校園智能照明控制系統(tǒng)的研究

蔣逸明 王一凡 龍 騰 陳 杰

中國建筑第二工程局有限公司西南分公司 重慶 400020

目前，我國絕大多數(shù)已建成的中小學(xué)校均采用傳統(tǒng)的照明控制方式，包括翹板開關(guān)控制、聲控開關(guān)控制和光控開關(guān)控制。這種控制方式接線簡單、施工方便、投入較少，但是存在電能消耗高、布線復(fù)雜、管理機(jī)械、操作不便、不節(jié)能等問題，比如綜合樓、教學(xué)樓區(qū)域，照明設(shè)施地理位置分散、數(shù)量眾多，采用傳統(tǒng)照明無法實現(xiàn)人走燈滅的要求，需采用智能控制方式。針對校園建筑的傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)存在的諸多不足之處，對學(xué)校體育館、禮堂、教學(xué)樓、圖書館、辦公樓等不同建筑單體采用與之匹配的智能照明控制方案，明確智能照明系統(tǒng)在校園各個建筑單體中的具體作用。一是協(xié)助學(xué)校降低電能的損耗，提高能效等級；二是方便管理和易于操作的智能照明控制系統(tǒng)，更適應(yīng)新時代校園智能化和節(jié)能化的新要求。

智能化技術(shù)已深入生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，智能照明的應(yīng)用范圍也越來越廣泛。智能照明控制系統(tǒng)已經(jīng)被各種類型的建筑所采用。新建中小學(xué)校均引入了智能照明控制系統(tǒng)，并取得了很好的效果[1-4]。首先，與傳統(tǒng)照明系統(tǒng)相比較，智能照明控制系統(tǒng)的綜合成本低，操作簡單，管理便利；其次，智能照明系統(tǒng)所具備的功能豐富多樣，可以隨意調(diào)控?zé)艟叩牧炼群忘c亮?xí)r間；最后，設(shè)置智能照明控制系統(tǒng)有效地減少了電能的消耗。

1 工程概況

某中學(xué)總建筑面積約8.3萬 m2，整個校區(qū)包含體育館、操場、禮堂、教學(xué)樓、實驗樓、綜合樓、行政樓、食堂、男女生宿舍、地下車庫、門衛(wèi)等單體。本項目智能照明系統(tǒng)的管控目標(biāo)是運(yùn)用先進(jìn)的智能照明控制技術(shù)，采用高效節(jié)能的燈具、控制元件，統(tǒng)一規(guī)劃管理校園照明系統(tǒng)，降低照明系統(tǒng)的能源損耗，降低校園的運(yùn)維成本。

2 智能照明控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

本項目中學(xué)照明系統(tǒng)智能控制方式裝設(shè)了一套智能照明控制系統(tǒng)，由上位監(jiān)控機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、智能照明配電終端、智能照明控制終端等構(gòu)成，組成了一個分層分布的控制網(wǎng)絡(luò)。工程智能照明控制系統(tǒng)選用法國施耐德公司C-Bus系統(tǒng)，主要功能有：場景控制功能，禮堂、匯報廳可運(yùn)用此功能；恒照度控制功能，辦公室和教學(xué)樓中靠近窗戶的燈具可根據(jù)天然光的情況自動開關(guān)；定時控制功能，可用于校園內(nèi)道路照明和建筑夜景泛光照明；就地手動控制功能；群組組合控制；應(yīng)急處理功能；遠(yuǎn)方控制功能等。

系統(tǒng)實施控制的就地設(shè)備主要是智能照明配電終端、智能照明控制終端（圖1）。

圖1 智能照明控制系統(tǒng)

2.1 智能照明配電終端

智能照明配電終端即將普通的照明配電箱改為采用動力及控制保護(hù)一體化智能開關(guān)的照明配電箱，一體化開關(guān)集成配電操作開關(guān)、電氣保護(hù)及通信功能，除了可就地操作外，還可接收通信網(wǎng)絡(luò)傳送的操作命令，從而實現(xiàn)各個照明電氣回路的就地控制及遠(yuǎn)程監(jiān)控，實現(xiàn)燈具的分區(qū)域開關(guān)?？刂茩?quán)限按照就地手動控制→遠(yuǎn)程自動控制→遠(yuǎn)程手動控制的優(yōu)先級順序?qū)嵤Ｍㄐ艆f(xié)議采用與配電系統(tǒng)協(xié)議一致的Mod Bus協(xié)議，與建筑供配電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接方便，可以在上位監(jiān)控機(jī)預(yù)設(shè)不同的工作模式。

2.2 智能照明控制終端

在照明配電箱與燈具之間安裝智能照明控制終端，由調(diào)光模塊、控制面板、輸出繼電器、照度動態(tài)檢測器及移動傳感器等單元構(gòu)成。根據(jù)需要采用輸出繼電器和調(diào)光模塊，輸出繼電器與智能照明配電箱實現(xiàn)供電回路的通斷，調(diào)光模塊可實現(xiàn)供電回路的功率控制（調(diào)光）或通斷。當(dāng)需要調(diào)光功能時，需要采用具有調(diào)光功能的燈具，兩者均有邏輯編程功能，可直接實現(xiàn)場景模式的設(shè)定。

調(diào)光模塊預(yù)設(shè)場景工作模式，根據(jù)各種傳感器監(jiān)測輸入對不同回路光源輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)光模塊利用電子感應(yīng)和電磁調(diào)壓技術(shù)對高效熒光燈及LED燈進(jìn)行調(diào)節(jié)，自由地調(diào)節(jié)照度大小，平滑地調(diào)節(jié)電路電壓和電流的幅值，進(jìn)而調(diào)整了光源的輸出，也可以在維持電壓的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)壓，通過限制過電壓及減少冷態(tài)沖擊電流提高燈具壽命，減小了照明回路中三相不平衡負(fù)荷所帶來的額外損耗，提高了照明系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低了燈具和照明供電回路的溫度。

智能照明終端支持智能建筑的C-Bus總線協(xié)議，與樓宇自動化系統(tǒng)高效融合，與建筑的安保、消防等連接成一個網(wǎng)絡(luò)?？刂平K端也支持紅外無線遙控。智能照明控制終端可實現(xiàn)預(yù)設(shè)場景工作模式的控制，實現(xiàn)照明效果隨人員移動控制，隨不同區(qū)域照度要求、自然采光情況控制，隨夜間工作、白天休息等不同時段場景模式控制。

2.3 學(xué)校智能照明控制系統(tǒng)構(gòu)成

學(xué)校不同區(qū)域的建筑物具有不同的運(yùn)行巡視要求及工作環(huán)境，智能照明配電終端與智能照明控制終端均可應(yīng)用于學(xué)校智能照明控制系統(tǒng)中。車庫、門衛(wèi)、管理用房等場所，運(yùn)行巡視安排相對固定且不屬于人員密集場所，環(huán)境較為惡劣，調(diào)光方式意義不大且需增加投資，因此采用智能照明配電箱終端的輸出繼電器構(gòu)成智能照明控制功能。在設(shè)計過程中，根據(jù)區(qū)域功能合理劃分照明箱配電回路覆蓋范圍。從簡化系統(tǒng)層級的角度考慮，采用智能照明配電終端，從與樓宇自動化系統(tǒng)融合角度考慮，采用智能照明控制終端。

對于綜合樓、實驗樓、教學(xué)樓等環(huán)境較好、人員流動性大的建筑單體，采用智能照明配電箱或智能照明終端的輸出繼電器構(gòu)成智能照明控制。在學(xué)校內(nèi)對照明控制水平要求較高的場所，采用了智能照明終端調(diào)光模塊，根據(jù)預(yù)設(shè)場景、移動傳感器及照度檢測器輸入等動態(tài)調(diào)節(jié)照明效果，實現(xiàn)豐富的工作場景模式控制。

2.4 學(xué)校智能照明控制系統(tǒng)可實現(xiàn)的功能

學(xué)校監(jiān)控室設(shè)置統(tǒng)一的照明監(jiān)控上位機(jī)對全校照明進(jìn)行控制管理。監(jiān)控系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、分組管理、用電管理、負(fù)荷分析、設(shè)備地理信息管理等功能。系統(tǒng)與安防系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、樓宇智能化系統(tǒng)等聯(lián)網(wǎng)，能實現(xiàn)如下實時監(jiān)控功能：自動巡測功能；數(shù)據(jù)采集功能；可視化監(jiān)測功能；控制中心可任意開關(guān)一組路燈或自定義群組路燈；按現(xiàn)場已制定好的時間計劃自動調(diào)節(jié)路燈開關(guān)，制定照明系統(tǒng)的控制策略；控制中心及時準(zhǔn)確地獲取故障燈具的位置信息。實現(xiàn)的設(shè)備管理功能有：資料維護(hù)、日常維護(hù)、故障查詢。智能照明控制系統(tǒng)還可以進(jìn)行亮燈率計算、用電管理、負(fù)荷分析，并生成分析曲線和報表。

3 學(xué)校各單體建筑智能照明控制系統(tǒng)

針對不同建筑單體對智能照明的需求，下文按學(xué)校建筑單體的分類，逐一介紹智能照明控制系統(tǒng)的具體設(shè)計方案及實施策略。

3.1 以開關(guān)控制為主的教學(xué)樓照明控制系統(tǒng)

學(xué)校教學(xué)樓的用電量占學(xué)校總用電量的比重較大，這是因為學(xué)生和老師活動的主要場所為教學(xué)樓，燈具數(shù)量安裝較多，教室的照度較一般房間高出很多。因此，教學(xué)樓的照明控制系統(tǒng)在校園智能照明控制總系統(tǒng)中占據(jù)相當(dāng)重要的地位。

教學(xué)樓照明一般采用翹板開關(guān)控制方式。學(xué)生在教室內(nèi)活動的時間相對固定，因此教學(xué)樓的燈具更適合統(tǒng)一管理。在教學(xué)樓內(nèi)設(shè)置智能照明控制系統(tǒng)后，根據(jù)教學(xué)時間段、人流量進(jìn)行系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)的設(shè)定，在固定的時間通過開關(guān)控制教室燈具的啟閉。在教室臨窗的一排座位上方可以設(shè)置光線傳感器，通過感知戶外的自然光線，經(jīng)光線傳感器系統(tǒng)分析處理，形成電信號，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)分區(qū)控制燈具的啟閉，調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)的亮度，實現(xiàn)自動控制的功能。教學(xué)樓一般均設(shè)置多媒體教室，通過多媒體技術(shù)的展示，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，多媒體教室內(nèi)的智能照明控制要求更加復(fù)雜，要求多媒體教室內(nèi)的燈具可以和電動窗簾、投影儀、幕布等設(shè)備進(jìn)行有效聯(lián)動，自由切換各種場景模式，達(dá)到多媒體教學(xué)要求。

3.2 以時鐘控制為主的圖書館照明控制系統(tǒng)

圖書館是學(xué)校建筑的重要組成部分，主要包括閱覽區(qū)、藏書區(qū)、自習(xí)室、計算機(jī)中心等。圖書館照明燈具數(shù)量多，場景復(fù)雜，智能照明控制系統(tǒng)可以為圖書館照明提供很好的解決方案。

為保證最佳的節(jié)能效果，圖書館采用時鐘控制的照明控制系統(tǒng)。圖書館開、閉館時間固定，人流量大的場所相對固定，通過方便智能的時鐘控制系統(tǒng)，可以使燈光隨時間律動，最大限度地降低管理成本和電能浪費。閱覽區(qū)對桌面垂直照度的穩(wěn)定性要求較高，通過采用光照度傳感器，利用自然光進(jìn)行照度補(bǔ)償，保證了閱覽室的恒定照度。通過自然光的補(bǔ)償有效地減少燈具的開啟時間，降低了照明系統(tǒng)的能源損耗。

圖書館配電箱內(nèi)的照明回路斷路器具有聯(lián)網(wǎng)控制功能，可以遠(yuǎn)程控制回路內(nèi)燈具的啟閉，根據(jù)課表的時間安排自動控制燈具的啟閉時間。在圖書館各層主出入口處安裝人流量統(tǒng)計裝置，對進(jìn)出的人員數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計。在夜間，閱覽區(qū)、自習(xí)區(qū)根據(jù)統(tǒng)計出的人流量，分片區(qū)地控制燈具啟閉，可以有效減少電能浪費。

3.3 以智能場景開關(guān)控制為主的行政樓照明控制系統(tǒng)

行政樓是學(xué)校行政辦公的主要場所，照明控制不同于教學(xué)樓和圖書館。智能照明控制系統(tǒng)以自動控制為主，不需要管理人員的大量參與。通過場景開關(guān)實現(xiàn)不同場景的燈光模式轉(zhuǎn)換。在會議室預(yù)設(shè)本地控制、無線控制、監(jiān)控室遠(yuǎn)程操控等多種控制方式，實現(xiàn)自由切換多種燈光場景的功能。行政樓內(nèi)光源種類多種多樣，在會議室內(nèi)使用調(diào)光、場景預(yù)設(shè)等技術(shù)，可以有效地實現(xiàn)溫馨型、專業(yè)型和舒適型等燈光場景間的無縫切換。行政樓的燈光控制與投影儀、電動窗簾、幕布等裝置有效聯(lián)動，自由切換各種場景模式。行政樓內(nèi)走廊、樓梯等公共通道處的燈具設(shè)定為定時開啟和關(guān)閉模式，在晚間定時關(guān)閉70%的燈具，同時啟動動靜探測器，在有人員進(jìn)入的情況下，適時地開啟部分燈具，滿足照明要求。

行政樓根據(jù)校方的要求劃分出若干個行政區(qū)域，選用不同的照明控制方式。會議室采用智能型開關(guān)面板，預(yù)設(shè)不同的場景模式，控制不同燈組的啟閉和不同場景的切換。行政區(qū)的燈具和電動窗簾、投影儀通過中央控制器相連，連接投影儀時，幕布自動放下，電動窗簾自動拉上，幕布附近的燈光自動調(diào)暗；會議結(jié)束，投影儀自動關(guān)閉，電動窗簾自動打開，燈光系統(tǒng)自動恢復(fù)正常亮度。

3.4 多種開關(guān)聯(lián)動的體育館和禮堂照明控制系統(tǒng)

學(xué)校的體育館和禮堂照明既要求照明亮度恒定，又要求兼顧觀眾席的視覺感受。體育比賽的不同，對體育館內(nèi)的照明也有不同要求；文藝晚會的差異，對禮堂的照明要求也多種多樣，舞臺和觀眾席的照明標(biāo)準(zhǔn)迥異，照明模式種類多、功能復(fù)雜。因此傳統(tǒng)的照明控制器件很難滿足要求，采用智能照明控制系統(tǒng)可以為體育館和禮堂的照明提供較好的解決方案。

首先，在智能照明控制主機(jī)中預(yù)設(shè)不同的場景，以確保場景間的自由切換。體育館、禮堂的照明控制回路多，布線復(fù)雜，主要控制方式為開關(guān)控制，輔助控制方式為調(diào)光控制。在體育館、禮堂內(nèi)設(shè)置多重?zé)艄饪刂颇Ｊ?，比如迎賓模式、候場模式、演出模式、清潔模式等。通過燈光效果的不同，營造出不同的場景氛圍，以滿足體育館、禮堂內(nèi)多種照明模式的要求。同時，設(shè)置自動、手動轉(zhuǎn)換開關(guān)，靈活使用多種照明控制方式，豐富了照明控制功能，提高了照明系統(tǒng)的管理效率和水平，顯著地提升了綠色節(jié)能的建筑品質(zhì)。

夜間體育館的使用頻率遠(yuǎn)低于教學(xué)區(qū)，照明控制的首要目標(biāo)不是節(jié)能，而是合理高效地控制體育館內(nèi)的燈具啟閉，根據(jù)師生的實際使用要求進(jìn)行控制。校園體育館一般采用深照型和斜照型燈具，每個燈具的功率大多在1 500 W以上，每個控制回路需要與燈光場景回路一一對應(yīng)，每回路燈具數(shù)量不宜過多，主要采用開關(guān)控制模式，主席臺等位置的燈光輔以調(diào)光控制模式，根據(jù)不同的比賽項目調(diào)整控制回路的組合。體育館和田徑場的晚間照明控制模式與圖書館類似，在主要出入口處安裝人流量統(tǒng)計裝置，統(tǒng)計進(jìn)入體育館的人數(shù)，根據(jù)人數(shù)的多少，分區(qū)域開啟照明燈具。工作日22：30后，通過背景廣播系統(tǒng)的播報，通知體育館內(nèi)的人員離開活動場所，15 min后自動關(guān)閉體育館內(nèi)的一般照明燈具。

3.5 時間控制器聯(lián)動的建筑物外泛光照明和地下車庫照明

建筑物外景觀泛光照明，燈具布置間距大，回路敷設(shè)距離長，燈具功率大，以開關(guān)控制為主，調(diào)光控制為輔。在景觀泛光照明配電箱內(nèi)裝設(shè)智能型斷路器，綜合考慮作息時間表和季節(jié)變化的情況，系統(tǒng)地控制景觀照明設(shè)備的啟閉，19：30開啟建筑泛光照明和綠化景觀照明，23：00關(guān)閉，次日00：00后僅開啟必要的通道照明。景觀和泛光照明的具體啟閉時間可根據(jù)季節(jié)變化進(jìn)行調(diào)整，亦可設(shè)定節(jié)假日模式，以區(qū)別常規(guī)的建筑物外泛光照明。

車庫智能照明控制系統(tǒng)同樣采用自動控制模式，通過開關(guān)、照度傳感器等模塊化的控制設(shè)備，實現(xiàn)不同場景模式的自動切換。地下車庫照明采用時間繼電器分時段控制燈具的啟閉數(shù)量，在上下班高峰時段，全部點亮地下車庫燈具；在工作時間維持車庫正常照明即可，僅需開啟33%的照明燈具；22：30后，車庫內(nèi)車流量很小，關(guān)閉所有車位照明，車道照明開啟10%即可，應(yīng)急指示照明保持常亮，有效地降低了電能損耗。除了通過時間繼電器自動控制車庫內(nèi)的燈具啟閉外，在車庫進(jìn)出口管理用房內(nèi)設(shè)置控制開關(guān)，以實現(xiàn)手動控制功能。車庫智能照明控制系統(tǒng)與智能監(jiān)控視頻系統(tǒng)、空調(diào)管理系統(tǒng)等校園智慧網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)動，實現(xiàn)數(shù)字化管理，通過設(shè)置紅外熱感應(yīng)器，檢測到人員移動或者進(jìn)入?yún)^(qū)域時，燈光自動開啟，2 min內(nèi)未識別到人員移動，則燈光自動關(guān)閉，提高了能源利用效率。

4 結(jié)語

校園建筑采用智能照明控制系統(tǒng)可以有效地降低電能損耗，提高校園的智能化水平。學(xué)校占地面積大，建筑種類多，在采用智能照明系統(tǒng)時，應(yīng)具體問題具體分析，因地制宜地制定智能照明控制方案，根據(jù)不同場所的用電需求，合理地選擇智能照明模式以達(dá)到最佳的照明效果、實現(xiàn)最佳的節(jié)能效果。