城市建筑夜景照明的電氣節(jié)能設(shè)計(jì)

王凱

摘要：現(xiàn)階段，隨著人們的節(jié)能環(huán)保意識逐漸提升，在社會發(fā)展的各個方面都體現(xiàn)出節(jié)能減排和降本增效的理念。在城市建設(shè)發(fā)展過程中，建筑夜景照明的電氣節(jié)能設(shè)計(jì)逐漸受到工程設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。因此，本文主要從燈具及開關(guān)電源的選擇、燈具照明功能密度值、照明控制方式、電能計(jì)量方式、配電箱位置等角度探究城市建筑夜景照明的電氣節(jié)能設(shè)計(jì)，以供參考。

關(guān)鍵詞：城市建筑;夜景照明;照明電氣;節(jié)能設(shè)計(jì)

Abstract： At this stage， with the gradual improvement of people's awareness of energy conservation and environmental protection， the concept of energy conservation and emission reduction and cost reduction and efficiency increase is reflected in all aspects of social development. In the process of urban construction and development， the electrical energy-saving design of building nightscape lighting has gradually attracted the attention of engineering designers. Therefore， this paper mainly from the selection of lamps and switching power supply， lighting function density value， lighting control mode， electric energy metering mode， distribution box position and other angles to explore the electrical energy-saving design of urban building nightscape lighting， for reference.

Key words： urban architecture; nightscape lighting; lighting electricity; energy saving design

引言

在社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的驅(qū)動下，我國城市化發(fā)展進(jìn)程逐漸加快，再加上新技術(shù)和新工藝的產(chǎn)生，城市名片也呈現(xiàn)出多樣化的趨勢。在城市建設(shè)中，建筑夜景成為一個城市容貌的象征，對人們的日常生活和夜間經(jīng)濟(jì)都起到重要的作用。在建筑夜景照明建設(shè)中強(qiáng)調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)措施，從節(jié)省投資、低碳運(yùn)維角度入手，滿足時代發(fā)展需求的同時，還能避免資源浪費(fèi)。

一、燈具和開關(guān)電源的選擇

城市建筑夜景照明的燈具，通常會根據(jù)建筑物的外形特征與城市的人文風(fēng)貌，來選擇照明手法和燈具類型，目前一般采用光效高的LED燈具。城市建筑夜景照明采用的燈具一般為地面投光燈和建筑外輪廓燈，地面投光燈一般為Ⅰ類燈具，采用基本絕緣和保護(hù)接地等方式。DC 24V燈具屬于Ⅲ類燈具，防觸電保護(hù)采用安全特低電壓。對于人手可觸摸的場所，除了采用安全特低電壓供電的同時，還應(yīng)增加防觸電和防燙傷等保護(hù)措施。

對于照度標(biāo)準(zhǔn)選擇而言，由于燈具種類較多，照明手法和被照面材質(zhì)都存在一定的差異，因此在照明項(xiàng)目實(shí)施過程中應(yīng)進(jìn)行全過程的管控。例如，某城市開展的夜景照明項(xiàng)目，在照明規(guī)劃和設(shè)計(jì)過程中，就首先結(jié)合上位規(guī)劃，對照明設(shè)備的利用效率進(jìn)行計(jì)算。

其中E為該區(qū)域的平均照度，Φ為光源光通量，N為光源數(shù)量，U為利用系數(shù)，A為被照面面積，K為燈具的利用系數(shù)。

除了采用利用系數(shù)法，對于復(fù)雜的照明場所，還可以使用Dialux等專業(yè)軟件進(jìn)行照度計(jì)算，并結(jié)合電氣節(jié)能設(shè)計(jì)要求，選擇合適的照明設(shè)備。

另外，燈具開關(guān)電源的選擇也很重要。開關(guān)電源自身具備一定的電氣特性，內(nèi)部元器件采用DC供電方式，考慮到波形畸變及諧波干擾等因素，為了減小諧波電流、降低配電系統(tǒng)損耗、提高電網(wǎng)質(zhì)量，應(yīng)優(yōu)先選擇帶有PFC（Power Factor Correction，功率因素校正）的開關(guān)電源，校正后的功率因數(shù)不應(yīng)小于0.9，且電源自身應(yīng)具備短路、過載、過壓、過溫等保護(hù)功能。

二、照明功能密度

城市夜景照明的目的不僅要保證城市居民夜間能夠安全出行，視覺舒適，而且還要滿足能源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)等要求。對于照明燈具而言，節(jié)能的關(guān)鍵指標(biāo)在于功率密度值（LPD），立面照明LPD主要是根據(jù)某一立面上的燈具總功率和立面面積的比值進(jìn)行計(jì)算;并不是所有的建筑都采用立面照明方式，例如天然暗區(qū)域環(huán)境中，不建議采用大面積照明;假如玻璃幕墻和外立面的透光面積較大、外墻被照射的反射比小于0.2的建筑，可以優(yōu)先采用內(nèi)透光的照明方式。對于民用建筑的立面照明對應(yīng)的照度和LPD限值，可參照表1內(nèi)容。

在對燈具進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)的過程中，除了嚴(yán)格控制功率密度值以外，某些特殊場所還可以考慮節(jié)能型燈具的選用，比如小型太陽能燈具、風(fēng)光互補(bǔ)燈具、可再生能源供電燈具等等。

三、合理選擇照明控制方式

一般建筑夜景照明的LED調(diào)光控制流程為總控中心—主控器—分控器—燈具，總控中心與載體的主控器之間的通訊鏈路，一般通過無線和有線兩種方式連接，前者針對建筑分散性較大的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，后者針對大體量的建筑群體，抗干擾要求較高，需要信號同步穩(wěn)定傳輸?shù)那闆r進(jìn)行設(shè)計(jì)。

按照控制對象的分類，照明控制系統(tǒng)還可以分為強(qiáng)電控制和弱電控制;前者在于配電回路控制，可以通過智能控制模塊、遙控制模塊、定時器、接觸器等元器件，對配電回路進(jìn)行通斷控制，以實(shí)現(xiàn)平日、節(jié)日、重大節(jié)日等模式的切換，減少開燈時間，降低能耗，進(jìn)而保證燈具的使用壽命;并可以將電能計(jì)量、回路電流、故障報警等電氣運(yùn)行參數(shù)，實(shí)時傳遞給總控中心。后者重點(diǎn)在于燈具調(diào)光控制，通過DMX512、DALI、可控硅、1-10VDC等多種控制方式，對燈具的亮度及色彩進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制;其中DMX512控制協(xié)議使用的最為普遍，可以實(shí)現(xiàn)256級的灰度變化，超越了傳統(tǒng)的模擬調(diào)光系統(tǒng)，給照明行業(yè)帶來豐富多彩的照明效果。

從聯(lián)動方式上，強(qiáng)電控制又分為手動和自動兩種控制方式。其中手動控制主要是依靠電氣的二次回路元器件來實(shí)現(xiàn)，包括直連智能模塊的手動控制按鈕和接觸器控制兩種模式;第一種不需要其它元器件，照明負(fù)載直接接至智能模塊，適用于較小的單相照明負(fù)載，第二種是在配電箱中安裝交流接觸器、繼電器、控制按鈕等，適用于各種單相、三相的大型負(fù)載控制。自動控制主要是對城市建筑夜間照明區(qū)域需要控制的內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)合理的組合，應(yīng)用現(xiàn)代化軟件和硬件設(shè)備，連接計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)等，對整個城市建筑夜景照明系統(tǒng)進(jìn)行遙控操作，能夠?qū)崿F(xiàn)照明定時開關(guān)、場景變化等，不需要人為手動控制，該控制方式適用于所有建構(gòu)筑物以及對照明管理有遠(yuǎn)程控制需要的建筑中。自動控制是智慧城市建筑發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，也是目前應(yīng)用頻率最高的控制方式，通過具有獨(dú)立性的系統(tǒng)，對燈光系統(tǒng)的各類參數(shù)實(shí)施檢測，并根據(jù)燈光組合場景變化和照度進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，還可以根據(jù)不同時間段、季節(jié)光照度實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)節(jié)，提升城市夜景照明的觀賞價值，還能實(shí)現(xiàn)電氣節(jié)能。同時利用自動控制技術(shù)的信息化特點(diǎn)，自動檢查設(shè)備故障，并將故障報警信號反饋總控中心，該方式一般適用于地標(biāo)型建筑或區(qū)域性建筑群照明。

四、優(yōu)化電能計(jì)量方式

電能計(jì)量方式是否具有準(zhǔn)確性，將對電力供應(yīng)方和用戶的經(jīng)濟(jì)效益造成影響。因此，針對城市建筑夜景照明來說，需要在建筑內(nèi)部設(shè)置電能計(jì)量信息化管理系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電力計(jì)量結(jié)果整合和打印，而且該系統(tǒng)還具備維護(hù)功能，用戶能夠?qū)ο到y(tǒng)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析等等操作。同時，系統(tǒng)還具備燈具分區(qū)、分組的報表統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)查詢等功能，計(jì)量工作人員能夠通云端實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)信息查詢，具有方便、快捷性。另外，還能對電能表實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，也就是對電能計(jì)量管理的信息系統(tǒng)設(shè)施操作權(quán)限，方便用戶進(jìn)行管理和操作。

五、優(yōu)化配電箱位置

對于城市建筑夜景照明電氣節(jié)能設(shè)計(jì)來說，供配電系統(tǒng)是其中一個非常重要的環(huán)節(jié)。在夜景照明項(xiàng)目的實(shí)施過程中，為了保證配電設(shè)計(jì)的效果，減少線路阻抗，才能盡量降低電能損耗。因此，在夜景照明配電時需要科學(xué)合理的選擇配電箱的位置，減低線路阻抗，可以選擇以下手段：第一，考慮線路阻抗和導(dǎo)線截面積之間存在的負(fù)相關(guān)關(guān)系，假如供電距離較長，需要考慮到保護(hù)靈敏度，適當(dāng)提升導(dǎo)線截流量。第二，考慮線路阻抗和導(dǎo)線電阻率之間存在的正相關(guān)關(guān)系，盡可能選擇截面積較大、電阻率小的導(dǎo)線，避免線路壓降對供電造成的影響。第三，在對線路阻抗進(jìn)行控制時，還需要考慮導(dǎo)線的長度，線路阻抗和導(dǎo)線長度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，可以對導(dǎo)線供電距離進(jìn)行適當(dāng)縮短，而且在配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時避免出現(xiàn)電路回供情況。

在選擇照明配電箱的最優(yōu)安裝位置時，應(yīng)優(yōu)先采用負(fù)荷矩算法，可根據(jù)下式

計(jì)算出理想中的負(fù)荷中心坐標(biāo)，再根據(jù)現(xiàn)場安裝條件，確定最佳配電箱位置，以保證配電箱出線回路的整體負(fù)荷矩之和最小。

在對照明配電箱進(jìn)行電氣節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)劃時，首先應(yīng)計(jì)算照明負(fù)載及線路產(chǎn)生的電能損耗，確定最佳的敷設(shè)路由，而且還要對線路損耗實(shí)施集中管理和控制。由于線路自身存在電阻，會導(dǎo)致電流傳輸過程中出現(xiàn)電能損耗問題，可以利用進(jìn)行計(jì)算，其中為三相線路有功損耗（kW），為三相線路計(jì)算電流（A），為線路電阻（Ω）。對于單相照明回路，則可以用公式進(jìn)行計(jì)算，其中為單相負(fù)荷線路電壓損失百分比，P為有功功率，L為線路長度，C為cosφ=1時的計(jì)算系數(shù)，S為線芯標(biāo)稱界面。另外，為了對配電箱的位置進(jìn)行合理的劃分，需要監(jiān)督和管控線損能耗問題。例如，某城市夜景改造項(xiàng)目工程，由于其配電箱位置不合理，干線線路出現(xiàn)重復(fù)配置情況，增加施工成本的同時，也增加了線路損耗。因此，對其配電箱位置進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，根據(jù)線路損耗最低標(biāo)準(zhǔn)，，對線路阻抗值進(jìn)行計(jì)算，其中為導(dǎo)線截面積，為導(dǎo)線長度，為電阻率，設(shè)計(jì)人員結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀蟓h(huán)境和負(fù)載情況，選擇適當(dāng)截面的銅芯導(dǎo)線，使得供電距離最短，能夠有效實(shí)現(xiàn)電氣節(jié)能設(shè)計(jì)。

總結(jié)

總之，城市建筑夜景照明工程的建設(shè)，不僅能對城市景觀起到改善作用，將城市的風(fēng)貌和智能化水平呈現(xiàn)出來，還能為人們生活提供便利。將電氣節(jié)能設(shè)計(jì)理念融入到城市建筑夜景照明中，在一定程度上能夠響應(yīng)新時代低碳環(huán)保、節(jié)能減排的要求，緩解電力供應(yīng)壓力，促使城市經(jīng)濟(jì)增長和可持續(xù)發(fā)展。

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