民用建筑电气照明系统节能技术分析

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【摘要】如何有效利用照明节能技术，制定切实可行的建筑照明节能方案，减少民用建筑照明中的能源浪费，对我国节能减排事业有非常重要的意义。本文从建筑电气照明设计的角度，以分析民用建筑照明节能技术为研究课题，重点研究民用建筑电气照明的节能技术，通过分析影响照明系统能量消耗的因素，从照明系统的各个环节研究了电气照明节能技术，对建筑电气照明设计的过程提出一系列有效措施实现照明节能，并分析各个节能技术的适用性与节能效果，希望为建筑照明节能设计提出一些切实可行的办法，供设计人员参考，优化照明设计方案，将节能工作做到实处。

【关键词】民用建筑;电气照明;节能技术

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

17.097

前言：

比较我国相关标准规定的照明功率密度值与建筑物单位用电指标值，并结合实际运行经验，可以发现我国民用建筑的照明用电量已占到建筑总耗电的40%以上，而这一数值在发达国家仅为14%，是我国的1/3。造成这种结果的主要原因是我国建筑节能技术的发展应用远远落后于发达国家，现在广泛被人们认可的节能措施主要包括选择高效照明设备、合理利用自然光、选择科学的控制方法等，日本三菱公司曾经做过研究，若在规划设计初期就将照明节能的理念引入建筑，利用有效的科学技术，照明系统的节能潜力最高可达到69%。

1、电气照明基础理论

1.1照明基本概念

照明就是通过给周围对象以合适的光分布，使人们能正确且快速地获取大量的视觉信息，从而达到服务人们的生活、活动的目的。照明的本质就是对光的利用。电磁波理论认为发光体以辐射能的形式发射光，而辐射能又以电磁波的形式向外传输，电磁波作用在人眼上就产生光的感觉。光总是沿直线传播的，当遇到某种物体时，根据该物体材料的不同，光线可能会发生反射、吸收或透射，以下系数可以表示材料对光的反射、吸收以及透射的性质：

式中：φi为投射到物体表面的光通量，φρ、φα、φγ 分别为被物体材料反射、吸收、透射的光通量。在照明工程中应特别注意反射比 ρ这一参数，合理提高灯具灯罩与饰面材料的反射比能极大的改善空间照度分布。

1.2照明质量评价指标

（1）照度水平。合适的照度应能使人易于辨别他所从事的工作细节，大约1 cd/m2的亮度刚刚能够使人辨别其他人脸的特征，这个亮度需要20lx左右的平均照度，所以CIE将20lx确定为所有非工作房间的最低照度水平。我国《建筑照明设计标准》中详细规定了各类建筑不同房间和场所的照度标准值。

（2）照度均匀度。照度均匀度是反映光线分布均匀程度的指标，可用给定工作面上的最低照度与平均照度之比来表示，即Emin/Eav。为了获得满意的照度均匀度，灯具布置的间距不应大于灯具的最大允许距高比，当有更高要求时，可采用间接型、半间接型灯具或光带等。

（3）眩光。眩光是由于視野中的亮度分布或亮度范围的不适宜或存在极端的亮度对比，以致引起不舒适的感觉或降低观察细节及目标能力的视觉现象。眩光可能是由光源或灯具直接引起的，也可能是光源通过反射比高的表面反射引起的。眩光对视力危害很大，它会引起不舒适感、视觉疲劳或降低可见度，严重时甚至失去部分视功能或短暂失明，影响工作，还可能造成事故。

（4）光的颜色室内各物体表现的颜色是由物体对光的反射。光源的颜色特性表现在色温和显色能力（显色指数）两方面，对室内的气氛、人的情感和物体的颜色都有影响。

①色温光源按色温的不同而有冷暖之分，不同色温的光在视觉心理上会有不同的感受。低色温（<3300K）的灯光给人以暖的感觉，在室内营造亲切轻松的气氛;高色温（>5300K）的灯光接近自然光色，给人以冷的感觉。人在温暖气候条件下喜欢冷色温的光，在寒冷条件下喜欢暖色温的光，一般情况下采用中间色温。

②显色能力。正确的色视觉只有在照明光谱接近于自然光的情况下才能达到，而当照明条件与自然光的光谱相差很大时，被照物的颜色会失真，这会对色彩辨别要求较高的工作造成影响，所以要求有显色指数较高的光源。我国现行标准对不同照明场所都有显色指数Ra的最低要求。

2、电气照明节能技术分析

2.1降低照明功率密度值LPD

（1）选择优质的光源

选择优质的电光源是照明节电的首要工作。光源选择的一般原则是：发光效率高，显色指数满足要求，寿命长，性能价格比优。从能源消耗角度考虑：电光源不仅要光效高，而且使用寿命越长越好。因此，选择节能型光源应该从电光源的光效和使用寿命两方面考虑。表1是民用建筑常用光源光效和有效寿命的比较。

①白炽灯、荧光灯以及白光LED灯通常都可用于室内照明，且25W白炽灯、5W紧凑型以及3W白光LED的亮度相当。普通白炽灯光效低，寿命短，从能耗和经济性角度出发，普通室内照明应避免使用白炽灯。比较白光LED灯与其它两种光源，发现LED灯单灯价格最高，导致前期投资约为紧凑型荧光灯的三倍，但在较长使用周期里使用LED光源可以减少更换频率，其总费用是低于紧凑型荧光灯的，这其中还不包括所节省的用于设备维护的人工费用。同时LED光源代替荧光灯还可以减少大量的汞废弃量，是照明节能环保的首要选择。

②管荧光灯及其灯具比较适用于面积较大的室内场所，如学校、办公室、厂房等。根据管径不同，常用的荧光灯分为T5，T8和T12三种，T12荧光灯由于光效过低已经很少使用。通过分析发现，荧光灯的光效与寿命随灯管直径的减小而增大，节能效果突出。

（2）选择高效率节能灯具

①选择灯具效率高的灯具。选择高效率的灯具是提高照明利用系数的重要方法。在满足眩光和配光要求的情况下灯具的效率不应低于规定值。为节省光的损失，条件允许时可采用不带遮光附件的灯具。

②选择配光合理的灯具。如对于办公室及公共建筑，要求房间的墙和顶棚有一定的亮度，需要有一部分光投射到顶棚和墙上，此时可采用直接-间接配光的灯具，灯具上半球光通辐射一般不小于15%，并且应该采用配光较宽的灯具;而对于6m以上的高大建筑，则应该采用配光较窄的灯具;对有垂直照度要求的场所，可选用不对称配光的灯具，也可采用聚光灯、射灯等指向型灯具。

③选择光通量维持率高的灯具。引起灯具输出光通量降低的原因有光源光通量下降、灯具老化和污染。选择灯具时，可采用涂高纯度石英玻璃（SiO2）的灯罩，这种材料具有耐腐蚀性，可在腐蚀作业环境下长时间使用，减慢老化速度，并且其表面光滑，不易集灰，易于用水清洗。

（3）选择节能型镇流器

镇流器是气体放电灯用于起动和限流的控制器件，根据不同工作原理分为电感镇流器和电子镇流器。比较两种镇流器，发现电子镇流器有以下优势：

高效节能：气体放电灯在高频下的发光效率比在工频高10%，因而配置电子镇流器的光源亮度会有所提高;电子镇流器自身功耗小，比电感镇流器节能20%～30%;功率因数较高，减少无功功率，可以降低系统工作电流。

舒适安全：电子镇流器没有频闪与噪音，有利于营造舒适安静的工作环境;对比电感镇流器由于自身耗电量大导致表面温升大，易形成火灾隐患，电子镇流器的安全性更高，加之各种异常保护功能，使得照明过程安全可靠。

2.2提高照明利用率

（1）充分利用天然光自然光资源取之不尽，用之不竭，具有清洁、安全的特点，另外经调查研究表明，人们在天然光下工作的视觉功效要比人工照明高5%～20%，照明设计时若能结合利用天然光既有利于节能环保，还能营造舒适高效的工作环境。建筑利用天然光常用的方法主要有采光窗和导光管技术。

①采光窗

采光窗是利用不同类型的窗户进行采光的方法，主要有侧窗采光和天窗采光。侧窗采光是从墙面的普通垂直窗进行采光，分为单侧采光和双侧采光。这种方法构造简单、造价较低，但是房间纵向的光照均匀度较差，并且随着与窗距离的增加，工作面的照度急剧变小。因此照明设计时，若一个开关控制多盏灯具，如图1，由一个三联开关控制房间内九盏灯具，每个开关控制一排灯具，控制回路应平行于侧窗。当侧窗采光充足时，能完全满足房间照度要求。随着户外太阳光照的降低，离窗户较远的纵深会首先照度不足，此时打开离窗最远的一排灯具，直至窗户周围也照度不足时打开全部灯具。

②导光技术

导光系统主要分为三部分：采光罩、光导管和漫射器。其中采光罩经过特殊的表面处理可获得较高的透光率，而且有效避免灰尘覆盖，有良好的自洁性能。光导管的内壁采用反射率很高的材料，并且可以旋转弯曲，有利于将自然光导入房间深处不易照射到的角落。漫射器的底部装设有可以使光线发生漫射的设备，不仅可以使室内光线均匀分布，也能有效减小眩光。其结构如图2所示。

（2）制定科学的照明控制方案

照明控制是照明系统的一部分，也是照明设计的重要内容之一。选择合适的照明控制不仅可以根据房间的不同功能需求营造良好的光环境，还可以尽量减少不必要的开灯时间、开灯数量，是实现节能减排的重要手段。照明控制方式主要有开关控制和调光控制。开关控制是通过接收特定的信号，包括人为手动、定时元件以及传感器感知的信号等，来实现灯具的开关控制。根据控制元件的不同，开关控制可分为翘板开关控制、断路器控制、定时控制、光电感应开关控制、占空传感器控制等。调光控制即调节光源的光通量输出，不同光源的调光原理有所不同。

2.3优化照明配电系统

（1）合理布设配电线路

①采用铜芯导线。无论是机械特性还是电气特性，铜芯导线都优于铝芯导线，电气照明系统中应尽可能使用铜芯导线，提高用电可靠性和安全性，降低线路电能损耗。

②选择适宜的导线敷设方式。布置线缆时，要根据用电设备和环境条件选择最适宜的敷设方式，走线尽量呈直线，条理简洁，避免迂回浪费。如常用灯具一般采用沿顶或沿吊顶敷设，对于安装位置特殊的其它灯具，如壁灯、展柜照明灯等局部照明灯具，则应该根据实际安装情况选择敷设方式与路径，力求减短供电线路，省管省线的同时降低线路损耗。

③电源设在负荷中心。条件允许时，变电所或者配电箱的位置应设在负荷中心。如图3所示，S为电源，A～F为不同终端负荷。负荷中心不只是几何距离的中心，而是指整个系统输电线路损耗最小的点。设计时要不断调整S点位置，使整个系统线路产生的损耗最小的点就是最优点，即负荷中心。

④平衡分配三相负荷。我国《民用建筑电气设计规范》明确规定，三相照明线路各负荷应平衡分配，三相电流不平衡度不宜大于15%，经过电气设计人员的精心设计，这个值甚至可以达到5%以下。要做到整个系统三相负荷平衡分配，最简单有效的办法是力求局部三相平衡。以一梯多户住宅为例，首先电气设计人员应将每层用电负荷均衡分配到三個相位，当单层负荷无法平衡时，将每三层作为一个局部做到三相负荷平衡分配，进而使得每幢楼以及整个居民区都三相平衡。只要每个局部都做好平衡工作，那么整个系统自然就会达到三相负荷平衡分配。除此之外，负荷分配还应与控制方式相配合，使得任何控制模式下运行的设备都满足三相平衡。

（2）提高系统功率因数

提高功率因数的方法主要有提高用电设备的自然功率因数和进行无功补偿。对于LED光源以及采用电子镇流器的气体放电灯，其自然功率因数就达到0.9以上，满足电能质量要求，应推广使用。而当气体放电灯采用电感镇流器时，功率因数相对较低，只有0.4～0.55左右，大量的无功功率会使照明线路的电流和变压器的容量增大，从而增加了线路损耗和变压器损耗，因此要并联电容器进行无功补偿，使其功率因数不小于0.9。

（3）限制系统谐波污染

谐波对照明系统和电网线路有极大的危害，谐波电流会使变压器和线路损耗增大，不利于节能。各相三次谐波在中性线上叠加引起过大的电流极易引起导线的损坏，甚至引发火灾。除此之外还会对电网和通信、信息系统等带来干扰和危害。民用建筑供配电系统中，一般采用无源滤波器和有源滤波器来实现滤波，有源滤波器较无源滤波器有极大的性能优势，不仅能达到实时补偿谐波电流的目的，且其滤波能力和负荷的功率因数无关，这对于功率因数较高的民用建筑配电系统尤其适用。

结语：

本文围绕三个方面提出有效的节能措施，主要包括从降低照明功率密度的角度，通过合理选择节能型照明器设备和提高照度计算有关系数来实现节能;从提高照明利用率的角度，通过充分利用天然光和制定科学的控制策略来实现节能;从优化照明配电系统方面，通过合理布置配电线路、提高系统功率因数、限制谐波含量等措施减少输电线路损耗实现节能。

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