基于節(jié)能降耗的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)設(shè)計

羅鴻宇

（四川大學(xué)華西醫(yī)院，四川成都 610041）

隨著新時代的發(fā)展，我國照明技術(shù)從最傳統(tǒng)的蠟燭到電氣照明，經(jīng)歷了一段漫長的演變過程。目前醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)屬于一體化設(shè)計，對于24 h不間斷使用照明的建筑，能源消耗量巨大，且因為醫(yī)院的特殊性，要保證醫(yī)院建筑內(nèi)24 h 實時不間斷照明，但是醫(yī)院建筑內(nèi)有些空間不存在醫(yī)患人員時，不需要持續(xù)照明，傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)是整個系統(tǒng)同時照明，造成了大量不必要的能源損耗，能源的過量消耗對于環(huán)境以及人體都有很大的損傷[1-2]。

綜上所述，文中在降低照明系統(tǒng)能耗的基礎(chǔ)上，按照生態(tài)可持續(xù)發(fā)展理念，設(shè)計一款自動化節(jié)能的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)，系統(tǒng)可以根據(jù)醫(yī)院建筑內(nèi)人員的流動情況，降低能源的損耗。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于節(jié)能降耗的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 光感器設(shè)計

醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)硬件區(qū)域的光感器是節(jié)能降耗領(lǐng)域重要的器件之一，此器件的工作任務(wù)主要是檢測醫(yī)院建筑內(nèi)移動的人員，然后根據(jù)變化的時間點進(jìn)行合理強(qiáng)度的照明[3-4]。檢測器安裝在每棟建筑內(nèi)的每個樓層頂上，光感器會設(shè)定一定的照明時間，一旦照明時間達(dá)到，光感器提前2 s 進(jìn)行重新識別，如果還存在人員則持續(xù)照明，如果不存在立即熄滅，節(jié)省建筑的照明能源消耗。光感器的臨界光亮度為80 cd/m2，光感器的有效時間設(shè)定為300 s。光感器如圖2 所示。

圖2 光感器示意圖

該硬件系統(tǒng)設(shè)計的光感器采用UYHWJK-09 光感器，此光感器的測感有效距離為150 m，通道數(shù)量為5 個，其中兩個作為替補(bǔ)通道[5-6]。光感器的通信接口分別為LAN、RS485、RS222，為了使光感器的信息與系統(tǒng)的其他器件進(jìn)行連接，該文器件選擇的通信協(xié)議為TCP/IP協(xié)議。電源采用AC220 V/DC 24 V，光感器的每周期消耗為40 W，尺寸為580 mm×470 mm×130 mm。

1.2 控制器設(shè)計

對于醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)來說，精確地識別并執(zhí)行光感器和脈沖器發(fā)送的照明命令也是十分重要的，因此在系統(tǒng)的硬件區(qū)域設(shè)計一個控制器，完成系統(tǒng)照明的約束。為了達(dá)到預(yù)期效果，文中選擇EIB 控制系統(tǒng)，控制器主要由總線、控制閥、各種零件以及雙絞線組成?？偩€采用二進(jìn)制材料，該材料具備較高的靈敏度，對于任何強(qiáng)度的信號都可以識別并控制。此控制器的輸出模式采用繼電器和NPN晶體管的模式，供電電源為24 V，控制精度可以達(dá)到1.0 等級，為了降低各個器件之間工作的磨損，控制器的外殼采用不銹鋼材質(zhì)，工作功率為2 W，控制頻率為800 次/s，輸出的有效功率為25 W[7-8]，控制器電路圖如圖3 所示。

圖3 控制器電路圖

1.3 電動機(jī)設(shè)計

電動機(jī)是醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)動力驅(qū)動的重要器件，同時也是建筑照明系統(tǒng)能源消耗量最多的器件[9-11]。在保證電動機(jī)功能的基礎(chǔ)上，并降低電動機(jī)的能源消耗，該文選擇HDI-027 電動機(jī)，此電動機(jī)的優(yōu)勢在于輸出轉(zhuǎn)速，最高為450 r/s。

1.4 脈沖器設(shè)計

醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)硬件區(qū)域的脈沖器工作任務(wù)是將系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)的規(guī)則進(jìn)行脈沖輸出，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。脈沖器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 脈沖器結(jié)構(gòu)圖

該設(shè)計選用的脈沖器為YU-09XI系統(tǒng)的脈沖器，此器件的加熱方式為脈沖式加熱，熱壓精度為Pitch 0.14 mn。此脈沖器的脈寬為300 ps，延遲分辨率為10 ps，工作電阻為50 Ω，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定照明[12-14]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

常見的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)節(jié)能降耗措施是對光照度進(jìn)行控制、合理選擇變壓器的位置以及加強(qiáng)對可再生資源的利用。光照控制主要是控制電氣照明的光通量大小，光通量是一種評價正常人視覺亮度的輻射通量，單位為LM。

FTIR-7600傅里葉紅外光譜儀，大連依利特分析儀器有限公司；DJ型電動攪拌器，金壇市順華儀器有限公司；DZF-6020真空干燥箱、HH-S恒溫水浴裝置，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；80 mm布氏漏斗，天津市天玻玻璃儀器有限公司。

通過硬件各區(qū)域協(xié)作控制建筑電氣照明光通量，同時計算該光通量，達(dá)到規(guī)定數(shù)值后，就可以調(diào)用控制器，然后關(guān)閉照明開關(guān)，在需要時再開啟照明開關(guān)，降低醫(yī)院建筑電力照明系統(tǒng)的能源消耗[15-16]。

電力照明系統(tǒng)的發(fā)電動力來自發(fā)電站，為了降低系統(tǒng)的能源損耗，通過縮短變壓器與各個建筑照明系統(tǒng)的運輸距離，采用距離的中間點作為變壓器的位置，降低系統(tǒng)的能源消耗。可再生能源是目前節(jié)能降耗領(lǐng)域重點研究的項目，該文將可再生資源進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)化，降低照明系統(tǒng)的能源消耗。

醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)在照明過程中不僅僅需要確定照明的時間段，還需要確定建筑照明的空間范圍大小，因此需進(jìn)一步分析建筑的照明能源消耗量計算。

建筑空間受到門、窗、臺階、擺設(shè)等不同形體的影響，導(dǎo)致相同格局的空間需要照明量不同，所以不能根據(jù)一種照明程度完成所有建筑的照明，只有計算每個建筑需要照明的強(qiáng)度，然后相應(yīng)進(jìn)行光照照明，才既可以達(dá)到最佳照明效果，又可以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。計算建筑空間需要照明的強(qiáng)度大小，首先將建筑虛化為一個三維坐標(biāo)系，將建筑內(nèi)涉及的墻體、陳設(shè)材質(zhì)、風(fēng)格等具體屬性按照一定規(guī)則進(jìn)行轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一計算數(shù)據(jù)的形式，保證照明強(qiáng)度計算的合理性和科學(xué)性，具體計算如式（1）所示：

其中，fwp表示光通量；G1、G2和G3分別表示建筑內(nèi)各個角落與照明工具光源的距離；F表示建筑空間內(nèi)高度與燈具高度的比值；s表示建筑所占面積。

任何照明工具照明的光束都是以發(fā)散的方式呈現(xiàn)的，所以該文計算建筑空間的最低照明光照強(qiáng)度，將空間作為一個半球體，當(dāng)照明工具發(fā)散出的光與折射的光為直角時，空間的照明效率最高，照明強(qiáng)度最大，具體約束公式如式（2）所示：

其中，θ表示照明工具發(fā)散出的光與折射的光所呈現(xiàn)的角度；q1、q2、q3和q4分別表示建筑空間內(nèi)各個角落的位置點。

根據(jù)以上醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)硬件區(qū)域器件的性能和軟件區(qū)域的功能分析、建筑照明相關(guān)消耗量的計算，總結(jié)出基于節(jié)能降耗的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)的工作流程，如圖5所示。

3 實驗分析

通過以上的論述，完成基于節(jié)能降耗的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)的設(shè)計，為了檢驗此系統(tǒng)的功能性是否具有實用意義，文中進(jìn)行對比實驗加以驗證。

采用傳統(tǒng)的基于BIM 建模的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)和基于KNA 節(jié)能控制的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)完成對比實驗，保證實驗的公平性，避免實驗結(jié)果的偶然性。對比實驗的樣本采用四川省某軍區(qū)醫(yī)院的住院部進(jìn)行系統(tǒng)測試，為了保證此軍區(qū)醫(yī)院住院部的照明功能正常運轉(zhuǎn)，在實驗過程中，后臺會持續(xù)接入正常的照明系統(tǒng)，一旦實驗系統(tǒng)出現(xiàn)差錯，立即停止實驗，接入正常的建筑照明系統(tǒng)，降低影響。

采集醫(yī)院住院部房間內(nèi)影響照度的相關(guān)參數(shù)，將采集到的參數(shù)作為實驗樣本，具體實驗樣本值如表1 所示。

表1 影響照度的相關(guān)參數(shù)樣本值

因為無法保證每次測試階段內(nèi)照明使用的強(qiáng)度相同，因此每個系統(tǒng)在照明時，樓宇后臺依次接入一個有效的電氣監(jiān)測器，此監(jiān)測器監(jiān)測測試階段內(nèi)系統(tǒng)無效的照明數(shù)據(jù)，可作為對比實驗的對照數(shù)據(jù)。每次系統(tǒng)測試的照明時間為24 h，并且系統(tǒng)的測試順序為抽簽選取，當(dāng)3 種系統(tǒng)全部完成醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)測試后，統(tǒng)一計算對比系統(tǒng)的能源損耗情況，得出對比實驗的結(jié)論。能源損耗實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 能源損耗實驗結(jié)果

根據(jù)以上的實驗，得出24 h 內(nèi)3 種系統(tǒng)無效照明累計時間最長的是基于BIM 建模的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)，最短的是基于節(jié)能降耗的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)。3 種系統(tǒng)在規(guī)定時間內(nèi)能源消耗量最小的是基于KNA 節(jié)能控制的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)，能源消耗量最多的是基于BIM 建模的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)。3 種照明系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤照明的次數(shù)最多的是基于KNA 節(jié)能控制的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)，最少的是基于節(jié)能降耗的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)。根據(jù)這3組對比實驗的結(jié)論，權(quán)衡每個實驗結(jié)論的影響力，可以得出基于BIM 建模的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)不是最佳的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)。目前，我國對于醫(yī)院建筑照明系統(tǒng)的照明誤差率比消耗的能源量要求更為嚴(yán)格，所以權(quán)衡以上兩個因素的相關(guān)結(jié)論，基于節(jié)能降耗的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)是最佳的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)。

得到這一結(jié)果關(guān)鍵在于該文設(shè)計的醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)硬件區(qū)域的光感器和控制器對于醫(yī)院建筑內(nèi)的照明響應(yīng)靈敏度最高，在降低照明消耗量的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)有效間斷的建筑電氣照明。

4 結(jié)束語

根據(jù)醫(yī)院建筑需要照明的特點，在建筑電氣照明系統(tǒng)的硬件區(qū)域設(shè)計了光感器、控制器、電動機(jī)以及脈沖器，構(gòu)成一個完整的電氣照明光感識別架構(gòu)。然后列舉目前最有效的節(jié)能降耗措施，參照建筑照明的相關(guān)計算公式完善醫(yī)院建筑電氣照明系統(tǒng)軟件區(qū)域的設(shè)計，最終通過對比實驗分析表明，文中設(shè)計的系統(tǒng)具有降耗功能，可以持續(xù)投入應(yīng)用。