基于DIALux軟件的集控室照度計算及方案優(yōu)化

別 睿，高 燕，姚 雯

(中南電力設(shè)計院，湖北 武漢 430071)

發(fā)電廠集控室作為發(fā)電廠的生產(chǎn)控制中心，其不間斷工作性質(zhì)決定了需為值班人員提供優(yōu)質(zhì)的照明質(zhì)量以及舒適愉快的光環(huán)境。室內(nèi)照明設(shè)計需要考慮多方面的因素，而達到基本的照度要求需考量多方面的內(nèi)容，不同的空間形式、不同的燈具配光、室內(nèi)各表面有效反射率的差異都會影響室內(nèi)照明一般照度的計算結(jié)果。如何快速且科學(xué)化地完成照明設(shè)計將是設(shè)計工作人員所面臨的關(guān)鍵問題。

在具體的照明設(shè)計中，通常是借助以往設(shè)計經(jīng)驗來估算燈具數(shù)量和布置方式，常用的照度計算方法無法對照明設(shè)計結(jié)果進行檢驗。目前已被建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用的DIALux照明設(shè)計軟件，可相應(yīng)地解決上述問題，為實際照明方案提供準(zhǔn)確的照明指標(biāo)，并作出相應(yīng)的評價。

本文首先對常用照度計算方法進行了分析和比較，然后對DIALux照明計算軟件的特點進行了介紹。并以某2×350MW燃煤機組工程集控室照明設(shè)計為例，通過采用DIALux照明計算軟件對三個方案分別進行照度計算，并技術(shù)經(jīng)濟比較后得出最優(yōu)方案，為同類照明方案的確定和優(yōu)化提供了參考和借鑒。

1 常用照度計算方法分析

1.1 利用系數(shù)法

利用系數(shù)法計算比較準(zhǔn)確，考慮了由光源直接投射到工作面上的光通量和經(jīng)過室內(nèi)表面相互反射后再投射到工作面上的光通量。其計算公式為：

式中：Ec為工作面平均照度(lx)；φ為光源光通量(lm)；N為光源數(shù)量；CU為利用系數(shù)，取決于室形指數(shù)和房間反射情況；K為燈具維護系數(shù)；A為工作面面積。

1.2 逐點計算法

逐點計算法是指逐一計算附近各個光源對照度計算點的照度，然后進行疊加，得其總照度的計算方法。

圖1 逐點計算法計算示意圖

逐點計算法利用距離平方反比定律(又稱“照度定律”)：

任意傾斜面上的照度Eδ可以按下式(3)進行計算：

式中：E為照度計算點的水平照度；Iα為燈具照射方向的光強；l為光源與被照射點的距離；α為入射光線與垂直方向的夾角；δ為傾斜面與水平面的夾角；h為光源至水平面上的垂直距離；p為光源在水平面的投影至傾斜面與水平面交線的垂直距離。

1.3 單位容量法

單位容量法的依據(jù)也是利用系數(shù)法，是一種簡單的計算方法，只適用于方案設(shè)計時的近似估算。其中照明光源的比功率值，是指單位面積上照明光源的安裝功率，根據(jù)下式(4)進行計算。

還可以根據(jù)此方法，計算出燈具的數(shù)量，根據(jù)下式(5)進行計算：

式中：P0為光源的比功率；N為燈數(shù)；PN為每燈的額定功率；E為需求照度；A為受照房間面積；C1,C2為修正系數(shù)；φ為照明燈具光通量。

1.4 常用計算方法比較

根據(jù)前述對常用照度計算方法的分析，可以得出上述方法之間特點比較如表1所示。根據(jù)表中內(nèi)容可以看出三種方法均有一定局限性：利用系數(shù)法及單位容量法無法反映具體照度分布，無法為方案優(yōu)化提供參考；逐點計算法則只能計算直射照度，且每次只能計算某點照度。這些局限性限制了這些方法的深度應(yīng)用。對于照明要求較高的場所，亟需一種簡便靈活、準(zhǔn)確專業(yè)、計算速度和精度均能滿足要求的方法。

表1 常用照明計算方法特點比較

2 仿真案例研究

2.1 主要評價指標(biāo)

根據(jù)DL/T5390－2014《發(fā)電廠和變電站照明設(shè)計技術(shù)規(guī)定》相關(guān)要求，得到集控室照明評價指標(biāo)見表2。仿真建模中所設(shè)定的工作面為室內(nèi)空間0.75 m水平面(辦公桌高度)；根據(jù)規(guī)范中所推薦參數(shù)，選取集控室維護系數(shù)為0.8。另外，為便于統(tǒng)一判定UGR值，選取值班組人員座位處為眩光值檢測點，方向選擇面對電視機墻。

表2 集控室照明評價指標(biāo)

2.2 方案特點分析

本文主要采用DIALux照明計算軟件，該軟件使用精確的光度數(shù)據(jù)庫和先進專業(yè)的算法，計算結(jié)果十分接近于實際照明效果。以某2×350 MW燃煤機組工程集控室(長19.4 m×寬10.7 m×高4 m)為計算對象；并基于實際光源配光曲線信息，構(gòu)建仿真環(huán)境。提出如下三個照明設(shè)計方案進行案例分析：

方案一：選用熒光燈光源(三管格柵燈具)，燈具布置采用圖2布置方式；

方案二：選用LED光源(三管格柵燈具)，燈具布置采用圖2布置方式；

方案三：選用LED光源(二管格柵燈具)，燈具布置采用圖3布置方式。

根據(jù)規(guī)范中對功率密度的要求以及房間面積大小，通過單位容量法計算初步確定選用表3規(guī)格的格柵燈和筒燈，結(jié)合室內(nèi)空間分布特點，最終確定布置方式一的燈具數(shù)量見表3。方案一與方案二主要比較相同布置方案下，不同光源對照度分布的影響；方案二與方案三主要比較在光源相同情況下，不同布置方式對照度分布的影響。

圖2 布置方式一

圖3 布置方式二

表3 方案布置及參數(shù)

2.3 方案技術(shù)比較

2.3.1 方案一

根據(jù)前述確定的方案，完成對方案的DIALux照度計算，得到其燈光模擬偽色圖及照度等值線結(jié)果分別見圖4和圖5。照明指標(biāo)計算結(jié)果見表4。

圖4 方案一照度偽色結(jié)果圖

圖5 方案一照度等值線結(jié)果圖

表4 方案一照明指標(biāo)計算結(jié)果

在偽色效果圖上可看出辦公桌方向上有明顯光帶，光帶間照度較弱，部分區(qū)域照度明顯集中的情況。從等值線圖可看出工作臺附近的照度在560 lx以上，通道區(qū)域照度也在400 lx以上，平均照度為550 lx，滿足規(guī)范規(guī)定。根據(jù)計算結(jié)果，均勻度為0.639，統(tǒng)一眩光值以及功率密度值均滿足要求。

2.3.2 方案二

為比較熒光和LED光源效果，采取與方案一相同布置方式，并完成方案二的DIALux照度計算，可得到其燈光模擬偽色圖及照度等值線結(jié)果分別見圖6和圖7。室內(nèi)空間有關(guān)照明指標(biāo)計算結(jié)果見表5。

圖6 方案二照度偽色結(jié)果圖

圖7 方案二照度等值線結(jié)果圖

表5 方案二照明指標(biāo)計算結(jié)果

根據(jù)偽色圖發(fā)現(xiàn)，由于本方案采用光角更寬的LED燈，照度區(qū)域更為柔和，且不存在方案一中部分區(qū)域明顯集中的光帶情況。集控室工作面最大照度為583 lx，較方案一其最大照度得到了良好地控制，從等值線分布情況可知整體均勻度更為良好。均勻度U0經(jīng)過計算為0.664，滿足規(guī)范要求；功率密度值僅為方案一的1/2；另外，觀測點1和點2處UGR均為12，滿足規(guī)范要求。

由上可知，方案二以方案一功率密度值的1/2，基本上實現(xiàn)了方案一的照度水平，且部分照明指標(biāo)更為優(yōu)良。

2.3.3 方案三

為進一步深化比較布置方案對照明的影響，考慮將燈具布置方案調(diào)整為縱列布置，單個燈具功率與方案二相同。根據(jù)仿真計算，得到方案三燈光偽色結(jié)果圖和等值線結(jié)果圖見圖8和圖9。室內(nèi)空間各部分區(qū)域的有關(guān)照明指標(biāo)計算結(jié)果見表6。

圖8 方案三照度偽色圖

圖9 方案三照度等值線結(jié)果圖

表6 方案三照明指標(biāo)計算結(jié)果

根據(jù)偽色圖可看出，在集控室內(nèi)經(jīng)常辦公的值班員和值長工作臺處，其照度范圍均比較均勻。其控制電視墻上的區(qū)域無前述方案的明顯光帶區(qū)域，利于值班人員觀測電視機屏幕上相關(guān)信息。

根據(jù)等值線結(jié)果可知，值班人員工作臺照度主要集中在540 lx～640 lx之間。且工作面平均照度為552 lx，較方案二的整體光照有了更好的提升；均勻度、眩光值均滿足要求。功率密度值得到了更好地優(yōu)化，僅為6.97 W/m2。方案照度分布呈現(xiàn)出自室內(nèi)中心往四周的環(huán)形輻射狀特點。

方案三采用了多縱列的布置方式，使得燈具間距更小，且在格柵燈具之間布置有筒燈補充此部分光照；光照分布相對更為均勻，有助于提升運行人員視覺舒適度。

2.4 方案經(jīng)濟比較

結(jié)合上述三個方案，并綜合燈具及安裝調(diào)試費用，進行全壽命周期內(nèi)經(jīng)濟性評價比較。經(jīng)濟評價主要從初期投資費用、后期維護費用以及長期用電費用三方面來進行分析。

2.4.1 初期投資費用分析

集控室的照明初期投資費用主要由選擇的燈具市場價決定，初期投資費用計算結(jié)果如表7所示。根據(jù)結(jié)果可知，方案一與方案二均為三管格柵燈具，燈具單價較為接近，總費用差異不大；而方案三則總費用相對較低。

表7 初期投資費用計算結(jié)果

2.4.2 后期維護費用分析

集控室照明在正常使用之后，后續(xù)使用中存在后期維護費用。本文僅考慮正常使用過程中，因自然壽命因素所致的燈具或燈管更換所需費用。考慮可能的集控室另外翻新，整體照明方案重新設(shè)計，因此評價周期按10年進行分析。集控室工作時間按全年每天24小時不間斷工作考慮，總周期時長87600 h。

方案一均為熒光光源，平均壽命為8000 h；方案二、三為LED光源，平均壽命為40000 h。但LED光源燈具采用的是一體化設(shè)計，需整體更換，因此單次維護費用即為單個燈具總費用。得到后期維護費用計算結(jié)果見表8。

雖然LED燈具單次更換費用高，但是其壽命更長，在計算評價周期內(nèi)，其更換次數(shù)較熒光燈顯著減小，因此采用LED光源方案較熒光燈多支出的費用已控制在1萬元左右；方案二與方案三費用比較接近。

表8 后期維護費用計算結(jié)果

2.4.3 長期用電費用分析

集控室照明用電單價按發(fā)電廠上網(wǎng)電價為0.3250元/kWh(發(fā)改價格【2015】748號文)計算。為便于分析，總工作時間按計算周期87600 h考慮。長期用電費用計算結(jié)果見表9。

根據(jù)表中計算結(jié)果，全熒光燈的方案一由于功率較高，而方案二和方案三的功率一致且均較低，總用電費用差異明顯。初期投資費用差異較小，而后期維護費用方案間差異在1萬元左右，而用電費用在長周期內(nèi)影響更大，LED燈的效益優(yōu)勢明顯。

2.5 綜合分析

結(jié)合前述三個方案的技術(shù)經(jīng)濟比較結(jié)果，進行綜合性分析，見表10。

表9 長期用電費用計算結(jié)果

表10 方案綜合分析比較結(jié)果

總地來說，上述三種方案的特點可歸納如下：

(1)方案一采用熒光燈，照度與均勻度滿足規(guī)范要求，但部分空間照度過強并存在明顯光帶，視覺舒適度欠佳，且長期用電費用高昂。

(2)方案二以方案一的1/2的功率密度值，實現(xiàn)了更良好的照度分布，雖然初期設(shè)備費用及后期維護費用較高，但長期用電費用較方案一具有明顯優(yōu)勢。

(3)方案三整體照度有了更好的提升，視覺舒適度更優(yōu)，且初期投資和后期維護費用均更低，具有室內(nèi)照明整體質(zhì)量、節(jié)能環(huán)保特性以及綜合費用多方面的明顯綜合性優(yōu)勢。

3 結(jié)論

(1)常用的照度計算方法，如利用系數(shù)法、逐點計算法與單位容量法，不便于設(shè)計人員掌握室內(nèi)空間照明情況。

(2)方案一存在燈下部分空間照度過強并存在明顯光帶，方案二則采用方案一的布置方式，其空間內(nèi)照度分布更良好，長期用電費用較方案一具有明顯優(yōu)勢，但方案二初期費用和后期維護費用最高。

(3)方案三整體照度有了更好的提升，視覺舒適度更優(yōu)，且初期投資和后期維護費用均更低，基本上實現(xiàn)了滿足集控室照明要求前提下，照明質(zhì)量在兼顧經(jīng)濟性基礎(chǔ)上最優(yōu)化。建議選擇方案三作為最終方案。