內(nèi)，桌面最高照度可達(dá)到1400Lux～1600Lux；但通常情況下，實(shí)際探測值低于桌面亮度值（如圖1、圖2所示）。在實(shí)際應(yīng)用中，感應(yīng)器的安裝高度，辦公室窗戶尺寸、形狀的區(qū)別，都會(huì)使感應(yīng)器探測的實(shí)際照度有所區(qū)別。

最理想的感應(yīng)器亮度值設(shè)定方法是：當(dāng)桌面實(shí)測照度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值（如400Lux）時(shí)，探測感應(yīng)器安裝位置的照度，根據(jù)此照度調(diào)節(jié)感應(yīng)器的亮度值旋鈕。但是，實(shí)際工程中往往很難對整棟辦公樓各個(gè)位置進(jìn)行精確的照度測量；而且即使測量到需要設(shè)定的亮度值，感應(yīng)器的旋鈕電位器也不能很精確地定位到所需亮度值。

表1 感應(yīng)器特性對比表

在這種復(fù)雜光亮度環(huán)境的要求下，目前市場上出現(xiàn)了配有紅外遙控器，可通過紅外遙控器記錄當(dāng)前亮度值的感應(yīng)器產(chǎn)品。在桌面實(shí)測照度值為350Lux時(shí)，遙控器通知感應(yīng)器自動(dòng)記錄此時(shí)的測量值，并將此值作為今后的觸發(fā)限值；如此感應(yīng)器工作時(shí)，只要桌面照度低于350Lux，燈光就會(huì)自動(dòng)打開。這樣既解決了感應(yīng)器實(shí)際亮度測量的問題，又解決了旋鈕電位器定位不準(zhǔn)的問題。

感應(yīng)器延時(shí)時(shí)間的設(shè)定應(yīng)以后期人流的情況為依據(jù)。走廊、過道人流量較高，探測反應(yīng)度高，延時(shí)時(shí)間可略短（2～5分鐘）；辦公室、會(huì)議室的人流量較低，人體活動(dòng)較少，為了保證區(qū)域的照明延續(xù)性，延時(shí)時(shí)間應(yīng)略長（5～15分鐘）。

紅外感應(yīng)器宜安裝在人體移動(dòng)幅度較大的區(qū)域，例如走廊、過道、樓梯區(qū)域等?？紤]到紅外感應(yīng)器的感應(yīng)原理，其安裝位置應(yīng)盡量不與人體移動(dòng)的軌跡處在同一條直線上，應(yīng)安裝在門或入口的側(cè)面（如圖3所示），并避免靠近熱源（加熱器、機(jī)柜等）。

（2）超聲波感應(yīng)器、雙鑒感應(yīng)器

超聲波感應(yīng)器由于探測靈敏度高，較易產(chǎn)生誤動(dòng)作，所以一般很少獨(dú)立應(yīng)用。將超聲波與被動(dòng)紅外技術(shù)集于一身的雙鑒感應(yīng)器集合了超聲波與紅外感應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了二者技術(shù)方面缺陷的互補(bǔ)。雙鑒感應(yīng)器支持超聲波/紅外工作狀態(tài)選擇以及氣流補(bǔ)償功能選擇。

進(jìn)行超聲波/紅外工作狀態(tài)選擇主要是為了在不同的應(yīng)用空間選擇適合的感應(yīng)觸發(fā)條件?？梢赃x擇單紅外、單超聲波、“紅外+超聲波”以及紅外/超聲波工作狀態(tài)。靈敏度要求極高的場所可以選擇紅外/超聲波狀態(tài)，即無論紅外探頭還是超聲波探頭探測到人體移動(dòng)信號(hào)，均會(huì)開啟負(fù)載——當(dāng)然誤動(dòng)作也相對較多。選擇“紅外+超聲波”狀態(tài)，就可以很好地降低誤動(dòng)作率：只有當(dāng)紅外與超聲波探頭同時(shí)探測到人體移動(dòng)時(shí)才打開負(fù)載；而一旦打開負(fù)載后，只要紅外或者超聲波探測器之一探測到人體移動(dòng)，延時(shí)時(shí)間將重新計(jì)算，從而確保在有人時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)因探測精度不足導(dǎo)致頻繁開啟/關(guān)閉照明等負(fù)載的情況。

雙鑒感應(yīng)器可以安裝在多種室內(nèi)區(qū)域，例如辦公室、會(huì)議室、茶水間、衛(wèi)生間等。雙鑒感應(yīng)器的氣流補(bǔ)償?shù)闹饕饔檬潜苊猸h(huán)境氣流影響超聲波探測器，使之產(chǎn)生誤動(dòng)作；但是使用該功能會(huì)降低感應(yīng)器的探測靈敏度。為了避免氣流對感應(yīng)器造成直接的影響，在室內(nèi)安裝時(shí)，雙鑒感應(yīng)器或者超聲波感應(yīng)器的安裝位置應(yīng)離開空調(diào)出風(fēng)口和窗口2m以上的距離；在40m2的空間內(nèi)不可有其他頻率的超聲波，以免相互干擾；兩個(gè)同樣的產(chǎn)品間隔要大于6m，避免發(fā)生超聲波干涉。

超聲波及紅外探測的探測范圍如下：

◆ 超聲波人體移動(dòng)的感應(yīng)區(qū)域?yàn)?0×16m，360。的區(qū)域；

◆ 超聲波人體微小動(dòng)作的感應(yīng)區(qū)域?yàn)?×10m，360。的區(qū)域；

◆ 紅外主要感應(yīng)區(qū)域?yàn)橹睆?m，360。的區(qū)域；

◆ 紅外次要感應(yīng)區(qū)域?yàn)橹睆?m，360。的區(qū)域。

圖4、圖5為雙鑒感應(yīng)器應(yīng)用于教室、走廊的安裝示意圖。

（3）微波感應(yīng)器

微波感應(yīng)器同樣有三個(gè)決定工作狀態(tài)的參數(shù)：亮度值、探測范圍（靈敏度）以及延時(shí)時(shí)間。它在照明領(lǐng)域的應(yīng)用相對較少，但是在ATM機(jī)、安防以及感應(yīng)門等領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用。考慮到其穿透性，可以將其應(yīng)用在環(huán)境惡劣且空間較大的區(qū)域，如倉庫、數(shù)據(jù)中心機(jī)房等，安裝時(shí)盡可能不要安裝在木板樓板以及墻面上；不宜安裝在室外，以免受雨雪影響產(chǎn)生誤動(dòng)作。此外，由于金屬對微波有反射、折射作用，感應(yīng)器安裝時(shí)應(yīng)避免靠近金屬門或墻。基于微波信號(hào)穿透性的特性，目前還出現(xiàn)了微波感應(yīng)器與燈具結(jié)合，實(shí)現(xiàn)單燈感應(yīng)控制的做法。

圖4 雙鑒感應(yīng)器在教室的安裝應(yīng)用示意圖

4 結(jié)束語

通過以上的分析可以看到，不同的感應(yīng)器因其不同的特性適用于不同的樓宇環(huán)境，不同的參數(shù)設(shè)置以及安裝位置對感應(yīng)器的靈敏度及實(shí)際應(yīng)用效果的優(yōu)劣有著巨大的影響。感應(yīng)器的現(xiàn)場設(shè)計(jì)對于后期的應(yīng)用有著舉足輕重的影響，錯(cuò)誤的參數(shù)設(shè)置與安裝設(shè)計(jì)往往會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)器的誤動(dòng)作，甚至最終導(dǎo)致感應(yīng)器的應(yīng)用失敗。在更多的情況下，需要根據(jù)建筑及控制區(qū)域的特點(diǎn)，酌情選擇合適的感應(yīng)器產(chǎn)品、合理的安裝位置、恰當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置，這樣才能夠真正得到節(jié)能的效果。