高校教室節(jié)能照明改造與設(shè)計

姜 濤，王 浩

(1.四川理工學(xué)院自動化與電子信息學(xué)院，四川自貢 643000;2.四川成都瑞康建筑設(shè)計院，四川成都 610047)

1 問題和解決方案

為方便學(xué)生自習(xí)，高校教室一般都采取開放式管理模式，學(xué)生自習(xí)流動性、隨意性較大，使用中造成很多教室有人無人、人多人少都開長明燈，浪費(fèi)現(xiàn)象比較嚴(yán)重。某綜合性地方高校在校學(xué)生近三萬人，有100～120個座位的大教室約400間，2001年建設(shè)時每間教室配備T8/40W雙管日光燈燈具27盞 (使用電感鎮(zhèn)流器，耗電48W×2)。以每天開燈18小時，全年工作270天，電費(fèi)0.6元/kWh計算，全校教室照明電費(fèi)支出約303萬元/年。另外，國產(chǎn)T8燈管使用壽命約2500～3000小時，全年僅更換燈管材料費(fèi)就需約21.6萬元 (按5元/支計算)，每年全校教室照明運(yùn)行費(fèi)用合計約325萬元，可見有較大的節(jié)能、節(jié)支改造空間。

教室照明的節(jié)能改造要遵循方便、實用、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)的原則，“以犧牲學(xué)生視力為代價的節(jié)能是不可取的，…… (不宜)進(jìn)行過于精細(xì)的控制……，不能因為管理而影響學(xué)生的學(xué)習(xí)和使用，也不能僅進(jìn)行簡單的更換節(jié)能燈具，走節(jié)電而不省錢的老路”［1］。改造項目擬從技術(shù)層面尋找節(jié)能和降低運(yùn)行費(fèi)用的解決方案，從高效節(jié)能和智能控制兩方面入手，一是進(jìn)行高效、高可靠的LED節(jié)能照明燈具改造，提高照明能效比，通過此項措施預(yù)計可節(jié)電58%，節(jié)省燈管更換材料費(fèi)用95%以上 (在有效年限3～5年內(nèi));二是通過照度檢測、人體檢測等進(jìn)行智能調(diào)光、自動開關(guān)燈和分區(qū)照明控制，提高智能化管理水平，通過此項措施預(yù)計可節(jié)電10%～40%。

2 LED驅(qū)動方案

2.1 驅(qū)動方式設(shè)計

在照明效果相當(dāng)條件下，一般用15～18W LED節(jié)能燈替代T8/40W日光燈，達(dá)到1800lm以上的有效光通量［2］。目前，市售18W LED燈管產(chǎn)品其發(fā)光組件一般采用一兩百只小功率LED合并使用，低端的多采用5草帽管24串12并，中高端的多采用3014芯片40串4并或2835芯片40串2并組成;采取交流全電壓供電驅(qū)動電路內(nèi)置的一體化結(jié)構(gòu)形式。此類方案主要存在的問題:(1)由于LED特性的離散性，在串聯(lián)通路LED數(shù)量較多時極易造成某只(或某些)LED燈珠的失效損壞;(2)直插或SMD封裝小功率LED一般直接焊裝在以紙質(zhì)或玻纖為基材的PCB板上，其散熱條件較差。而散熱條件的好壞是決定LED光衰的重要因素［3］，以至于以上產(chǎn)品早期光衰都比較嚴(yán)重;(3)驅(qū)動電路板在密閉的發(fā)熱環(huán)境中，即使選用進(jìn)口的105C0高品質(zhì)電解電容器，其無故障時間也難超過1萬小時［4］，這是造成電子鎮(zhèn)流器失效率較高的主要因素?？梢姡壳癓ED節(jié)能燈在實際應(yīng)用中還存在可靠性較低、綜合成本較高，“節(jié)電但不省錢”的難題，這也是阻礙LED照明實用化的主要問題。

針對以上問題，設(shè)計了分區(qū)分組、直流集中供電、無電解恒流驅(qū)動的解決方案總體架構(gòu)。即，教室座位區(qū)的24盞雙管燈具分成前、后兩個區(qū)域四個組，每組12支LED節(jié)能燈，講臺黑板的3盞燈具共6支LED燈單獨為一區(qū)一組，每區(qū)由一塊PFC/AC-DC電路模塊提供400V直流電源，每只LED燈管使用獨立的恒流電路驅(qū)動。

2.2 APFC模塊

功率因數(shù)是交流市電供電系統(tǒng)一個非常重要的技術(shù)指標(biāo)，為滿足IEC 61000-3-2的技術(shù)要求，必須設(shè)置專門的PFC和EMC電路。常用的有NCP1601/31、L4981B和ICE1PCS01/02等專用控制芯片。方案電路采用了ICE1PCS02構(gòu)成主動式CCM PFC控制單元和AC-DC電路，其具有完善的保護(hù)功能、強(qiáng)大的軟啟動特性、增強(qiáng)的動態(tài)響應(yīng)和良好的電磁兼容性，直流輸出電壓在350～400V左右［5］，電路見圖1。將APFC/AC-DC電路制作成一個獨立的模塊，可對多達(dá)24路20W的LED燈組供電，樣機(jī)在采用BX7-14-1.2k-1A滑動變阻器作負(fù)載，設(shè)定輸出電壓Vo=390V，輸出電流Io=1A時，獲得了接近于1的功率因數(shù) (λ≈0.99)和90% ～95%的極高效率，電壓—效率曲線見圖2(使用Power Bay智能數(shù)字式電力監(jiān)測儀測試)。

2.3 LED恒流驅(qū)動模塊

方案從減少串聯(lián)通路LED數(shù)量、改善散熱條件和無高壓電解電容驅(qū)動電路三方面入手，由20只1W大功率LED焊裝在PCB鋁基板上，并降額10%使用制作成18W LED燈組，考慮到前級已有APFC模塊輸出的400V穩(wěn)壓直流電源，本級僅需完成LED的恒流控制和功率控制即可，而低成本、簡單可靠、便于控制成為重點考慮問題。近年來各廠商開發(fā)推出了一批LED專用恒流驅(qū)動芯片如LM3445、FT880和BP2808等，方案電路選用了上海晶豐明源的BP2808專用芯片，其具備完善的開路、短路、過溫保護(hù)功能，并可方便的實現(xiàn)智能調(diào)光控制［6］，在使用400V穩(wěn)壓直流電源供電時，穩(wěn)流精度優(yōu)于±3%，效率達(dá)90%以上。而更為重要的是，輸入端僅需使用10nF聚丙烯電容即可，這樣整個系統(tǒng)就只有APFC電路中使用了一只大容量高壓電解電容，可以極大限度的改善由于電解電容失效而引起的驅(qū)動電路壽命短、可靠性差的問題，電路見圖3。

18W LED燈組其輸出電壓Vo=70V，輸出電流Io=0.3A，在取紋波系數(shù)ΔIL=65%，關(guān)斷時間toff=10.8μs時，可得:電感峰值電流ILpk=0.5A，電感紋波電流ILrp=0.4A，則儲能電感值為:

考慮到驅(qū)動電路板裝入鋁制燈管后對電感值的影響，可選用2.4 mH/1A工字型功率電感，或使用EE-13磁芯，0.23mm漆包線密繞240T。采樣電阻為:

圖1 APFC電路圖Fig.1 APFC circuit diagram

圖2 輸入電壓—效率曲線Fig.2 The input voltage-efficiency curve

可選用SMD_1206_1.50Ω±1% 貼片電阻3只并聯(lián)。MOSFET選用2N60，續(xù)流二極管選用MUR160即可。前期，據(jù)市級科研項目試制的樣機(jī)已連續(xù)工作已超過400天無明顯光衰。

圖3 恒流驅(qū)動電路圖Fig.3 Constant current drive circuit diagram

3 智能控制方案

3.1 總體功能設(shè)計

教室照明智能控制功能的設(shè)計以方便、實用、高效為原則，簡單分析如下:

(1)開關(guān)燈控制。關(guān)于時間控制功能，由于在高校教室的實際使用中很難確定在哪個固定的時間段開關(guān)燈更為合適，一些學(xué)校在采用人工或普通智能控制器管控?zé)艄鈺r，非但沒有真正的節(jié)電反而引發(fā)了矛盾的激化［1］，因為在平常，晚上十點十一點一般就沒人了，但到了期末可能就會到凌晨一兩點鐘甚至更晚都還會有學(xué)生看書學(xué)習(xí)。另外，我們認(rèn)為在教室環(huán)境條件下，聲音檢測控?zé)粢彩遣豢煽康模试O(shè)計方案主要由光照檢測、進(jìn)出門和室內(nèi)人體檢測功能實現(xiàn)開關(guān)燈控制。

(2)講臺區(qū)照明控制。黑板照明的一組燈具開關(guān)，是隨老師上課時是采用黑板板書還是用屏幕播放多媒體而有所不同的，有時在上課中間也會進(jìn)行切換。而且，黑板需要照明時就全開不需要照明時就全關(guān)，也不需要進(jìn)行照度的控制。故此組燈具設(shè)計為使用普通的壁開關(guān)進(jìn)行手動控制更為合適。

座位區(qū)照明控制采取分區(qū)分組的控制方式，即將教室座位區(qū)的24盞雙管燈具分成前、后兩個區(qū)域每區(qū)12盞，根據(jù)前后門進(jìn)出門檢測和室內(nèi)區(qū)域人體檢測結(jié)果進(jìn)行區(qū)域照明控制。LED燈管的功率控制(照度控制)，雖然通過BP2808 DIM端可以方便實現(xiàn)，但需要為每支燈管驅(qū)動電路放一組導(dǎo)線用于傳輸PWM或0～5V控制信號，這在實際使用中似無太大價值。故設(shè)計方案將每個區(qū)每盞燈具的兩支LED燈管分別組成兩組每組12支，利用繼電器控制400V供電電源的簡單方式實現(xiàn)24/12支開關(guān)的“全/半功率”照明，而為保證兩組燈管均衡的工作，半功率工作方式時每組燈管的使用可以采取隨機(jī)自動交換或定期人工交換的方法。

3.2 檢測電路模塊

(1)進(jìn)出門檢測。很多照明控制裝置采用進(jìn)出門人數(shù)統(tǒng)計的方法決定教室照明燈光的開關(guān)，但這種方法容易出現(xiàn)統(tǒng)計誤差，實際使用效果并不理想。關(guān)鍵是，如果一旦出現(xiàn)“無人”的錯誤判斷而發(fā)出關(guān)燈指令，勢必將造成對學(xué)生學(xué)習(xí)的嚴(yán)重干擾甚至引發(fā)安全事故，所以教室照明應(yīng)以“開燈”為第一優(yōu)先，“關(guān)燈”為最后選擇。設(shè)計方案在前后門各設(shè)置一個紅外檢測裝置，在得到“有人” (無論是進(jìn)門還是出門)檢測信號后，立刻對相應(yīng)區(qū)域發(fā)出“開燈”指令。而關(guān)燈控制，采取在開燈后延時25分鐘其間進(jìn)行室內(nèi)人體檢測，如若未獲得人體檢測信號則先行“半功率”照明并再延時25分鐘。此時如若有人，勢必會激發(fā)起起身開燈的動作而得到人體檢測信號，則即刻恢復(fù)“全功率”照明;如若繼續(xù)無人體檢測信號則發(fā)出“關(guān)燈”指令。

(2)室內(nèi)人體檢測方法。由于學(xué)生進(jìn)入教室后的看書學(xué)習(xí)一般都長時間處于靜止?fàn)顟B(tài)，對于靜態(tài)人體的檢測常采用熱釋電紅外動態(tài)掃描的方法，甚至有現(xiàn)成的產(chǎn)品，但據(jù)很多單位實際使用后反應(yīng)，效果并不如宣傳的那么好［7］。也有采用圖像檢測識別的方案，但技術(shù)復(fù)雜、成本較高。設(shè)計方案采取了熱釋電紅外被動檢測與“半功率”照明控制結(jié)合，主動觸發(fā)人體活動而獲取人體檢測信號的方法實現(xiàn)開關(guān)燈控制，簡單而有效。

(3)檢測裝置特性及安裝位置。照度檢測和人體紅外檢測模塊選用市售成品，二者均以0、1數(shù)字電平輸出。照度模塊在照度小于設(shè)定值時輸出1，大于設(shè)定值時輸出0;紅外模塊在檢測到人體時輸出1，未檢測到時輸出0。用于進(jìn)出門檢測的紅外模塊不用透鏡，這時作用范圍約為1～2m;用于室內(nèi)人體檢測的紅外模塊加裝菲涅爾透鏡，負(fù)責(zé)對7m半徑、100°的扇面區(qū)域檢測。對于光照傳感器理想的安裝位置應(yīng)該是課桌臺面上，但在實際使用中顯然是不方便、不可靠的，故將照度傳感器與熱釋電紅外傳感器一起分前、后兩個檢測點安裝在座位區(qū)右側(cè)墻面1.4m高的86開關(guān)盒中，至于照度檢測的偏差可在改造工程中通過對課桌臺面照度實際檢測后設(shè)定。

3.3 控制裝置模塊

前述改造方案開關(guān)燈控制功能簡單、邏輯清楚，使用通用數(shù)字時序邏輯電路即可輕松實現(xiàn)，較之單片機(jī)程序控制方案簡單、可靠、廉價。為此設(shè)計的教室照明控制裝置電路見圖4，基本工作過程如下:

(1)照明電源總開關(guān)仍由壁開關(guān)手控。由于繼電器J1、J2使用常閉觸點接通LED燈組的400V直流電源，故上電時LED燈組即刻點亮;同時，IC2、IC3的復(fù)位電路使其各自的輸出為0，T1、T2截止，繼電器不動作。

(2)光照低于設(shè)定值或檢測到人體信號時，P1～P3口至少輸入一個1信號，經(jīng)或運(yùn)算使CR=1，CR信號經(jīng)D1～D3使IC2、IC3復(fù)位，輸出為0，T1、T2仍截止，LED1、LED2燈組持續(xù)點亮。

(3)光照大于設(shè)定值和未檢測到人體信號時，CR=0，IC3開始延時計數(shù)。圖中數(shù)據(jù)下，R10、R11及C7確定的振蕩周期約0.017s，經(jīng)8192步計數(shù) (延時25分鐘)后在Q13輸出1，CP1上升沿觸發(fā)Q1=D1=1，使T1導(dǎo)通，J1動作，LED1燈組關(guān)燈，實現(xiàn)“半功率”照明;同時Q1=1反饋至IC1 14腳對13腳實施封鎖，可避免Q13變化對Q1狀態(tài)的影響。

此后，若CR持續(xù)為0(包括教室在“半功率”照明后未能激發(fā)人的動作和無人進(jìn)出教室)，則IC3經(jīng)16384步計數(shù) (延時50分鐘)后，Q14輸出1，CP2上升沿觸發(fā)Q2=D2=1，使T2導(dǎo)通，J2動作，LED2燈組關(guān)燈;同理，Q2亦經(jīng)反饋封鎖后使Q2的狀態(tài)不受Q14變化的影響。同時，T2集極低電平經(jīng)D6將IC3 CIN端置0，計數(shù)器停止工作。

(4)至此，教室全部關(guān)燈，直至重新得到照度信號或人體信號使CR=1后，重新開燈。

圖4 控制裝置電路圖Fig.4 Control circuit diagram

4 效益分析

用總功率20W的18W LED節(jié)能燈替代總功率為48W的熒光燈，節(jié)電率為58.3%，由于LED燈發(fā)光指向性好、顯色性好、頻閃小，實際照明效果超過傳統(tǒng)熒光燈，課桌桌面照度可達(dá)300lx以上，實測結(jié)果見表1(用TES-1339照度計檢測)。

表1 桌面照度Table 1 The desk desktop illumination

(1)綜合節(jié)電率。項目研制期間選擇某教學(xué)樓一樓兩間，三樓、六樓各一間教室進(jìn)行了為期一個月的試驗運(yùn)行，其自動控制關(guān)燈率見表2。由于我校地處四川盆地邊緣，年平均陰天天數(shù)約190天，如果加上多云天氣達(dá)300天［8］，教室上課尤其是遠(yuǎn)離窗戶的座位即使在白天也都需要燈光照明才能達(dá)到300lx的照度標(biāo)準(zhǔn)，故檢測時以全天18小時開燈為參照，實測平均自動關(guān)燈率約為16.4%，則節(jié)電改造的綜合節(jié)電率為:

(2)綜合效益。試驗用的LED燈管、APFC電源板及控制裝置模塊均由本校實習(xí)工廠加工制作。每間教室改造投入:18W LED燈管采用定制的PCB鋁基板和半鋁半塑燈管組裝，成本約90元/支，使用54支合計4860元;APFC電源板約40元/塊，使用3塊計120元;控制電路板約15元/塊，使用2塊計30元;光照和紅外傳感模塊約6元/塊，使用6塊計36元;布線、開關(guān)盒等約100元;合計每間教室投入資金5186元。綜合效益分析見表3。

表2 自動控制關(guān)燈率Table 2 Rate of automatic control to turn off the lights

表3 綜合效益表Table 3 Comprehensive benefits table

以LED燈組最低使用壽命為3年計算，一次性投入改造后，全校400間教室可以節(jié)約照明開支:1.1172×400=446.88萬元，可見節(jié)能、節(jié)支效果是明顯的。目前，設(shè)計電路樣機(jī)正在進(jìn)行工藝化設(shè)計和可靠性試驗，為全校的節(jié)能照明改造做準(zhǔn)備。

［1］王勤，劉林.高校教室照明節(jié)能工作中應(yīng)注意的幾個問題［J］.高校后勤研究，2007，(6):110-111.

［2］矛于海.LED 日光燈［OL］.http://static.ednchina.com/client/chuangxinjiang/longmaowei.pdf.

［3］矛于海.LED 的散熱［OL］.http://www.china-air.net/en/Images/UpFile/201185131418727.pdf.

［4］矛于海.內(nèi)置電源 LED日光燈的缺點和問題［OL］.http://lights.ofweek.com/2010-06/ART-220002-8300-28424241.html.

［5］Infineon Technologies.ICE1PCS02-Standalone Power Factor Correction Controller in Continuous Conduction Mode［OL］.http://www.infineon.com/dgdl/DS +ICE1PCS02_v1.2+Feb+2007.pdf.

［6］晶豐明源.BP2808_DS_V3.0［OL］.http://www.bpsemi.com/pdf/BP2808/BP2808_DS_V3.0.pdf.2010.

［7］韓哲，蔡紅玫.靜態(tài)人體探測技術(shù)剖析［OL］.城市建設(shè)理論研究(電子版)，2013，12.http://d.wanfangdata.com.cn/periodical_csjsllyj2013123549.aspx.

［8］http://www.weather.com.cn/weather/101270301.shtml.