基于区域面积权重分配的舰船舱室照明设计

李 震，王明月，白继嵩

(1.哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工程大学水下智能机器人技术国防科技重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001)

引言

舰船作为海上的移动建筑对船员日常生活工作带来潜在的影响，舱室照明设计对于船员生理与心理的影响更是密切相关[1]。为在舱室照明设计中构建更加适于人的照明环境，国内外许多学者做了大量研究，制定了舰船照明设计标准用于指导不同区域的工作面照度[2-3]。

传统的舱室照明设计中对舱室工作面平均照度做出了明确的规范要求，但同一舱室内不同功能区域往往存在不同的照明需求，不同功能分区的平均照度理应存在一定差异。目前，针对舱室照明设计尚没有指导性的计算方法。

本文在某样板舱段会议室照明设计过程中，考虑到会议室在空间划分中存在用途差异，用单一工作面照度计算方法不能合理解决照明中的照度计算的问题，结合目前舱室照明设计中常用的流明法和比功率法，以室内不同区域面积作为分配权重，按照室内照明需要的总光通量与不同功能权重区域进行分配的方式进行重新分配，计算结果符合照明设计的初衷。

1 区域面积权重分配法照明设计

1.1 区域面积权重分配法原理

目前用于舱室工作面平均照度的方法主要有流明法[4]和简易估算法[5]，两种方法都从整体室内空间照明设计需求为出发点，但对室内区域照明计算没有有效的解决方法。区域面积权重分配法在确定的舱室空间照明设计布局前提下，通过不同照明功能分区的工作面平均照度需求，以不同照明功能分区的面积比作为权重可求得室内工作面整体平均照度，继而应用流明法求取整个室内空间的需求光通量，再依据不同照明区域面积权重对不同照明区域进行光通量分配，从而得到不同照明区域光通量的需求，为进一步确定不同照明区域灯具选型做出依据。

1.2 某舰样板舱照明设计理论分析

本文研究的方法是在确定了某舰样板舱的灯具数量、布置形式与室形尺度的基础上进行照明设计，为了保证室内最低平均照度满足标准中的要求的同时进行照明设计，本文在初步计算过程中选用流明法进行照度计算。

已知会议室长9750mm，宽为9150mm，高度为2300mm，天花板为白色，墙壁为浅米黄色，照明设计中确定了边安装射灯为17盏、座位区域安装方形蓬顶灯8盏、中心区域安装10盏筒灯5盏格栅灯管，灯具安装高度2180mm，照明电压为220V。根据流明法进行计算时应用式(1)，如下：

其中：F为单个灯具的最低光通量；E为要求达到的最低平均照度；S为舱室面积；K为照度补偿系数；η为利用系数；N为利用系数。

依据《舰船通用规范-038居住性》一章对水面舰船会议室工作面最低照度为E=225lx的要求进行会议室所需光通量计算[6](见表1)，根据式(1)可以计算出舱室面积、查出照度补偿系数、灯光利用系数，但是对于室内光通量的计算需要考虑室内灯具的数量。因为会议室采用筒灯、方形灯、格栅灯不同种类的照明灯具，即使按照室内灯具总数的基础上算出的光通量也无法计算出不同种类灯具应该发出的光通量大小，这带来的直接问题就是不能确定灯具的发光功率从而不能确定设备选型，这在工程应用中会产生实际问题。

表1 水面舰艇各类舱室或区域的一般照度要求Table 1 General illumination requirements on various types of surface ships’ cabins or areas

由于样板舱会议室具有会议中心区、主会议坐席区、列席会议区三个功能划分区域。针对这样的功能分区在照明设计中也进行了相应的考虑。会议中心区在会议桌正上方，布置有10盏筒灯，5盏格栅灯管，按照《办公室照明设计指导原则》对于会议桌的平均照度要达到500lx；列席会议区域由于在墙壁附近，布置有17盏筒灯，其工作面平均照度按照《舰船通用规范》中规定的225lx进行设计；主会议坐席区位于会议中心区和列席会议区之间，处于过渡区域，设计有方形篷顶灯8盏，考虑到空间照度的梯度变化，在照明设计过程中将其工作面平均照度设计为表2中要求的300lx。

表2 水面舰艇各类舱室或区域的清晰照度要求Table 2 Clear illumination requirements on various types of surface ships’ cabins or areas

本样板舱在照明设计中采用工作面平均照度从中心区域到边棚区域递减的设计方式，因而对灯具信息的计算需要重新考虑。因为三个区域内灯具虽然采用不同，但是相同区域内的灯具是完全一样的，即只需要知道该区域内需要的光通量就能够知道需要灯具的发光功率。

考虑到本舱室空间中存在三个照明分区，要想根据流明法计算空间整体光通量，需要知道空间内工作面要求达到的最低平均照度。在问题的求解过程中我们应用权重求平均值的方法，将三个照明区域的面积作为权重分配系数，从而获得最低平均照度。其室内照明区域分布图如图1所示。

S1:列席会议区；S2主会议坐席区；S3会议中心区

S1区域平均照度为225lx，面积为29.7m2；S2区域平均照度为300lx，面积为45.2m2；S3区域平均照度为500lx，面积为14.3m2。应用式(2)可以求得室内最低平均照度，如下：

(2)

其中：E为要求达到的最低平均照度；Si为不同照明功能区面积；Ei为不同照明区最低平均照度。

1.3 舱室内照明系统的全局光通量计算

由式(2)计算出室内工作面最低平均照度后按照流明法公式可以计算出舱室照明系统需要的全局光通量如下：

(3)

其中：Ф为室内全局光通量；E为要求达到的最低平均照度；S为舱室面积；K为照度补偿系数；η为利用系数。

由室内信息可以获得S=89.2m2；由式(2)知E=307.1lx；查表可得K=1.3，η=0.43，经过计算室内照明系统需要的全局光通量Ф=82817lm。

1.4 单个灯具所需光通量及灯具型号的确定

由式(3)确定室内需要的全局光通量后，三个不同照明区域需要的光通量可以按照各自占有的照明面积进行分配，应用式(4)得到每一区域所需光通量：

(4)

其中：Фi为不同照明区域光通量；Ф为室内全局光通量；Si为不同照明功能区面积。

由式(4)可以计算出Ф1=27 574lm；Ф2=419 66lm；Ф3=13 277lm。S1区域中有17盏筒灯，每盏灯应提供的光通量为1622lm；S2区域中有8盏方形篷顶灯，每盏灯应提供的光通量为5246lm；S3区域中有10盏筒灯、5盏荧光灯管，按照最优匹配原则，选用筒灯光通量为600lm、荧光灯管的光通量为1543lm较为合理。在确定单个灯具光通量后，结合灯具市场信息，确定S1区域17盏筒灯选用YH30RN 30W 1650lm的环形荧光灯；S2区域中有8盏方形灯选用 YH40RN 40W 5400lm的环形荧光灯；S3区域10盏筒灯选用YH20RR 20W 800lm的环形荧光灯、5荧光灯管灯选用 YZ30RR 30W 1580lm的直管形荧光灯。

1.5 某舰样板舱室内照度分布数值分析

在DIALux中输入房间的尺寸信息，对顶棚、壁面和地板按照会议室设计方案色彩进行匹配设定，工作面为780mm，灯具位置按照CAD设计图严格匹配，将1.3节中得到的灯具信息结果进行输入，计算得到舱室照度分布的等照度曲线图与照度数值分布图如图2、图3所示。

图3 照度数值分布图Fig.3 Illuminance value distribution

通过DIALux对舱室整体照度与局部采样点照度的计算后，可以得到舱室内照度信息汇总表，如表3所示。

表3 舱室内照度信息汇总表(单位：lx)Table 3 Summary table of cabin illumination information(Unit:lx)

由表3计算结果可以看出：平均照度达到标准中要求的初始照度设计要求，设计误差在±10%之内认为是允许误差；最小照度是在墙边产生，对整个室内照明没有影响；最小照度/平均照度为0.5，符合照度均匀度的设计要求，即室内不会产生明显的暗区让人产生不适[7]。

1.6 某舰样板舱室内照度分布实验分析

(1)某舰样板舱的基本几何尺度与灯具布置信息如图4所示。

图4 某样板舱的几何尺度与灯具布置信息Fig.4 Template cabin’s space geometry and lighting layout information

(2)某舰样板舱照度测试结果

应用上文计算方法得到的照明灯具选用结果，本文利用便携式照度计对某舰样板舱工作平面进行平均照度测试，按照图4中坐标方式进行定位，对舱室中典型的9个位置进行工作面平均照度进行测量。测量过程中将安装灯具全部开启，舱室没有窗户，没有外部照明，得到的结果如表4所示。

照度计测量结果与图3的计算结果对比可以看出，照度计测量结果略高于计算结果，这是由于舱室内灯具是新安装的，其发光效能还没进行衰减，属于合理范围。对称位置的照度测量值相当，因为灯具布置在照明设计过程中选择了对称设计的方式，其结果也属合理。从照度计的测量结果证明了本文选择的方法具对于室内不同照明区域的光通量分配具有有效性。

表4 照度计对样板舱工作面平均照度测量汇总表 Table 4 Summary table of cabin’s working face average illuminance which is measured by illuminometer

2 结论

本文通过对船舶舱室照明问题的研究，得到适于舱室工作面平均照度满足舰船照明设计相关标准前提下的照明设计方法。该方法应用区域面积作为权重分配室内光通量从而得到不同照明功能区域照明信息的同时，能够根据不同照度要求区域的灯光布置继而确定灯具的功率及选型信息。本方法通过成熟的照明计算软件验证后证明计算方法合理有效，并应用本方法在某船样板舱的建造过程中进行照明灯光设计，通过应用照度计对设计后的室内布光进行测量，得到结果满足设计初衷，再次证明该方法的有效性。

[1] 王近中，唐志文，梁振福，等. 舰艇舱室环境因素对人体影响的研究(二)—舰船装备的人体测量及作业域布局[C].第三届全国人-机-环境系统工程学术会议，1997：183-186.

[2] ABS.Guide for crew habitability on offshore installations.New York：American Bureau of Shipping，2002：1-122.

[3] DEF STAN 00-25 PART-6.Human factors for designers of equipment，part-6，Vision and lighting.UK Defense Standardization，1997：1-88.

[4] CB/T3485-93.船舶舱室照度计算与测量方法[S].中国船舶工业总局，1994：1-20.

[5] GB/T13379-92.视觉工效学原则-室内工作系统照明[S].国家技术监督局，1992：1-10.

[6] GJB4000-2000.舰船通用规范[S].总装备部军兵种部海军局，2000：1-300.

[7] 周太明，宋贤杰等.高效照明系统设计指南[M].上海：复旦大学出版社，2004：220-260.