书架照明的节能优化设计研究

李　媛，王书晓，罗　涛

(中国建筑科学研究院，北京　100013)



书架照明的节能优化设计研究

李媛，王书晓，罗涛

(中国建筑科学研究院，北京100013)

摘要：图书馆建筑书架照明不仅要满足《建筑照明设计标准》GB 50034—2013对照明数量、质量的要求，还应实现设计节能。本文选取7款不同的灯具配光应用在典型行道宽度的书架照明中，通过模拟计算比较研究了不同行道宽度时灯具配光的三个指标——光束角θ、光强比Imax/I30、区域光通比η4,5,6与光通利用率U的关系，最终提出书架照明节能优化设计时灯具配光选型的建议，以及灯具光通量参考值和书架垂直面照明功率密度参考值。

关键词：设计节能；光通利用率；灯具配光；书架照明；LED 平面灯具

引言

根据2012年统计数据，我国共有县级以上公共图书馆3076个，高校系统图书馆1100多个，科研专业图书馆8000多个，其中公共图书馆有85%建于1995年以前[1]，建设年代久，照明设施陈旧，光环境质量下降,照明能耗过高。在这些大型公共图书馆中，藏书区使用面积比例占30～35%[2]，且照明安装功率通常很大，蕴藏着较大的节能潜力。据相关研究[3]测量与调查结果可知，书库照明能耗过高，基本书库LPD范围为9～36W/m2，辅助书库LPD范围为8～37 W/m2。主要原因有：技术落后、光源光效低(光源多采用卤粉T8荧光灯)；垂直面照度远远超出了国家标准；布灯方式未考虑书架排列，光通利用率低；采用的灯具配光选型不合理。在确定合理的照明数量质量标准并且采用能效更高的灯具的前提下，光通利用率越高，LPD 越低，节能效果越好。一方面布灯方式和灯具配光是直接影响照明系统光通利用率(利用系数)的因素。另一方面光通利用率与室形指数密切相关，书架照明反映室形指数的指标是书架间行道宽度，这不仅直接关系到书库的LPD(行道窄LPD高)，而且与不同灯具配光组合还会影响书架垂直面的照度和均匀度。

另一方面，半导体照明技术在颜色科学、光学、能效、调光、数字控制几个技术层面的突破促进了LED灯在室内照明应用领域的不断发展，结合LED照明产品特征，实现照明设计的创新是今后的发展趋势。LED灯具和传统灯具在配光设计上存在区别，因此有必要对各种在主流光源为荧光灯的技术背景下提出设计方法重新进行审视。

本文选取7种不同配光的LED平面灯应用于几种典型行道宽度的书架照明，通过模拟计算，分析讨论了灯具配光与照明数量、质量、光通利用率的关系，最终提出灯具配光选型技术要求、提出灯具光通量参考值；提出书架照明功率密度参考值，为同类型建筑节能优化设计提供参考。

1研究现状

1.1照明标准现状

表1　国内外相关标准规定的书库、书架照度标准值比较[4]

表2　图书馆建筑书库、书架照明标准值[5]

1.2设计方法现状

国外关于书架照明设计研究的关注点多为智能开关或调光与节能，而关于灯具配光选择的相关研究鲜见。对于普通书库照明，一般采用平行行道方向布灯，将书架照明用灯安装在书架间行道上空。基于平行行道的这种布灯方式，相关设计导则[6]建议：书架间行道照明的专用灯具宜具有窄配光光强分布特性。灯具在横向(A-A方向)应尽量减少30°～60°区域内的光强分布，提高下部书架的垂直照度，一般宜满足

(1)

式中：I0为灯具在0°方向上的光强值(最大值)；I30为灯具在30°方向上的光强值。

该设计方法以提高书架下部照度为目的，提出了描述书架照明推荐灯具光强分布特性的三个指标——光束角θ、光强比I0/I30(Imax/I30)和区域光通量Φ4,5,6的建议。依据北美照明设计手册对区域光通比[7]的定义，本文采用η4,5,6这一指标进行研究，该指标是指灯具发射到30°～60°区域内的光通量与灯具发出的总光通量之比，按式(2)计算。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：η4,5,6灯具在30°～60°锥角范围内的区域光通比；ΦN为灯具在第N个区域锥角范围内的区域光通量。北美照明设计手册将灯具光强分布从最低点到顶点按每10°划分，定义了18个圆锥立体角；IθN为灯具第N个区域的光强；θN,θN+1为灯具第N或第N+1个区域边界的锥角；Iθ为某一锥角的平均光强；Iθ,0°、Iθ,45°、Iθ,90°为某一锥角在0°、45°、90°三个方向上的光强值。

该设计方法是在主流光源为荧光灯的技术背景下提出的，LED和荧光灯在灯具配光设计上存在区别，随着LED照明技术及其在室内照明应用中的发展，有必要对该设计方法重新进行审视。

2节能优化研究方案

2.1研究方法

其中，光通利用率是按下式计算得到的：

(6)

(7)

2.2书架模型

本文根据图书馆建筑相关设计规范的规定[8]，参考《图书馆建筑设计手册》，另一方面考虑到我国图书馆目前由闭架管理向开架管理发展，行道加宽的趋势，分别建立7种典型行道宽度的书架模型，如图1所示。书库净高3m，顶棚、墙面和地面的反射比分别取0.7、0.5、0.3。开架书库书架高度取1.8m，闭架书库书架高度取2.1m。灯具安装位置应满足安全、防火的要求，灯具与文献藏品等易燃物的垂直距离不应小于0.5m[7]，因此灯具安装高度根据书架高度确定。灯具安装间距应满足均匀度和节能要求的最大允许距高比。

2.3灯具模型

本文选取7种灯具配光的 LED平面灯进行比较研究，根据IES文件计算得到反映灯具光强分布特征的三个指标：垂直书架方向上的光束角θ、光强比Imax/I30、立体角30°～60°范围内的环状光通比η4,5,6。在构建灯具模型时还考虑了最大光强的夹角和对称一侧的光束角，所有配光特征指标见表3。

表3　7种灯具的配光特征指标

3计算结果分析

3.1灯具配光与书架照明数量质量及光通利用率

根据表4的条件进行计算，对结果进行分析得到：

表4　计算条件

图2　不同行道宽度灯具配光与书架下部垂直照度的关系(灯具最大光强夹角≤40°)Fig.2　The relation between distribution of luminous intensity and vertical illuminarce at the bottomof book stack for different aisle width(灯具最大光强夹角≤40°)

2)光强比Imax/I30、区域光通比η4,5,6与光通利用率U：

图3　不同行道宽度灯具配光与书架下部垂直照度的关系(灯具最大光强夹角>40°)Fig.3　The relation between distribution of luminous intensity and vertical illuminarce at the bottomof book stack for different aisle width(灯具最大光强夹角>40°)

图4　不同行道宽度灯具区域光通比与光通利用率的关系Fig.4　The relation between proportion of flux and utilance for different aisle width

图5　不同室形指数灯具配光与光通利用率Fig.5　The relation between distribution of luminous intensity and utilance for different aisle width

将两类灯具分析结果综合，并结合3.1节，在满足标准值要求的前提下，行道宽度≤1.2m时为保证较高光通利用率灯具的光强比应满足1≤Imax/I30<1.5；且不同行道宽度为达到较高光通利用率η4,5,6应取不同值。

3)灯具光束角θ：

如图6所示，随着灯具光束角增加，配光类型由窄配光变为中等配光，各种行道宽度的书架垂直面照度均匀度均有不同程度的下降，且由于光束角与行道宽度适宜程度不同，照度均匀度与标准值0.4的接近程度也不同。同时，如图7所示，在本文所选的窄配光和中等配光的光束角范围内，行道较宽时，书架垂直面光通利用率随光束角增大均逐渐提高；行道较窄时，光通利用率随光束角增大有小幅提高，然后逐渐降低。

图6　光束角与照度均匀度的关系Fig.6　The relation between beam angle and uniformity ratio of illuminance

图7　光束角与光通利用率的关系Fig.7　The relation between beam angle and utilance

大于1m的几种行道宽度也存在同上的问题，即中等配光时光通利用率高但照度均匀度不能满足标准要求，因此采用中等配光的灯具需提高对称一侧配光的光束角(36°)来提高均匀度。

3.2书架照明灯具光通量

行道宽度/m书架高度/m0.75～11.8～2.1光通量参考值/lm1500、2000

按照灯具效能95lm/W进行计算, 如图9所示。随着光通利用率的提高，书架、书库LPD均能得到不同程度的降低。达到同一光通利用率时，行道1m宽的书架LPD略高于行道窄的情况；如按书库计算LPD，则达到同一光通利用率时，行道0.75m的闭架书库LPD高与行道宽的开架书库，这仅是由于书架排列决定的灯具数量造成的。满足标准要求基础上，本文模拟可达到的光通利用率最高值时，行道宽1m，高1.8m书架的LPD和行道宽0.75m，高2.1m书架的LPD均可做到1.5W/m2。将书架垂直面的LPD折算为书库LPD，随光通利用率不同，开架书库LPD在4～6W/m2，闭架书库LPD在6～8W/m2，与现状(9～36W/m2，8～37 W/m2)相比有大幅降低。

图9　书库、书架照明功率密度Fig.9　Book stack lighting power density

一方面由于书库LPD除与设计相关，还与书架排列、行道间距等因素相关；另一方面，书架照明标准以书架立面垂直照度及均匀度为评价指标，因此建议以书架垂直面的照明功率密度进行书库照明的设计节能评价。

4结语

书库照明标准值(50lx和0.4)是对照明数量质量的最低要求，仅满足该值不能保证书架垂直面具有较高的光通利用率，需进行节能优化设计。

1)关于书架照明灯具配光。已有研究为提高书架下部照度提出了θ、Imax/I30和η4,5,6三个指标，本文在此基础上，本文从满足标准要求和提高光通

利用率降低LPD两个角度，进一步明确了已有研究的适用范围；从节能优化角度优化了灯具配光指标Imax/I30、η4,5,6的取值；补充了配光类型。依据行道宽度提出的选择灯具配光参数的建议值见表6。存在问题：1)原设计方法的适用条件是较窄行道采用最大光强夹角为0°的灯具；2)以提高光通利用率为目的进行灯具配光选型仍采用Imax/I30、η4,5,6并不恰当；3)书架照明可选择中等配光，条件是最大光强夹角>0°，并根据行道宽度和灯具安装高度确定该夹角的角度，且采用中等配光时需增加对称一侧的光束角的技术要求。书架照明进行节能优化设计仅依据这三个指标选灯还不够全面，尚需补充描述灯具配光的技术指标，例如最大光强夹角>0°的这类灯具对称配光一侧的光束角及布灯影响书架垂直面的照度均匀度，应进一步研究。

表6　典型行道宽度书架照明灯具选型的配光参考值

2)本文根据典型的书架高度和行道宽度，给出灯具光通量推荐值。

3)建议以书架垂直面的照明功率密度进行书库照明的设计节能评价。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴2012[M].北京：中国统计出版社，2012.

[2] 公共图书馆建设标准：JB 108—2008[S].

[3] 孙成军.重庆市高校图书馆书库LED照明研究[D].重庆：重庆大学，2007.

[4] GB 50034—2013建筑照明设计标准实施指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[5] 建筑照明设计标准：GB 50034—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[6] 照明设计手册[M].北京：中国电力出版社，2006.

[7] IESNA. The lighting handbook[M].

[8] 图书馆建筑设计规范：JGJ 38—2015[S].

[9] LED室内照明应用技术要求：GB/T 31831—2015[S].

Research on Energy-saving Design of Book Stacks Lighting

Li Yuan，Wang Shuxiao,Luo Tao

(ChinaAcademyofBuildingResearch，Beijing100013，China)

Abstract：Lighting for book shelf is not only evaluated with the lighting quantity, quality requirements on Libraries in GB 50034—2013Standardsforlightingdesignofbuildings, but also should be energy efficient lighting.7 different types of IES photometric data are chosen with application in the shelf lighting with typical aisle width.This paper concentrates on the relationships between the three parameters of optical performance—beam angleθ, the ratio of Imax/I30, proportion of flux in the solid angle zones of 30°～60°widthη4,5,6, and utilanceU. The reference value of optical performance，the luminous flux, LPD is proposed eventually for energy-saving optimization design.

Key words:energy-saving; utilance； distribution of luminous intensity; book shelf lighting; LED panel luminaire

基金项目：国家863课题“智能化半导体照明产品开发及其在节能建筑中的应用”(2013AA03A111)

中图分类号：TM923

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.002