建筑照明節(jié)能的發(fā)展探討

高　超,　趙　麗,　喬紅壘,　盧倩楠

(長安大學 電子與控制工程學院, 陜西 西安　710064)

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建筑照明節(jié)能的發(fā)展探討

高超,趙麗,喬紅壘,盧倩楠

(長安大學 電子與控制工程學院, 陜西 西安710064)

摘要：從設(shè)計、光源、控制管理、自然采光等方面,論述了建筑照明節(jié)能的新技術(shù)和新發(fā)展。著重介紹了發(fā)光二極管(LED)、有機發(fā)光二極管(OLED)、智能控制系統(tǒng)、光導(dǎo)照明系統(tǒng)在建筑照明中的應(yīng)用。分析了各種技術(shù)的節(jié)能效果及優(yōu)缺點,為以后建筑照明節(jié)能的研究提供參考方向。

關(guān)鍵詞：建筑照明; 節(jié)能; 發(fā)光二極管(LED); 有機發(fā)光二極管(OLED); 智能控制; 光導(dǎo)照明

0引言

節(jié)能環(huán)保是我國大力倡導(dǎo)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的主要手段。過去10年中,全球人造光源的需求量以每年2.4%的平均速率增長,而且在可預(yù)見的未來人造光源的需求量將會繼續(xù)增長。照明用電量在全球電力消耗中占有17.5%的較大比例,這個比例還在逐年增大。據(jù)國際能源署估計,在建筑照明中采用節(jié)能技術(shù)可以有效為終端用戶至少節(jié)省全球照明能源消耗成本38%。因此,在建筑照明技術(shù)發(fā)展的過程中,照明節(jié)能的方法與技術(shù)的發(fā)展越來越受到人們的重視。本文闡述了建筑照明節(jié)能技術(shù)的成果及發(fā)展方向,分析了各種技術(shù)的節(jié)能效果及優(yōu)缺點。

1設(shè)計更加合理化專業(yè)化

照明系統(tǒng)設(shè)計時首先要進行照度的計算,以便設(shè)計方案的照度符合國家規(guī)范中的照度要求。民用建筑中常用的照度計算方法是利用系數(shù)法,而對于點光源照明場所常用逐點計算法計算照度。與此同時，還要保證設(shè)計中的實際照明功率密度值(Lighting Power Density,LPD)小于或等于標準規(guī)定的 LPD最大限值。以上兩點是保證建筑照明設(shè)計規(guī)范、合理、節(jié)能的最基本要求。

在滿足上述兩點基本要求后,還要將各種照明方式有機結(jié)合。在實際照明工程中照明方式主要分為一般照明、局部照明、重點照明、混合照明、裝飾照明等。這些照明方式適用于不同的照明場所,在實際設(shè)計過程中要根據(jù)不同場所、不同區(qū)域按照照明需求進行合理配置。

未來建筑照明設(shè)計向著更加合理、更加節(jié)能、更加舒適美觀的方向發(fā)展,這對照明設(shè)計人員提出了更高的要求。

2新型光源的應(yīng)用與發(fā)展

建筑照明系統(tǒng)中僅靠合理的設(shè)計所得到的節(jié)能效果有限。因此應(yīng)從光源著手,使用和發(fā)展新型光源是建筑照明節(jié)能的根本。傳統(tǒng)光源的分類方法有很多,按照電光轉(zhuǎn)換機理分類有兩種:熱輻射光源,包括白熾燈、鹵鎢燈;氣體放電光源,分為低壓氣體放電燈(包括熒光燈和低壓鈉燈)和高壓氣體放電燈(高壓汞燈和高壓鈉燈)。以上不同種類的光源適用于不同的場合。

目前已應(yīng)用于照明系統(tǒng)的新型光源主要是發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)，具有體積小、使用靈活、光譜窄、開關(guān)時間短、結(jié)構(gòu)簡單、耐沖擊、耐振動、無頻閃、功率因數(shù)高等優(yōu)點。理論上LED比白熾燈節(jié)能80%,比熒光燈節(jié)能50%[1]，但LED在光品質(zhì)方面有一定的缺陷。LED光源的封裝大量采用圓柱形或球形,發(fā)出的光具有很強的指向性,產(chǎn)生眩光。對于眩光問題,業(yè)內(nèi)通常采用散射或反射的方法來解決,例如用透光性好的材料對LED發(fā)出的光進行散射霧化處理或使LED的光經(jīng)過反射后再到達人眼等。由于LED光譜窄,所以特定光譜的LED顯色性較差。在使用中為了克服這一缺點,通常是將幾種光譜的LED組合使用,形成混合光源。

綜上,LED新型光源與傳統(tǒng)光源相比,雖然在眩光和顯色性方面存在不足,但是可以通過一定技術(shù)手段使其達到與傳統(tǒng)光源相近的水平，同時LED的高效節(jié)能、使用壽命長等優(yōu)點是傳統(tǒng)照明無法相比的。隨著技術(shù)的進步,LED成本逐漸降低,使用范圍越來越廣。

另一種比LED更有發(fā)展?jié)摿Φ男滦凸庠词怯袡C發(fā)光二極管(Organic Light Emitting Diode,OLED)。OLED與LED唯一的區(qū)別是它所使用的半導(dǎo)體不是無機硅,而是有機碳。OLED是一種薄膜多層器件,高發(fā)光效率,適用于大面積光源,而且針對不同的用戶能夠調(diào)整顏色,具有材質(zhì)柔軟、易于裁剪、造型輕薄及低驅(qū)動電壓等特性,符合當前的綠色環(huán)保要求[2]。OLED具有效率低、尺寸小(最大20 cm2)、價格非常高、使用壽命短等缺點，但是,這只是一個短暫的情況。事實上,考慮到OLED形狀的特殊性,將其用于大面積照明比LED更具優(yōu)勢:① 低亮度(無眩光問題);② 不產(chǎn)生熱(沒有散熱問題);③ 光譜發(fā)射更豐富(高顯色性);④ 更加節(jié)能。

綜上所述,建筑照明中所用的新型光源正向著更高的發(fā)光效率、更長的使用壽命、更低的成本、更加節(jié)能的方向發(fā)展。

3智能控制管理系統(tǒng)在建筑照明中的應(yīng)用

智能控制管理系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用層的不同主要分為照明控制系統(tǒng)和家庭智能化與樓宇智能化系統(tǒng)。照明控制系統(tǒng)主要根據(jù)特定的標準協(xié)調(diào)照明系統(tǒng)中的所有元素。家庭智能化與樓宇智能化系統(tǒng)主要管理協(xié)調(diào)住宅/建筑中現(xiàn)有的所有設(shè)備。

照明控制系統(tǒng)是根據(jù)特定的條件對照明操作進行管理的一種裝置,與高效率燈或高輸出比的燈具相連,可以提供顯著的能源節(jié)約效果。建筑內(nèi)的照明控制系統(tǒng)主要由各種傳感器和控制器等組成,如占用傳感器的作用是當區(qū)域不被占用時限制使用人工照明;日光采集器通過測量調(diào)節(jié)可用的日光來減少人工光源的使用。實時調(diào)節(jié)可以根據(jù)一些時間表和任務(wù)調(diào)整改變燈光,可以根據(jù)當前活動改變房間的照明場景。此外,通過照明控制系統(tǒng)用戶可自行設(shè)定所需的光環(huán)境。由于照明控制系統(tǒng)的使用,人工照明只在需要時提供合適的照明水平。根據(jù)國際能源署統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,使用照明控制系統(tǒng)可以節(jié)能54%。

家庭智能化通過幾個不同設(shè)備的智能協(xié)作,以高效、安全、舒適的方式來管理居住環(huán)境。當這種做法應(yīng)用到建筑物時,就稱為樓宇智能化。建筑物的所有技術(shù)功能集成為一體的綜合管理系統(tǒng),通常稱為建筑設(shè)備管理系統(tǒng)(Building Management System,BMS),管理照明、遮陽、空調(diào)、門禁和安全控制系統(tǒng)。特別地,BMS中照明系統(tǒng)最常用的標準協(xié)議是數(shù)字可尋址照明接口協(xié)議(DALI)。建筑中BMS使用全部或部分自動化系統(tǒng)來控制和集成人工光與自然光,增加了建筑物內(nèi)視覺和熱的舒適性，同時也減少了照明的耗電量。此外,在配備空調(diào)的建筑物中,可減少內(nèi)源性的光源所產(chǎn)生的熱負荷,達到節(jié)能的目的。如今,樓宇智能化系統(tǒng)來控制照明可以同時達到舒適與節(jié)能的效果,能夠跟蹤入住率和能源使用,監(jiān)視和控制整個大型設(shè)施的照明,最大限度地降低高峰用電需求。

4新型自然采光系統(tǒng)在建筑照明中的應(yīng)用

自然采光系統(tǒng)是一系列能夠提供或管理室內(nèi)環(huán)境中的系統(tǒng)。傳統(tǒng)自然采光系統(tǒng)主要由一系列光傳感器和反射器或遮光板等元件組成,一般安裝在窗戶附近，通過調(diào)節(jié)反射器或遮光板來控制自然光的采用量,并與人工照明相結(jié)合,以保證室內(nèi)整個白天都有足夠的照明水平。該自然采光系統(tǒng)只能控制窗戶射入的自然光,自然光的最大采入量取決于窗戶的大小,對于距離窗戶較遠的空間或沒有窗戶的房間(如地下室等)則效果不明顯,甚至不能使用。

光導(dǎo)照明系統(tǒng)是一種新型自然采光系統(tǒng),運用光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)光的特性,在室外設(shè)置若干自然光采集器,將收集的自然光通過大量光纖傳遞到室內(nèi)的發(fā)光器件,再傳播到室內(nèi)空間。光導(dǎo)照明原理如圖1所示。

圖1　光導(dǎo)照明原理

光導(dǎo)照明系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)自然采光系統(tǒng)的局限性,可以完全取代白天的電力照明,無能耗,節(jié)能效果非常顯著。此外,光導(dǎo)照明系統(tǒng)光源取自自然光線,光線柔和、均勻,全頻譜、無閃爍、無眩光、無污染,并通過采光罩表面的防紫外線涂層濾除有害輻射。光導(dǎo)照明系統(tǒng)有著良好的發(fā)展前景和廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域,是真正節(jié)能、環(huán)保、綠色的自然采光照明方式。

在實際工程應(yīng)用中,光導(dǎo)照明系統(tǒng)有一定的局限性。首先,光導(dǎo)照明的光源是陽光,所以陽光的變化對其照明效果有很大影響。不同地區(qū)、不同季節(jié)和時段,陽光照度是不同的,這就需要加裝光導(dǎo)照明控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)。光導(dǎo)照明控制系統(tǒng)采用智能化控制手段,在室內(nèi)設(shè)置照度傳感器,將室內(nèi)照度反饋給控制器,從而調(diào)整采光裝置的開度和光學透鏡的角度,避免過亮或光照不足。當采光裝置開度最大依然滿足不了室內(nèi)照度要求時,需開啟人工照明進行補償。光導(dǎo)照明系統(tǒng)控制流程圖如圖2所示。

采光器和光導(dǎo)管安裝也受環(huán)境及建筑本身的影響。采光器應(yīng)盡量設(shè)置在遮擋物少的區(qū)域和建筑物的南側(cè),否則會影響采光效果。光導(dǎo)管和建筑中的其他管路一樣,要在建筑設(shè)計階段就加以考慮。對于高層建筑,光導(dǎo)管需敷設(shè)很長,安裝難度大,同時需要在結(jié)構(gòu)板上留洞,增加了結(jié)構(gòu)專業(yè)的設(shè)計難度,限制了光導(dǎo)照明的適用場合。目前光導(dǎo)照明更多地用在地庫、工廠、學校等場所,很少用在高層建筑中。

圖2　光導(dǎo)照明控制流程圖

由于光導(dǎo)照明系統(tǒng)需要增加智能控制系統(tǒng),以及其設(shè)計、安裝成本較高,所以首期投資費用高。在全年多陰雨的地區(qū),選擇光導(dǎo)照明系統(tǒng)前應(yīng)進行性價比分析,計算經(jīng)濟回收期。若經(jīng)濟回收期很長,則不建議使用。光導(dǎo)照明受投資成本和使用場合的限制,但仍是節(jié)能、環(huán)保、綠色的自然采光照明方式,目前研究人員正研究將光導(dǎo)照明系統(tǒng)與光伏發(fā)電技術(shù)及建筑通風系統(tǒng)相結(jié)合[3]。

5結(jié)語

建筑照明節(jié)能正向著系統(tǒng)化的方向發(fā)展,應(yīng)將合理專業(yè)的設(shè)計、高效節(jié)能的光源、科學的控制管理系統(tǒng)相結(jié)合,在條件允許的情況下多采用光導(dǎo)照明系統(tǒng),才能使建筑照明節(jié)能達到最理想的節(jié)能效果。隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科技的進步,建筑照明節(jié)能技術(shù)將有更加長遠的發(fā)展。

[1]劉兵.民用建筑照明節(jié)能改造中LED節(jié)能效果分析[J].建筑電氣,2013(7):62-64.

[2]吳玉琦,劉暢,李諾,等.OLED照明的發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)研究[J].中國照明電器,2009(11):5-9.

[3]馬江川,王洪娜.光導(dǎo)照明技術(shù)的原理及應(yīng)用[J].居業(yè),2014(12):62-63.

[4]王立雄.建筑照明節(jié)能的新途徑[J].照明工程學報,2004(4):20-22.

Discussion about Development of Building Lighting Energy Saving

GAOChao,ZHAOLi,QIAOHonglei,LUQiannan

(College of Electronics and Control Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Abstract：This paper discussed the new technology and development of building lighting energy saving from design,illuminant,control and management,natural lighting.The application of the light emitting diode(LED) and organic light emitting diode(OLED),intelligent control system and Tubular Skylight were emphatically introduced in building lighting.The advantages and disadvantages were given,and the energy saving effect of different technologies were elaborated.It can provide references for the research of building lighting.

Key words:building lighting; energy saving; light emitting diode(LED); organic light emitting diode(OLED); intelligent control; Tubular Skylight

收稿日期：2015-07-06

中圖分類號：TU 201.5

文獻標志碼：B

文章編號：1674-8417(2016)02-0051-03

趙麗(1959—),女,副教授,研究方向為建筑電氣。

喬紅壘(1990—),男,碩士研究生,研究方向為建筑電氣。