建筑照明系统分析

秦旭

摘   要：为实现建筑照明系统的节能，需要对照明系统进行详细的特征分析，因此，文章从照明控制系统发展过程的角度出发，关注各个阶段使用的技术手段及其节能理念，并在此基础上对影响照明系统能耗的因素进行总结，将其分为主要因素以及次要因素两类。根据节能角度的不同，提出了不同的节能方式，实现绿色照明。

关键词：照明系统;动态调光;节能

城市化步伐的加快，出现了大量的公共建筑，这就使得建筑能耗的问题日益突出。根据现有资料统计表明，2015年全国建筑能耗就已占据全国能源消费总量的20%。在电能消耗上，照明能耗占到整个建筑电量能耗的25%～35%，占全国电力总消耗量的13%[1]。因此，公共建筑的照明节能已经成为建筑节能的重要环节之一，为实现照明系统节能，需对其进行特征分析，以便使用适宜的照明控制技术。

1    照明控制系统

照明控制系统就是把多种照明控制方式有机整合，使它们相互配合、协调工作，达到控制光环境的目的。采用适宜的照明控制系统不仅能够满足人对光环境的需求，还能节约能源。通常依据人工照明控制方式的不同，可将系统分为3个不同阶段[2-3]。

1.1  传统照明

传统照明控制方式，控制的主要途径是使用手动控制，通过配电线路中的开关来控制回路的转台，以此来进行灯具的开关操作。传统照明控制方式虽然简单有效，但不足之处在于其严重依赖个人，系统的自动化程度较低，难以满足人们对光环境的要求。

1.2  自动照明

自动照明控制使用数字控制技术实现对灯具的远程控制。该方式在对灯具的统一管理方面做出很大的改进，其自动化程度有了明显提升，但该方式未实现灯具的调光控制，且存在不能提供预设置的场景功能等缺陷。

1.3  智能照明

通常，智能照明控制通过使用当前的科学技术，如自动控制以及光学知识等，对信息进行采集，并进行处理计算，之后对计算结果加以应用，最终完成控制需求。智能照明系统的出现、发展及应用，大幅度提升照明的质量，且通过各种技术手段降低了系统的运维成本。

2    照明系统的能耗分析

随着世界能源危机的爆发，人们在设计照明系统时，还需考虑照明系统的能耗。影响建筑照明系统能耗的因素有很多，在系统的运行中，线路及元器件的电能损耗不会因外部因素发生剧烈的波动，这些能耗是固定的。此外，墙壁的反光系数通过影响灯具数量间接地对照明能耗产生影响，影响程度较低，因此，这些因素都属于次要因素。在照明系统运行时，灯具的能耗会随着调光输入的大小、系统的控制方法、自然光等发生巨大波动，因此，这些因素是影响照明系统能耗的主要因素。

2.1  室内灯具类型

在建筑照明系统中能耗的主要对象为灯具的电能损耗，为减少建筑照明系统的能源消耗，在设计系统时选择合理的灯具至关重要。建筑照明中使用的灯具经历了从白炽灯至荧光灯、节能灯、LED灯的发展过程。回顾照明系统中灯具的变迁，其发展经历了无数次的变革创新，却始终离不开节能与环保这一理念。

2.2  室外自然光源

自然光主要通过采光口影响室内环境，当自然光利用受到时间和场合的限制，无法达到要求的照明标准时，需要开启人工光源来改善室内的光环境[4-6]。自然光隨着季度的更替呈现不同的照明效果，如夏季日照时间较长，系统的运行时间缩短，而冬季日照时间较短，则系统的运行时间延长，照明系统能耗亦相应地随之呈现较为规律性的变化。

2.3  照明控制方法

建筑用途不同，则建筑照明系统依据不同的照度标准，以利用自然光、人工光源进行补充为原则，采用不同的控制方法，营造舒适、节能的光环境。当室内光环境的照度标准无法通过自然光的调节来达成，则需开启灯具补充照明。

2.3.1  分区控制

分区控制是将照明区域划分为具有不同照明需求的功能区域，通过照明控制器对不同功能区域的照明设备进行控制。对于有规律的活动场所，使用该控制方式，能够避免照明灯具长期处于开启状态带来的能源浪费。

2.3.2  场景控制

使用此控制方式可以预设置多个不同的场景，通过调节不同灯具的照度，与自然光照度相配合，使室内光环境达到设计标准中规定的指标，以满足使用要求。如办公建筑的会议室，在会议的不同阶段，出于不同的需求，调节照明灯具，以适应不同阶段的功能需求。

2.3.3  混合照度控制

混合照度控制通过光传感器检测空间中某片区域的自然光，并将检测到的信号送至控制器，控制器能够依据自然光的强度来动态调节灯具的亮度，当自然光不足时，通过控制人工光源进行补偿，以此来实现稳定光环境的供给。

2.3.4  人员活动控制

通过在照明区域内安装由声、光元件构成的传感器，以此来对区域内的人员进行检测，随后依据《建筑照明设计标准（GB50034）》[7]中有关照度的标准，并通过使用时序控制、场景控制等方法，对照明系统中的灯具进行控制。当人员离开该区域，系统程序会按照预先设定的时间延时后，自动切断照明系统的能源供给，以实现照明系统的节能。

2.4  人行为

在实际场景中，建筑环境每时每刻都在改变，是一个动态变化的过程，人在其中是参与者以及管理者。在建筑照明系统中，人们从自身所需的光环境出发，改变照明系统的运行状态，其行为的发生直接产生能耗[8-9]。例如，当室外照度较大时，人们往往倾向于利用自然光，这就使得开灯行为发生的可能性较低。而当照明系统运行时，人在其中担任管理者的角色，针对照明系统中的故障进行及时的排查、检修，行为的发生间接产生了照明系统的能耗。因此，建立能够准确描述人员行为的模型对照明节能具有至关重要的作用。

3    照明系统节能

在设计建筑照明系统时，根据选取影响能耗因素、控制方式以及应用场景等角度的不同，照明系统的节能方式可分为两大类型。（1）节能控制技术，通过使用系统节能技术减少系统的电能消耗实现节能。（2）从系统全生命周期的角度出发，通过构建照明系统能耗预测模型，对系统进行实时监测并预测能耗数据异常点，方便管理人员及时地对系统进行维护，以此间接地减少照明系统的能源消耗。

3.1  直接节能—控制模型

静态模型是指系统中描述的各个变量之间不能随时间变化而变化，如传统的照明控制系统，以及在采用定时分区及场景控制方法的智能照明系统中，系统中的灯具不能根据系统外部的因素变化，进而做出调整。随着人们对照明需求的增加，人们在静态控制模型的基础上不断地深化，将影响系统的动态因子加入其中，如自然光等，形成了照明动态控制模型，能够根据外部因素的变化，动态调节灯具，在提供稳定光环境的同时，还能减少照明系统的能源消耗。

3.2  间接节能—预测模型

随着机器学习的快速发展，诞生了一系列的预测算法，与传统的预测算法不同，其能够对历史数据能耗进行学习，不断地调整模型中的参数，来保证模型对未来数据预测的准确性。选取能够反映能耗变化的因素用于能耗预测模型时，不仅能提升模型预测的准确性，而且能通过模型发现能耗变化的趋势以及发展特性，这对节能工作的展开以及研究建筑定额用能具有指导性意义。

4    结语

本文介绍建筑照明控制系统的发展历程，并分析比较不同发展阶段控制系统的优缺点，其中的节能理念为能耗影响因素的分析做出铺垫。从影响能耗的主要因素以及次要因素出发，详细介绍了主要因素对系统能耗的影响表现。最后，从系统不同的节能角度出发，阐述了直接节能以及间接节能的思路，为后续照明系统的节能研究提供了理论基础。

[参考文献]

[1]佚名.中国建筑能耗研究报告（2017年）[J].建筑设计管理，2017（12）：41-42.

[2]赵青青.智能照明控制系统的特点及应用综述[J].照明工程学报，2011（4）：119-123.

[3]周晓伟，蔡建平，郑增威，等.新型室内照明智能控制系统的研究与实现[J].计算机应用研究，2009（8）：2977-2981.

[4]王猛.基于天然采光的办公照明节能控制系统设计与研究[D].西安：西安建筑科技大学，2015.

[5]和瑞.建筑光环境的智能照明控制模型研究[D].西安：西安建筑科技大学，2015.

[6]张伟.结合天然采光的办公建筑节能研究[D].天津：天津大学，2005.

[7]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑照明设计标准[EB/OL].（2013-11-29）[2019-04-10].http：//www.doc88.com/p-6476926569290.html.

[8]任曉欣，燕达.基于人行为的办公建筑照明能耗计算模型研究[J].建筑科学，2014（6）：1-9.

[9]胡琥，陈彬，韩利红，等.基于人行为习惯的图书馆照明节能控制系统设计[J].建筑节能，2015（3）：96-98.

Abstract：In order to realize the energy saving of architectural lighting system， detailed analysis of the lighting system is needed. Therefore， from the perspective of the development process of lighting control system， this paper pays attention to the technical means and energy-saving ideas used in each stage; on this basis the factors affecting the energy consumption of the lighting system are summarized and divided into two main factors and the secondary factors. According to the different energy saving angles， the direct energy saving method for reducing the energy of the lighting system and the indirect energy saving for reducing other energy consumption of the system are proposed. In order to achieve resource conservation， green lighting is achieved.

Key words：lighting system; dynamic dimming; energy saving