淺談醫(yī)院室內(nèi)照明配置的簡易計(jì)算方法

張羽翔，王蕾

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京中醫(yī)醫(yī)院總務(wù)處辦公室，北京 100010

今年是十三五的收官之年，隨著上級單位和部門對于醫(yī)院節(jié)能減排工作的常態(tài)化管理和大力支持，醫(yī)院在節(jié)能減排方面取得了顯著成效，一定程度上得益于對鍋爐、燃燒器、空調(diào)機(jī)等一些高能耗設(shè)備進(jìn)行淘汰、更新，實(shí)行設(shè)備節(jié)能改造，能源使用效率得到提高，能耗呈現(xiàn)逐年下降的趨勢。然而，隨著節(jié)能減排工作的推進(jìn)，想要繼續(xù)實(shí)現(xiàn)能耗下降，需要將節(jié)能工作重心轉(zhuǎn)移到日常管理上，例如在日常室內(nèi)裝修改造中，對使用頻率較高的照明設(shè)備實(shí)施改造。室內(nèi)照明設(shè)備作為主要能耗來源之一，其配置數(shù)量、照度等是否合理是被人們經(jīng)常探討的問題。通過利用系數(shù)法對室內(nèi)工作面的平均照度進(jìn)行計(jì)算，確定室內(nèi)照明設(shè)備是否滿足標(biāo)準(zhǔn)照度要求，從數(shù)量上是否處于最優(yōu)配置，為節(jié)能改造提供數(shù)據(jù)支持，從而更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能管理，落實(shí)節(jié)能減排工作。

1 醫(yī)療機(jī)構(gòu)室內(nèi)光照度要求和光源選擇原則

《照明設(shè)計(jì)手冊（第3 版）》中提到，病房走廊照明應(yīng)與兩側(cè)房間的照明相協(xié)調(diào)，使人們穿插在走廊和房間的時候不會感受到太大的照度差異，給人的視覺造成影響或者傷害；因此，病房走廊的照度不宜低于病房房間照度的 70%[1]。參照《照明設(shè)計(jì)手冊（第 3 版）》中的醫(yī)療建筑照明標(biāo)準(zhǔn)值和功率密度值見表1；U0為利用系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值；從表中可以看到，病房和走道照度標(biāo)準(zhǔn)值均為100 lx。

在光源選擇方面，一方面應(yīng)盡可能反映患者的真實(shí)膚色，另一方面也要滿足一定條件下治療的要求，一般光源色溫不宜超過4 000 K[2]。照明光源應(yīng)該選用節(jié)能高效、顯色性好、經(jīng)濟(jì)性好的光源，一般選擇T5 熒光燈管和LED 燈；選擇的燈具應(yīng)該帶有燈罩或者選擇一體式LED燈，采用吸頂或者嵌入式安裝工藝；燈具材質(zhì)和結(jié)構(gòu)應(yīng)便于更換燈源以及進(jìn)行清潔，方便后期維護(hù)和使用[3]。

表1 醫(yī)療建筑照明標(biāo)準(zhǔn)值和功率密度值

2 利用系數(shù)法

采用利用系數(shù)法計(jì)算病房的平均照度，這種方法適用于燈具均勻布置，墻面和天棚反射系數(shù)較高，且空間內(nèi)沒有大型設(shè)備遮擋的室內(nèi)一般照明，用這種方法計(jì)算得出的結(jié)果比較準(zhǔn)確。利用系數(shù)法計(jì)算平均照度的基本公式如式1.1 所示：

式中：Eav——工作面上的平均照度，lx；

Φ——光源光通量，lm；

N——光源數(shù)量；

U——利用系數(shù)；

A——工作面面積，m2；

K——燈具的維護(hù)系數(shù)。

燈具維護(hù)系數(shù)K 的具體數(shù)值見表2。

表2 不同場所照明燈具的維護(hù)系數(shù)值

2.1 空間系數(shù)

利用系數(shù)法將室內(nèi)空間分為3 個部分：室空間、頂棚空間、地板空間，為了表征空間特征，引入空間系數(shù)：室空間比、頂棚空間比、地板空間比。

室空間系數(shù)：

頂棚空間系數(shù)：

地板空間系數(shù)：

式中：l——室長，m；

b——室寬，m；

hr——室空間高度，m；

hc——頂棚空間高度，m；

hJ——地板空間高度，m。

室型指數(shù)用RI 表示，它與室空間比的關(guān)系如式1.5所示：

2.2 有效空間反射比和墻面平均反射比

頂棚空間中會有一部分光被吸收，一部分光經(jīng)過多次反射從燈具開口平面射出，為了使計(jì)算簡化，將頂棚空間視為位于燈具平面上，且具有有效反射比為ρc的假想平面。

地面空間放置家具、機(jī)器，光線也會被吸收、反射，也可以看成一個有效反射比為ρf 的假想平面。

有效空間反射比：

式中：As——頂棚（地板）空間內(nèi)所有表面的總面積，m2；

A0——頂棚（地板）平面面積，m2；

ρ——頂棚（地板）空間平均反射比。

墻面可以看成一個均勻的漫射表面，將門窗等情況綜合考慮，通過墻面平均反射比ρw來體現(xiàn)整個墻面的反射條件。房間內(nèi)頂棚、墻面、地面以及設(shè)備的表面反射比范圍見表3，不同裝飾下的房間表面的反射比近似值見表4，房間室內(nèi)裝修一些常見材料的反射比經(jīng)驗(yàn)數(shù)值見表5。

墻面平均反射比：

式中：Ai——第塊表面的面積，m2；

ρi——第塊表面的實(shí)際反射比。

表3 房間表面反射比

表4 房間表面的反射比近似值

表5 常見建筑材料的反射比

以北京市某三甲綜合性醫(yī)院（圖1）病房樓某病區(qū)走廊為例：建筑內(nèi)部硬件方面，走廊的長度為36.45 m，寬度為2.25 m，高度為2.5 m；走廊兩側(cè)共有16 扇淺色木質(zhì)門，門寬0.9 m，高2.1 m，墻裙高1.2 m；有效頂棚反射比為0.7[4]，地面反射比為0.3，經(jīng)過計(jì)算，墻面平均反射比為0.52；照明采用PAK160921 T5 格柵燈具，光源采用3 根T5 熒光燈管，每根功率為14 W、燈具光通量為2 732 lm，共有10 組格柵燈具；燈具利用系數(shù)見表6。

圖1 病房走廊實(shí)景圖

針對病房走廊的實(shí)際情況，計(jì)算走廊區(qū)域的平均照度。將走廊看作密閉房間，即室長l 為36.45 m，室寬b為2.25 m，室高 hr 為 2.5 m，由式 1.2 可知：

由式1.5 可知：

RI 數(shù)值為 0.85，介于 0.80 和 1.00 之間，有效頂棚反射比為0.7，有效墻面反射比為0.52，地面反射比為0.3，通過查表3 可知RI 數(shù)值為0.80 時，利用系數(shù)為0.49；當(dāng)RI 數(shù)值為1.00 時，利用系數(shù)為0.55；通過插值法可知當(dāng)RI 為 0.85 時，利用系數(shù)為 0.51。由式 1.1 可得：

由此可知，目前病房樓走廊的平均照度值約為136 lx，高于規(guī)范中規(guī)定的平均照度值100 lx；功率密度值LPD為5.12 W/m2，高于4.5 W/m2的標(biāo)準(zhǔn)值。這種情況一方面會造成眩光系數(shù)的增加，使患者和醫(yī)護(hù)人員在視覺上產(chǎn)生眩暈感，容易影響情緒[5]，使人感到不舒適；另一方面，功率密度值與平均照度值間接成正比關(guān)系，照度值過高勢必會使功率密度值過高，最終結(jié)果就是造成電能的浪費(fèi)。

按照規(guī)范中規(guī)定的平均照度值100 lx，計(jì)算病房走廊需要的燈具數(shù)量，同時滿足照明功率密度值LPD。由式1.1 可知：

由此可知，在走廊內(nèi)安裝8 組燈具，平均照度為108.73 lx，滿足100 lx 的平均照度值標(biāo)準(zhǔn)。忽略電子鎮(zhèn)流器功耗，照明功率密度值為：

表6 燈具利用系數(shù)

通過計(jì)算，照明功率密度值小于4.5 W/m2，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 DIALux evo 軟件仿真

使用DIALux evo 軟件對病房走廊進(jìn)行光照度仿真計(jì)算，通過搭建病房走廊模型，確定反射比、維護(hù)系數(shù)、燈具型號、工作面等參數(shù)，從而對病房走廊的照明分布情況進(jìn)行仿真，見圖2。

圖3 計(jì)算病房走廊地面的光照度參數(shù)

通過軟件仿真結(jié)果可以看到，病房走廊地面的平均照度值為127 lx，由于燈具配光曲線的特點(diǎn)，燈具正下方照度值較大，最大為218 lx，并且向周圍逐漸遞減；走廊地面邊緣鋪設(shè)了黑色地磚，所以邊緣的照度值較小，最小為1.55 lx；采取利用系數(shù)法計(jì)算得到的平均照度值與仿真數(shù)值相比，偏差率為16.51%，結(jié)果較為準(zhǔn)確，見圖3。

采取利用系數(shù)法可以方便的根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式快速計(jì)算室內(nèi)工作面的平均照度值，為照明節(jié)能改造提供數(shù)據(jù)支持。但這種方法也存在一定局限性，例如與采用專業(yè)照明設(shè)計(jì)軟件模擬仿真計(jì)算相比，計(jì)算結(jié)果會存在10%～20%的誤差；如此之外，利用系數(shù)大多采用理論值或預(yù)估值，目前LED 燈被廣泛地用于室內(nèi)照明，然而很多LED 燈的利用系數(shù)還不完善，查詢不到相關(guān)的詳細(xì)參數(shù)，只能預(yù)估一個大致的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，給計(jì)算結(jié)果帶來一定的偏差。

在后期改造的過程中，可根據(jù)病房的實(shí)際情況考慮對燈具數(shù)量重新進(jìn)行配置，或者在現(xiàn)有燈具數(shù)量不變的情況下，減少燈具中T5 燈管數(shù)量，從而確保室內(nèi)光環(huán)境舒適，降低功耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。