基于DIALux軟件與KNX節(jié)能控制系統(tǒng)的建筑電氣照明設(shè)計(jì)

夏兵

【摘 要】國(guó)家大力提倡建立節(jié)約型社會(huì)，節(jié)能減排被安排到了工作日程上來(lái)。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，由于建筑電氣照明系統(tǒng)分布不合理，浪費(fèi)的電能甚至達(dá)到了整棟大樓用電量的五分之一。因此，對(duì)控制系統(tǒng)的建筑電氣照明設(shè)計(jì)研究，對(duì)建筑節(jié)能意義重大。本文以某節(jié)能項(xiàng)目為例，對(duì)DIALux照明設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，通過(guò)對(duì)建筑項(xiàng)目整體照明系統(tǒng)進(jìn)行全面了解，從而開展項(xiàng)目總線智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在一定程度上對(duì)建筑節(jié)能起到了積極作用。

【關(guān)鍵詞】控制系統(tǒng);照明方案;節(jié)能設(shè)計(jì);控制策略

中圖分類號(hào)： TU85;TU113.66 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）20-0033-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.014

0 引言

兩會(huì)期間李克強(qiáng)總理首次提出了“互聯(lián)網(wǎng)+”的經(jīng)營(yíng)理念，各大企業(yè)為了響應(yīng)國(guó)家號(hào)召積極開展“互聯(lián)網(wǎng)+”的商業(yè)模式[1]。與此同時(shí)，創(chuàng)新性的提出了“智慧城市”“智慧家居”等與互聯(lián)網(wǎng)緊密相關(guān)的智能化發(fā)展行業(yè)，甚至更進(jìn)一步人們將智能化用在了建筑建設(shè)中。隨著近年來(lái)建筑智能化建設(shè)的興起，節(jié)能控制系統(tǒng)在建筑電氣照明方面得到了迅速發(fā)展。建筑照明電氣系統(tǒng)作為建筑內(nèi)部建設(shè)的關(guān)鍵一環(huán)，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響著建筑使用者的經(jīng)濟(jì)利益。建筑電氣照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理會(huì)對(duì)建筑內(nèi)的電能產(chǎn)生巨大的浪費(fèi)，因此，對(duì)建筑照明系統(tǒng)進(jìn)行合理改造，不僅符合國(guó)家提倡的節(jié)約理念，而且對(duì)建筑使用者來(lái)說(shuō)也是有益無(wú)害的。

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目作為吸引海外科技人才示范項(xiàng)目，是威海市重點(diǎn)扶持項(xiàng)目之一，由政府投資進(jìn)行建設(shè)。該項(xiàng)目在質(zhì)量及工期等方面有嚴(yán)格要求， 對(duì)原有材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)電管線進(jìn)行排查并制定最符合最終效果與經(jīng)濟(jì)效益的改造設(shè)計(jì)方案。本項(xiàng)目涉及的區(qū)域種類較多，包括了倉(cāng)庫(kù)、辦公室、普通理化實(shí)驗(yàn)室、儀器分析室、潔凈室等，每個(gè)區(qū)域設(shè)計(jì)要求不同，并且涉及要求眾多，各種儀器對(duì)電器需求又各不同，涉及的規(guī)范較多。

2 照明設(shè)計(jì)軟件DIALux

2.1 DIALux軟件

DIALux是當(dāng)下功能最完備的照明計(jì)算軟件之一，其最大優(yōu)勢(shì)就在于能夠配適于各個(gè)不同廠家生產(chǎn)的所有類型燈具，并通過(guò)其強(qiáng)大的軟件功能，使得照明設(shè)計(jì)及計(jì)算要求都能得以實(shí)現(xiàn)。DIALux軟件具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）該軟件操作簡(jiǎn)單、通俗易懂，能夠與AutoCAD互通進(jìn)行圖形編輯和繪制，是適合燈具設(shè)計(jì)人員使用的專業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)模擬軟件;（2）計(jì)算結(jié)果高效準(zhǔn)確，打破了燈具設(shè)計(jì)師憑借主觀意愿對(duì)燈具設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估;（3）軟件設(shè)置具有模塊化，針對(duì)相應(yīng)模塊進(jìn)行操作，更加專業(yè)和有針對(duì)性[2]。

2.2 建模與照明計(jì)算

DIALux軟件增加了在室內(nèi)照明計(jì)算中的房間建模功能，通過(guò)Room Element中的各項(xiàng)建模元素，結(jié)合設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)風(fēng)格以及實(shí)際的設(shè)計(jì)需求，可以對(duì)其中的屋頂、室內(nèi)臺(tái)階及斜坡等形體進(jìn)行不同高度差調(diào)整，使得建模更為符合設(shè)計(jì)者的理念。另外，在對(duì)內(nèi)部陳設(shè)進(jìn)行建模的過(guò)程中，DIALux軟件中也設(shè)有各類不同風(fēng)格、款式的家具供設(shè)計(jì)者自行選擇，使得該過(guò)程更為便捷。當(dāng)要對(duì)墻面、地面等物體的材質(zhì)和顏色等進(jìn)行建模時(shí)，不僅可以使用DIALux軟件內(nèi)已有的素材，還可以根據(jù)實(shí)際情況導(dǎo)入外部的圖片以使建模更為貼近設(shè)計(jì)。DIALux軟件能夠?qū)ㄖ锏娘L(fēng)格進(jìn)行自定義，設(shè)計(jì)者只要根據(jù)設(shè)計(jì)房屋的風(fēng)格進(jìn)行相應(yīng)模型的搭建，最終得到設(shè)計(jì)者想要的設(shè)計(jì)模型。

本項(xiàng)目在建模之前，對(duì)原有建筑現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了勘查，在對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)有一個(gè)全面了解的情況下，通過(guò)DIALux軟件采用自定義的方法，將屋頂、地面、墻體和材質(zhì)均設(shè)計(jì)成項(xiàng)目中材料的風(fēng)格和具體屬性，從而對(duì)室內(nèi)進(jìn)行了照明計(jì)算。在進(jìn)行照明計(jì)算過(guò)程中，采用的是國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）推薦的室內(nèi)照明計(jì)算法。計(jì)算步驟如下：首先，以建筑內(nèi)房間、燈具配光數(shù)據(jù)和燈具布置的實(shí)際情況，計(jì)算建筑頂棚、墻壁、工作面的光通量;然后，根據(jù)計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)計(jì)算照明設(shè)施的光通密度，從而得到室內(nèi)實(shí)際照度。詳細(xì)過(guò)程如下：

如圖1所示，光源S，作直線垂直于平面ABC并交平面ABC于O，則光通量FWp（直接）為：

FWp（直接）=GM1*FC1+GM2*FC2+GM3*FC3+GM4*FC4（1）

式中GM1、GM2、GM3、GM4稱為GM系數(shù)，表示的是矩形面邊長(zhǎng)X、Y和燈具懸掛高度H之比X/H、Y/H的函數(shù)，它的數(shù)表和計(jì)算式是可參考資料給出的。FC1、FC2、FC3、FC4稱為累計(jì)球帶光通量。圖2所示為燈具下半球面，按立體角分為四等分，通過(guò)各球帶射出的光通量自上而下順次名為F1、F2、F3、F4時(shí)，則

FC1=F1

FC2=F1+F2

FC3=F1+F2+F3

FC4=F1+F2+F3+F4=Fd（2）

另外，令垂直角為時(shí)，燈具的配光值I（θ）為：

I（θ）=q1+q2cosθ+q3cos2θ+q4cos3θ（3）

視（1）式為工作面上的直射光通量，近似等于（3）式的積分而導(dǎo)出的結(jié)果。因此，根據(jù)上式，q1、q2、q3、q4分別是FC1、FC2、FC3、FC4的函數(shù)。當(dāng)燈具數(shù)量為1臺(tái)時(shí)，計(jì)算（1）式的四項(xiàng)，即可得工作面的直射通量。當(dāng)存在有多臺(tái)燈具時(shí)的工作面直射光通量FWp（直接）等于各燈具直射光通量之和。

3 照明方案與節(jié)能設(shè)計(jì)

3.1 區(qū)域照度

對(duì)于建筑照明系統(tǒng)而言，由于不同的設(shè)計(jì)師對(duì)光與影以及建筑的理解不同，設(shè)計(jì)出來(lái)的風(fēng)格也多種多樣。為了使項(xiàng)目達(dá)到預(yù)期效果，需要不斷進(jìn)行溝通和交流，明確項(xiàng)目的主要目的，從而設(shè)計(jì)方制定出最終的施工方案。根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50034-2013，《LED室內(nèi)照明應(yīng)用技術(shù)要求》GB31831-2015以及項(xiàng)目要求確定各區(qū)域的照度，選擇適合的燈具配光[3]。根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察知，該項(xiàng)目一層是高大倉(cāng)庫(kù)，由于倉(cāng)庫(kù)高度比較高，倘若燈具安裝較低從而使得燈光的覆蓋范圍較小，區(qū)域照度小浪費(fèi)了燈光資源;倘若燈具安裝較高，雖然燈光范圍較大，然而亮度不佳。

因此對(duì)于區(qū)域照度的要求，需要合理布置燈光的高度?；谝陨峡紤]，決定在倉(cāng)庫(kù)處對(duì)燈具安裝高度設(shè)置為5米，設(shè)計(jì)照度為200lx。從節(jié)能方面出發(fā)，LED光源亮度佳，照明效果好，并且耗能低，決定倉(cāng)庫(kù)照明采用LED光源。由于之前倉(cāng)庫(kù)沒(méi)有用過(guò)LED光源，對(duì)于高大倉(cāng)庫(kù)照明一時(shí)找不到合適的產(chǎn)品參數(shù)，從而給項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)方案的制定造成了巨大的困難。通過(guò)對(duì)技術(shù)難題進(jìn)行深刻剖析，并與相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行及時(shí)的溝通與交流，最終決定通過(guò)查找資料參考《照明設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第三版）中的相關(guān)案例，選擇了RT405HB100W型燈具完成設(shè)計(jì)。采用該燈具，高大倉(cāng)庫(kù)的區(qū)域照度分布合理，避免了光源的浪費(fèi)，照明效果達(dá)到了最佳。

3.2 燈具甄選

對(duì)于燈具的選擇，應(yīng)根據(jù)燈具的使用環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)的施工條件，以及與周圍的協(xié)調(diào)性綜合進(jìn)行考慮。由于本項(xiàng)目所涉及的場(chǎng)所種類多，包括了辦公室、普通理化實(shí)驗(yàn)室、儀器分析室、潔凈室等多個(gè)區(qū)域，并且這些區(qū)域的工作環(huán)境復(fù)雜，需要的燈具也不盡相同。因此，在選擇燈具時(shí)要因地制宜，分別對(duì)待。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室區(qū)域，此處存放著多種試劑，倘若選擇燈具不當(dāng)可能會(huì)引發(fā)火災(zāi)，爆炸等事故，因此在選擇實(shí)驗(yàn)室的燈具過(guò)程中要格外的慎重。針對(duì)實(shí)驗(yàn)室這種具有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所，我國(guó)相關(guān)部門已對(duì)這些場(chǎng)所的燈具有相關(guān)的選擇標(biāo)準(zhǔn)，可以直接根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。因此，對(duì)實(shí)驗(yàn)室區(qū)域根據(jù)試劑種類以及《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力設(shè)裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50058-2014的要求，采用防爆燈具從電氣設(shè)計(jì)角度把危險(xiǎn)排除。對(duì)于辦公區(qū)域以及普通實(shí)驗(yàn)區(qū)域，根據(jù)吊頂樣式采用600*600規(guī)格嵌入式LED面板燈。這樣做的好處是一方面表現(xiàn)的整體布置美觀大方，另一方面又方便施工，縮短了工期。

對(duì)于潔凈區(qū)域，需要采用彩鋼板吊頂，考慮到采用嵌入式燈具需要對(duì)吊頂進(jìn)行切割，該過(guò)程既耗時(shí)耗料又可能造成密封不嚴(yán)，從而引起實(shí)驗(yàn)室潔凈度降低，故此次潔凈室燈具采用吸頂式面板燈厚度13mm，避免了對(duì)吊頂大的破壞而且美觀方便施工?？紤]到工作場(chǎng)所要求潔凈，不集塵，并且易于擦拭，同時(shí)要控制燈光亮度避免工作人員出現(xiàn)眩暈的現(xiàn)象，決定對(duì)潔凈區(qū)域采用面板燈具。此外，潔凈室對(duì)環(huán)境清潔度要求較高，因此決定在潔凈室適當(dāng)添加紫外滅菌燈，紫外滅菌燈能夠?qū)諝庵屑?xì)菌達(dá)到99%的消毒率，對(duì)于紫外滅菌燈的安裝根據(jù)衛(wèi)生條件燈具安裝不超過(guò)2.7米的高度，對(duì)燈具功率的選擇是參考《照明設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第三版）進(jìn)行確定。

3.3 KNX總線智能控制系統(tǒng)應(yīng)用

3.3.1 EIB控制系統(tǒng)

對(duì)于控制系統(tǒng)，采用的是西門子二線制、總線型完全分布式智能控制的EIB控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能齊全，因此用途也較為廣泛，不僅能夠應(yīng)用于日常的照明、遮陽(yáng)系統(tǒng)等，并且連消防、安保等系統(tǒng)中的聯(lián)動(dòng)控制也能實(shí)現(xiàn)。EIB控制系統(tǒng)中所有單元器件（除電源外），在其內(nèi)部都配置了微型處理器和存儲(chǔ)單元，通過(guò)雙絞線的形式來(lái)構(gòu)建整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在運(yùn)行過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)獨(dú)立單元的控制，則要對(duì)各個(gè)單元設(shè)置相對(duì)應(yīng)的物理地址以及特定功能，并通過(guò)輸出單元的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同回路的控制。輸入單元之間的聯(lián)系是靠組地址和輸出組建立起來(lái)的。具體過(guò)程為，在進(jìn)行輸入操作時(shí)，輸入信號(hào)會(huì)被輸入單元轉(zhuǎn)變?yōu)镋IB總線信號(hào)，利用此原理，實(shí)現(xiàn)EIB系統(tǒng)總線上廣播，就使得所有輸出單元都能夠及時(shí)地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收并據(jù)此作出相應(yīng)判斷，從而能夠起到控制相應(yīng)回路輸出的作用。

3.3.2 時(shí)間表控制

對(duì)于大型建筑中，有的地方需要在固定時(shí)間進(jìn)行開燈或關(guān)燈，如果開燈太早或關(guān)燈時(shí)間太晚都將會(huì)導(dǎo)致電能的浪費(fèi)，若使用人力操作控制開關(guān)，對(duì)工作人員每天都進(jìn)行操作就會(huì)增加他們的勞動(dòng)強(qiáng)度。為此，決定采用網(wǎng)絡(luò)對(duì)開關(guān)進(jìn)行控制。對(duì)于一些固定時(shí)間燈具需要開關(guān)的場(chǎng)所，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的開關(guān)時(shí)間就能實(shí)現(xiàn)場(chǎng)所的燈具的亮滅。對(duì)于項(xiàng)目的會(huì)議室在此就采用這樣的控制，該種控制策略被稱之為可預(yù)知時(shí)間表策略控制。據(jù)有關(guān)權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)，采用該控制方案，可以節(jié)約10%～50的能源。并且該時(shí)間表控制策略還可以對(duì)節(jié)假日、雙休日進(jìn)行時(shí)間的設(shè)定。為盡可能地節(jié)約能源，同時(shí)又要兼顧建筑內(nèi)亮度，則可通過(guò)光度傳感器來(lái)實(shí)時(shí)掌握室內(nèi)照度的情況，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)室內(nèi)照度達(dá)到300lx時(shí)即能夠滿足正常的照明需求，因此將臨界值設(shè)為300lx，并設(shè)定當(dāng)檢測(cè)到的照度小于此值時(shí)，時(shí)間表才開始運(yùn)行，就能夠更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目的。

3.3.3 紅外移動(dòng)檢測(cè)

針對(duì)每天能夠預(yù)測(cè)的固定時(shí)間燈具進(jìn)行工作，適合可預(yù)知時(shí)間表控制，但是對(duì)于那些經(jīng)常變化的場(chǎng)所，由于人員流動(dòng)性強(qiáng)，用燈沒(méi)有固定的時(shí)間，這就不能再使用時(shí)間表控制了。針對(duì)這樣的情況，決定采用紅外移動(dòng)檢測(cè)策略控制。紅外移動(dòng)檢測(cè)控制是采用紅外移動(dòng)探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，一旦檢測(cè)到有人進(jìn)入檢測(cè)場(chǎng)所，此時(shí)發(fā)出開燈命令。該檢測(cè)器通常安裝在場(chǎng)所大門的頂上，當(dāng)有人進(jìn)入場(chǎng)所時(shí)，就能及時(shí)檢測(cè)到。燈具工作一段時(shí)間后，由于后臺(tái)對(duì)燈具具有定時(shí)功能，達(dá)到一定時(shí)間間隔后燈具會(huì)自動(dòng)熄滅，避免了燈具長(zhǎng)時(shí)間工作產(chǎn)生能源浪費(fèi)。為了避免光源充足時(shí)開燈導(dǎo)致電能的浪費(fèi)，該控制室同樣采用了光度傳感器，當(dāng)室內(nèi)照度小于一定照度值時(shí)室內(nèi)燈具才能自動(dòng)打開照明。

3.3.4 恒照度控制

光環(huán)境的照明一般是依據(jù)燈具的最小光亮來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，通常情況下，最初投入使用的燈具光通量會(huì)比最小光通量大20%～50%。光通量是指按照國(guó)際規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)人眼視覺(jué)特性評(píng)價(jià)的輻射通量的導(dǎo)出量，以符號(hào)Φ（或Φr）表示。光通量與輻射通量的關(guān)系為：

φ=Km？蘩V（λ）φeλdλ

式中Km為光譜光視效能的最大值，等于683lm/W;V（λ）為國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)光譜光視效率函數(shù);Φeλ為輻射通量的光譜密集度。光通量的單位是lm（流明）;λ為光譜光視效率。1lm等于由一個(gè)具有1cd（坎德拉）均勻的發(fā)光強(qiáng)度的點(diǎn)光源在1sr（球面度）單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量，即1lm=1cd·sr。

所以，在建筑中需要采用對(duì)光通量進(jìn)行維持的控制形式，并且通過(guò)減少電能輸入的措施，使得燈具在工作時(shí)處在最小光通量的環(huán)境。但是由于要對(duì)光通量進(jìn)行測(cè)量的操作過(guò)程難度大，為實(shí)現(xiàn)此目的，可以采用亮度傳感器的恒照度策略來(lái)簡(jiǎn)化該過(guò)程。針對(duì)于此，當(dāng)燈具處于靠近外部光源較為充足的環(huán)境時(shí)，通過(guò)與事先設(shè)定的最低光照水平指數(shù)進(jìn)行比較，就可以將燈具的亮度進(jìn)行一定程度的降低，甚至將燈具關(guān)閉。

4 結(jié)論

本文以某節(jié)能項(xiàng)目為例，闡述了照明設(shè)計(jì)軟件DIALux的建模與照明計(jì)算;通過(guò)對(duì)項(xiàng)目照明系統(tǒng)的全面了解，決定從時(shí)間表控制策略、紅外移動(dòng)檢測(cè)策略和恒照度控制策略對(duì)項(xiàng)目照明系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制，從而避免了照明系統(tǒng)的電能浪費(fèi)。

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