建筑照明节能的发展探讨

高　超,　赵　丽,　乔红垒,　卢倩楠

(长安大学 电子与控制工程学院, 陕西 西安　710064)



建筑照明节能的发展探讨

高超,赵丽,乔红垒,卢倩楠

(长安大学 电子与控制工程学院, 陕西 西安710064)

摘要：从设计、光源、控制管理、自然采光等方面,论述了建筑照明节能的新技术和新发展。着重介绍了发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、智能控制系统、光导照明系统在建筑照明中的应用。分析了各种技术的节能效果及优缺点,为以后建筑照明节能的研究提供参考方向。

关键词：建筑照明; 节能; 发光二极管(LED); 有机发光二极管(OLED); 智能控制; 光导照明

0引言

节能环保是我国大力倡导实现可持续发展的主要手段。过去10年中,全球人造光源的需求量以每年2.4%的平均速率增长,而且在可预见的未来人造光源的需求量将会继续增长。照明用电量在全球电力消耗中占有17.5%的较大比例,这个比例还在逐年增大。据国际能源署估计,在建筑照明中采用节能技术可以有效为终端用户至少节省全球照明能源消耗成本38%。因此,在建筑照明技术发展的过程中,照明节能的方法与技术的发展越来越受到人们的重视。本文阐述了建筑照明节能技术的成果及发展方向,分析了各种技术的节能效果及优缺点。

1设计更加合理化专业化

照明系统设计时首先要进行照度的计算,以便设计方案的照度符合国家规范中的照度要求。民用建筑中常用的照度计算方法是利用系数法,而对于点光源照明场所常用逐点计算法计算照度。与此同时，还要保证设计中的实际照明功率密度值(Lighting Power Density,LPD)小于或等于标准规定的 LPD最大限值。以上两点是保证建筑照明设计规范、合理、节能的最基本要求。

在满足上述两点基本要求后,还要将各种照明方式有机结合。在实际照明工程中照明方式主要分为一般照明、局部照明、重点照明、混合照明、装饰照明等。这些照明方式适用于不同的照明场所,在实际设计过程中要根据不同场所、不同区域按照照明需求进行合理配置。

未来建筑照明设计向着更加合理、更加节能、更加舒适美观的方向发展,这对照明设计人员提出了更高的要求。

2新型光源的应用与发展

建筑照明系统中仅靠合理的设计所得到的节能效果有限。因此应从光源着手,使用和发展新型光源是建筑照明节能的根本。传统光源的分类方法有很多,按照电光转换机理分类有两种:热辐射光源,包括白炽灯、卤钨灯;气体放电光源,分为低压气体放电灯(包括荧光灯和低压钠灯)和高压气体放电灯(高压汞灯和高压钠灯)。以上不同种类的光源适用于不同的场合。

目前已应用于照明系统的新型光源主要是发光二极管(Light Emitting Diode,LED)，具有体积小、使用灵活、光谱窄、开关时间短、结构简单、耐冲击、耐振动、无频闪、功率因数高等优点。理论上LED比白炽灯节能80%,比荧光灯节能50%[1]，但LED在光品质方面有一定的缺陷。LED光源的封装大量采用圆柱形或球形,发出的光具有很强的指向性,产生眩光。对于眩光问题,业内通常采用散射或反射的方法来解决,例如用透光性好的材料对LED发出的光进行散射雾化处理或使LED的光经过反射后再到达人眼等。由于LED光谱窄,所以特定光谱的LED显色性较差。在使用中为了克服这一缺点,通常是将几种光谱的LED组合使用,形成混合光源。

综上,LED新型光源与传统光源相比,虽然在眩光和显色性方面存在不足,但是可以通过一定技术手段使其达到与传统光源相近的水平，同时LED的高效节能、使用寿命长等优点是传统照明无法相比的。随着技术的进步,LED成本逐渐降低,使用范围越来越广。

另一种比LED更有发展潜力的新型光源是有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode,OLED)。OLED与LED唯一的区别是它所使用的半导体不是无机硅,而是有机碳。OLED是一种薄膜多层器件,高发光效率,适用于大面积光源,而且针对不同的用户能够调整颜色,具有材质柔软、易于裁剪、造型轻薄及低驱动电压等特性,符合当前的绿色环保要求[2]。OLED具有效率低、尺寸小(最大20 cm2)、价格非常高、使用寿命短等缺点，但是,这只是一个短暂的情况。事实上,考虑到OLED形状的特殊性,将其用于大面积照明比LED更具优势:① 低亮度(无眩光问题);② 不产生热(没有散热问题);③ 光谱发射更丰富(高显色性);④ 更加节能。

综上所述,建筑照明中所用的新型光源正向着更高的发光效率、更长的使用寿命、更低的成本、更加节能的方向发展。

3智能控制管理系统在建筑照明中的应用

智能控制管理系统根据应用层的不同主要分为照明控制系统和家庭智能化与楼宇智能化系统。照明控制系统主要根据特定的标准协调照明系统中的所有元素。家庭智能化与楼宇智能化系统主要管理协调住宅/建筑中现有的所有设备。

照明控制系统是根据特定的条件对照明操作进行管理的一种装置,与高效率灯或高输出比的灯具相连,可以提供显著的能源节约效果。建筑内的照明控制系统主要由各种传感器和控制器等组成,如占用传感器的作用是当区域不被占用时限制使用人工照明;日光采集器通过测量调节可用的日光来减少人工光源的使用。实时调节可以根据一些时间表和任务调整改变灯光,可以根据当前活动改变房间的照明场景。此外,通过照明控制系统用户可自行设定所需的光环境。由于照明控制系统的使用,人工照明只在需要时提供合适的照明水平。根据国际能源署统计数据显示,使用照明控制系统可以节能54%。

家庭智能化通过几个不同设备的智能协作,以高效、安全、舒适的方式来管理居住环境。当这种做法应用到建筑物时,就称为楼宇智能化。建筑物的所有技术功能集成为一体的综合管理系统,通常称为建筑设备管理系统(Building Management System,BMS),管理照明、遮阳、空调、门禁和安全控制系统。特别地,BMS中照明系统最常用的标准协议是数字可寻址照明接口协议(DALI)。建筑中BMS使用全部或部分自动化系统来控制和集成人工光与自然光,增加了建筑物内视觉和热的舒适性，同时也减少了照明的耗电量。此外,在配备空调的建筑物中,可减少内源性的光源所产生的热负荷,达到节能的目的。如今,楼宇智能化系统来控制照明可以同时达到舒适与节能的效果,能够跟踪入住率和能源使用,监视和控制整个大型设施的照明,最大限度地降低高峰用电需求。

4新型自然采光系统在建筑照明中的应用

自然采光系统是一系列能够提供或管理室内环境中的系统。传统自然采光系统主要由一系列光传感器和反射器或遮光板等元件组成,一般安装在窗户附近，通过调节反射器或遮光板来控制自然光的采用量,并与人工照明相结合,以保证室内整个白天都有足够的照明水平。该自然采光系统只能控制窗户射入的自然光,自然光的最大采入量取决于窗户的大小,对于距离窗户较远的空间或没有窗户的房间(如地下室等)则效果不明显,甚至不能使用。

光导照明系统是一种新型自然采光系统,运用光导纤维传导光的特性,在室外设置若干自然光采集器,将收集的自然光通过大量光纤传递到室内的发光器件,再传播到室内空间。光导照明原理如图1所示。

图1　光导照明原理

光导照明系统克服了传统自然采光系统的局限性,可以完全取代白天的电力照明,无能耗,节能效果非常显著。此外,光导照明系统光源取自自然光线,光线柔和、均匀,全频谱、无闪烁、无眩光、无污染,并通过采光罩表面的防紫外线涂层滤除有害辐射。光导照明系统有着良好的发展前景和广阔的应用领域,是真正节能、环保、绿色的自然采光照明方式。

在实际工程应用中,光导照明系统有一定的局限性。首先,光导照明的光源是阳光,所以阳光的变化对其照明效果有很大影响。不同地区、不同季节和时段,阳光照度是不同的,这就需要加装光导照明控制系统来调节。光导照明控制系统采用智能化控制手段,在室内设置照度传感器,将室内照度反馈给控制器,从而调整采光装置的开度和光学透镜的角度,避免过亮或光照不足。当采光装置开度最大依然满足不了室内照度要求时,需开启人工照明进行补偿。光导照明系统控制流程图如图2所示。

采光器和光导管安装也受环境及建筑本身的影响。采光器应尽量设置在遮挡物少的区域和建筑物的南侧,否则会影响采光效果。光导管和建筑中的其他管路一样,要在建筑设计阶段就加以考虑。对于高层建筑,光导管需敷设很长,安装难度大,同时需要在结构板上留洞,增加了结构专业的设计难度,限制了光导照明的适用场合。目前光导照明更多地用在地库、工厂、学校等场所,很少用在高层建筑中。

图2　光导照明控制流程图

由于光导照明系统需要增加智能控制系统,以及其设计、安装成本较高,所以首期投资费用高。在全年多阴雨的地区,选择光导照明系统前应进行性价比分析,计算经济回收期。若经济回收期很长,则不建议使用。光导照明受投资成本和使用场合的限制,但仍是节能、环保、绿色的自然采光照明方式,目前研究人员正研究将光导照明系统与光伏发电技术及建筑通风系统相结合[3]。

5结语

建筑照明节能正向着系统化的方向发展,应将合理专业的设计、高效节能的光源、科学的控制管理系统相结合,在条件允许的情况下多采用光导照明系统,才能使建筑照明节能达到最理想的节能效果。随着经济的发展和科技的进步,建筑照明节能技术将有更加长远的发展。

[1]刘兵.民用建筑照明节能改造中LED节能效果分析[J].建筑电气,2013(7):62-64.

[2]吴玉琦,刘畅,李诺,等.OLED照明的发展现状及技术研究[J].中国照明电器,2009(11):5-9.

[3]马江川,王洪娜.光导照明技术的原理及应用[J].居业,2014(12):62-63.

[4]王立雄.建筑照明节能的新途径[J].照明工程学报,2004(4):20-22.

Discussion about Development of Building Lighting Energy Saving

GAOChao,ZHAOLi,QIAOHonglei,LUQiannan

(College of Electronics and Control Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Abstract：This paper discussed the new technology and development of building lighting energy saving from design,illuminant,control and management,natural lighting.The application of the light emitting diode(LED) and organic light emitting diode(OLED),intelligent control system and Tubular Skylight were emphatically introduced in building lighting.The advantages and disadvantages were given,and the energy saving effect of different technologies were elaborated.It can provide references for the research of building lighting.

Key words:building lighting; energy saving; light emitting diode(LED); organic light emitting diode(OLED); intelligent control; Tubular Skylight

收稿日期：2015-07-06

中图分类号：TU 201.5

文献标志码：B

文章编号：1674-8417(2016)02-0051-03

赵丽(1959—),女,副教授,研究方向为建筑电气。

乔红垒(1990—),男,硕士研究生,研究方向为建筑电气。