某图书馆照明节能设计的探讨分析

发布于：2015-07-31 22:58:31 来自：电气工程/照明工程 [复制转发]

我国经济的持续快速增长，导致电力供应需求急剧攀升，供电不足的矛盾日益突出。因此，合理地节约用电已经成为全社会共同追求的目标。图书馆照明用电量在整个图书馆用电量中占有相当大的比例，这就要求图书馆照明的设计要满足节能、降耗、高效的绿色照明要求。本文以某图书馆新馆（以下简称“某馆”）照明设计为例，具体阐述其在照明灯具的选择、自然采光与空间照度设计、调光与照明控制系统的应用与节能的关系。

1 灯具的选择

1.１　光源选择

（1） 白炽灯

白炽灯应用极为广泛。它是第一代电光源的代表，属于热辐射光源，即利用钨丝被加热时白炽体高温辐射发光的原理制成的光源。白炽灯的缺点是发热量大，发光效率低，使用寿命短等。极大部分热辐射为红外线，发光效率约仅有１１％，红外线、热能消耗分别占总能耗的６９％、２0％，平均寿命约为１０００ｈ.白炽灯的优点是光谱能量连续分布，显色性好，结构简单，体积小，无频闪效应，价格便宜，且造型多样，易于环境协调。

（2）金属卤化物灯

金属卤化物灯具有光通量高，光效一般（９０ｌｍ/Ｗ）；显色指数Ｒａ低（６０）；舒适性差。

（3）荧光灯

荧光灯是第二代电光源的代表，属于气体放电光源，即利用汞蒸气放电时发出的紫外线激发管内壁的荧光粉而发光的光源。但是，由于荧光灯工作的负阻特性，在使用时需配用 镇流器件。荧光灯的缺点是：不宜用于开关频繁的场合，低温环境启动困难，频闪效应明显等。优点是：发光均匀，亮度适中，光色柔和，温度较低，发光效率和寿命远胜于白炽灯。它广泛应用于进行精细工作、照度要求高或进行长时间紧张视力工作的场合。因此，荧光灯是图书馆内照明的理想光源。图1为符合人眼敏感度的对数调光曲线。

某书馆在采用荧光灯时，选用了目前世界上最先进的Ｐａｎａｓｏｎｉｃ　ｅ－Ｈｆ系列高效荧光灯，功率为３２Ｗ，光灯光通量为４７００ｌｍ；显色指数Ｒａ为８４；色温为５０００K；寿命为１２０００h。新型ｅ－Ｈｆ高效荧与ｅ－Ｈｆ智能型电子 镇流器的完美组合使用得光效高达１０４ｌｍ/Ｗ；工作频率约为４８００kＨｚ，无频闪；功率因数为０．９８。因此，该系列荧光灯能为图书馆营造出理想的照明环境。

ｅ－Ｈｆ系列特点如下：

（1）明亮

亮度提高１．６倍，ｅ－Ｈｆ高效荧光灯灯具与Ｔ８电感镇流器式灯具相比较，相同本体、消耗电量大体相同的情况下，光通量提高１．６倍，光效提高１．６倍。

（2）节能

节省电力３２％，ｅ－Ｈｆ高效荧光灯具２灯与Ｔ８电感镇流器式灯具３灯相比较，照度、面积相同的条件下，节省电力３２％，光源数量仅为原来的２/３，既节约了电能，同时也降低了因为更换灯管而产生的预算。

（3）环保

ＲｏＨＳ指标符合欧盟ＥＵ标准。

1.２　灯具选择

科学地选用灯具也是照明节能设计的重要一环，具体措施如下：

（1）选择高效率灯具。选择灯具时，除考虑环境光分布和限制眩光的要求外，还应考虑灯具的效率，选择高光效灯具。《建筑照明设计标准》中对灯具效率有明确规定，选用灯具时，应符合标准规定。照明器反射面的反射比越高，反射面设计越合理，照明的效率也就越高，一般可提高灯具效率1０％~５０％.

（2）选用光通量维持率好的灯具。当光源或灯具积污时，其光通量可能降到正常光通量的５０％以下。光源、灯具、玻璃、墙壁不清洁时，其反射率和透光率也会大大降低。

（3）采用光利用系数高的灯具。

（4）根据使用场所不同，采用控光合理的灯具。

1.３　节能型镇流器选择

电子镇流器具有自身功耗低、功率因数高、体积小、重量轻、无频闪、无噪声、启动可靠、可调光、允许电压偏差大等优点。传统型电感镇流器具有自身功耗大（约为灯功率的２０％）、功率因数低、体积大、重量重、有频闪、有噪声等缺点，是一种不节能的镇流器。节能型电感镇流器采用低耗材料，其能耗界于电子型和传统型之间。采用电子镇流器，使灯管在高频条件下工作，可提高灯管光效并降低镇流器的自身功耗，有利于节能，并且发光稳定，消除了频闪，有利于提高灯管的寿命。使用电子镇流器可使光效提高１５％，节电２０％以上，功率因数可达０．９以上。

某图书馆荧光灯镇流器采用Ｐａｎａｓｏｎｉｃ　ｅ－Ｈｆ智能型电子镇流器。ｅ－Ｈｆ智能型电子镇流器是针对ｅ－Ｈｆ高效荧光灯高功率点灯进行了最优化设计的高效、优质电子镇流器。它具有智能节能功能，在灯管启动后，电子镇流器可切断多余的灯丝电流，４５Ｗ两管可节能约３Ｗ功率。

优质：谐波电流，电磁兼容（ＥＭＣ）均符合ＧＢ规定：获得ＣＣＣ认证。

安全：灯管寿命末期保护；防雷击；替换灯管等空载情况下，可自动检知并切断电源。

2 自然采光与空间照度设计

在现代建筑节能理念中，可再生能源（太阳能、风能）的应用越来越受到重视。建筑设计中在采光方面追求自然光的思维发展迅速。玻璃幕墙、玻璃天窗和屋面在建筑中的应用增多。

在某图书馆设计中，为了尽可能利用自然光源，将所有的阅览室均放在地面以上，而公共部分的一些服务、设备及设施被设置在地下一层，同时为保证尽可能多地吸收自然光，避免眩光，在玻璃外墙上增加了可调节的水平遮阳板。当然，自然光照明不可能遍布图书馆的每一个角落，所以人工照明功能也变得同样重要：室内灯光采用高照度并且照度相对稳定与节能的照明设施，这样既可避免眩光，同时间接光照明又为读者提供一种温和的光背景，使查阅电子版的读者尤其感到眼部舒适（注：直接光照明一般使用在个人书桌、书架、服务台及人流通道附近）。读者可以按照自己的意愿调节理想的光环境，让书页成为视线所达区域内最理想的部分，而不影响其他读者，同时也达到节能的目的。在地下一层建筑中精心考虑自然光的利用，首先将东南面的下沉庭院敞开，西侧、北侧各设３ｍ宽开敞通道，保证整个地下层面有５０％的面积能直接通风、采用自然光，以大大改善压抑感，降低能源消耗，达到节能效果。

（1）大厅

大厅（见图2）主要光源来自单侧直落地面的玻璃幕墙，在由室外广场进入室内的过程中，人们需要在入口大厅过渡，这种过渡作用需要的是一个中性场所，因而无论空间环境还是光环境都需要有个预示，所以在大量的自然光中也要根据人体的尺度进行中间元素的插入，营造出友好、亲和的氛围。

（2）阅读区

阅览平台和书架陈列采用跃层的空间手法，并充分利用天窗照明，空间变化丰富。直接光照明一般使用在个人书桌、书架、服务台及人流通道附近。读者可以按照自己的意愿调节理想的光环境，让书页成为视线所达区域内最亮的部分，且不影响其他读者。阅读区实景图（见图3）。

（3）展览区

展览区（见图4）装有轨道灯和荧光灯。在控制系统设计上采用调光控制。做到人来灯亮人走灯暗（保持一定的基础光），展厅没人时，系统能缓慢地将灯光调至基础光水平；当有人进入展厅时，系统能自动打开灯光。既能体现展示效果，也能达到节能的目的。展览区调光示意图如图5所示。

3 调光与照明控制系统的应用

3.1 调光要求

调光首先要满足视觉环境对照度的基本要求，为人们提供方便、舒适的照明环境。但良好的图书馆内照明并不是单纯追求充足的光亮，必须要满足一定照明质量的要求。照明质量主要指照度均匀性、亮度分布均匀性、照度稳定性和频闪效应的影响等４个方面的内容，调光的前提就是保证照明质量。

（１）照度均匀性。图书馆内照明一般要求灯具照到被照面上光的强弱要均匀，一般要求照度均匀度在０．７以上。

（２）亮度分布均匀性。照明环境不但应使人能清楚地观看事物，而且要给人们以舒适感，故在整个视野内要有适合的亮度分布。当亮度对比度很大时，会使人眼很快疲劳。因此，一般工作面的亮度差别约为１∶３。

（３）照度稳定性。保证照度在使用的过程中高于或等于照度标准值，应预先考虑光源老化、灯具污染、房间污染等不利因素，设计时要进行适当的照度补偿。如对于清洁的环境，照度补偿系数可取１．３.另外，电压的变化也会引起照度的严重波动，对眼睛极为有害。为防电压波动带来的影响，可采取动力和照明电源分开等方式。

（４）频闪效应。对荧光灯而言，由于交流供电时电压周期变化，造成光通量也发生周期性变化，使人眼产生明显的闪烁感觉。图书馆内照明要求光通量波动深度在２５％以下。

3.2 调光原理

（１）调光原理

最常用的荧光灯电路主要由荧光灯管、镇流器以及 启辉器等元件组成。荧光灯管两端有灯丝，灯丝上粘有具有很强电子发射能力的物质，灯管内充有少量的汞和惰性气体，灯管内壁涂有荧光粉。当灯管内气体电离产生弧光放电时，汞蒸气受激发而发射大量的紫外线，灯管内壁的荧光粉在紫外线的激发下辐射荧光。荧光灯的调光是由镇流器来完成的。镇流器在荧光灯的启动和工作过程中具有极其重要的作用。它能将荧光灯的启动电流控制在合适的范围内。镇流器的开路电压峰值足以使灯内气体产生电离，从而启动荧光灯，并在灯的使用过程中使灯功率不发生大幅度变化。镇流器能自动控制荧光灯的正常工作电流，补偿放电电路的功率因数。荧光灯广泛使用电感镇流器。镇流器主要有两类：一类是采用改进的铁芯材料和工艺，从而能降低功耗的节能型电感镇流器，以改变镇流器的感抗值，调整输出功率来达到调光的目的；另一类是运用 电子线路产生高频（或低频）电流的电子镇流器，采用调节占空比、调频、调压或脉冲调相来达到调光的目的。

（２）控制结构

调光就是根据实际情况调节灯具，使图书馆内各功能房间保持应有的照度。具体由亮度传感器和调光设备组成闭环系统（如图6所示），可根据不同环境的照度设定值，对灯具进行实时调节。

当自然光较弱时，自动增加灯具的数量和亮度；当天然光较强时，自动减少灯具的数量和亮度。也就是人工照明的照度与天然光照度成反比例变化，使两者始终能够动态地补偿。

馆内或馆外照度主要由亮度传感器来采集。亮度传感器是把光信号转换为电信号的传感器。工作原理主要是通过光子与物质相互作用，直接得到电信号的量子效应。它主要由光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管等光敏器件构成。灯具调光由调光设备来控制。调光设备已经历了四代：第一代为电阻型调光器，第二代为变压器型调光设备，第三代是电磁放大器型调光设备，第四代是晶闸管调光设备。第一代的效率最低，第四代的效率最高。

3.3 调光优势

（１）高效节能。在调光系统中，通过亮度传感器测定工作面的照度，与设定值比较，来控制照明，这样可以最大限度地利用自然光，达到节能的目的，同时也可提供一个不受季节与外部气候环境影响的相对稳定的视觉环境。一般来讲，在合成照度维持于设计照度值的前提下，越靠近窗口，自然光照度越高，从而所需人工照明提供的照度就越低，节能效果就越好。

（２）保持照度的一致性。随着时间的推移，灯具的效率和房间墙面反射率会不断衰减，传统的照明方式会导致图书馆内照度的下降。采用图书馆内照明调光系统后，由于可以智能调光，调光系统将会按照预先设置的标准亮度使照明区域保持恒定的照度，而不受灯具效率降低和墙面反射率衰减的影响。

（３）满足不同读者群的光环境需求。图书馆建筑的光环境应考虑人的因素，不同年龄阶段读者及一些特殊读者对光的感觉是不一样的。一般说来，年长读者和弱视读者要求的光照度更高些。而最好的解决方法是采用不同的调光控制，通过整体照明和局部照明相配合的照明方式，满足不同读者群个性化的光环境需求。

（４）延长灯具寿命。灯具损坏的致命原因是电网过电压。只要能控制过电压，就可以延长灯具的寿命。照明调光系统一般采用软启动的方式，能控制电网冲击电压和浪涌电压，使灯具免受热冲击，从而延长灯具寿命。这样，不仅节省大量灯具，大大减少更换灯具的工作量，而且可有效地降低图书馆内照明的运行费用。

3.4 某馆所用智能照明控制系统介绍

该控制系统是一个分布式、总线型的智能照明控制系统，主要用于对照明系统的控制。也可以用于与消防、保安、门禁等系统，空调、窗帘、投影仪、电动幕布等设备联动。

控制系统所有的单元元器件均内置微处理器和存储单元，由一根信号线（５类线）将它们连接成网络，连接照明控制器的网络通讯速率为９６００ｂｐｓ.每个单元均设置唯一的单元地址并用软件设定其功能，通过输出单元控制各回路负载。输入单元通过群组地址和输出组件建立对应联系。当有输入时，输入单元将其转变为控制信号在系统总线上广播，所有的输出单元接收并做出判断，控制相应回路输出。

控制系统通过总线将所有单元器件连接成网络（如图8~9所示）。从图中可以看出，其控制系统的组成：

（1）系统单元：网络桥、ＰＣ接口等组成；

　　（2）输入单元：红外传感器、亮度传感器、控制面板、触摸屏等；

　　（3）输出单元：智能继电器、荧光灯数字调光接口、荧光灯模拟量调光接口等。

3.5 区域控制说明

（1）大堂

光源主要以节能灯为主，门厅可以给进入图书馆的人们留下深刻的印象，所以在满足基本使用要求的前提下，应该配合装饰，充分利用灯光的表现力来展现公司的形象与魅力。

控制方式主要有：

1）定时自动调用场景：根据图书馆作息时间划分成多个不同时段，每个时段对应一个场景模式（如上午模式、下午模式、晚间模式、闭馆模式等）。在控制器中预先设置了这些场景，根据时间自动调用。该方式自动执行，无须人员干预。但与外界光线无关联，无法充分利用自然光。

2）亮度传感器恒照度自动控制：利用亮度传感器，根据外界光线自动调节灯光亮度，从而维持恒定照度（预先设好如３００ｌｘ）。该方式不仅自动执行，无须人员干预；同时充分利用自然采光，变常规照明为补光照明，在满足环境照明要求的基础上最大限度地节约电能。另外，该方式控制十分精确，如场景控制中设定２：００~７：００pm这一时段亮度调节到６０％，但恰好此时阴天下雨，要加强室内亮度还需人工手动调节。

通过比较，我们综合了上述两种方式，即恒照度＋场景控制的方式。用多功能传感器做恒照度控制；用彩色触摸屏做场景控制，主要是考虑到某些特殊场合的应用，如领导视察、贵宾来访、记者摄像、重大节假日等，可能需要临时改变现场的灯光亮度。这样用户可以根据自己的需求随意对灯光进行控制，非常方便灵活。

（2）阅览区、借阅区、自修区

充分利用该智能照明管理系统显著节能的特点，在阅览室区域中充分利用自然采光，变常规照明为补光照明，最大限度地节约电能。根据不同季节（冬／夏令时制）、不同时段、不同的控制要求，预先设置多种场景，如早晨模式、上午模式、中午模式、下午模式、晚间模式、节假日模式等，存储在系统中的智能时钟管理器中，系统根据不同日期、不同时间自动调用相应的场景，实现多场景的自动控制，同时，考虑到一些特殊情况如阴天、临时的重要活动等，值班人员可以根据需要轻触一下触摸屏或面板，临时改变系统的工作状态，之后系统自动恢复到预设状态。其主要控制方式与大厅的控制方式相同。

（3）报告厅

报告厅区域大，回路多，功能多，但控制必须简单方便。我们采用了彩色触摸屏，设计了“准备、会议、报告、投影、休息、摄像、清洁、全关等”场景。用户可根据需要，进行“一键式”操作。也可在某场景下对某光区进行微调。总之，用户可以随心所欲地控制灯光，以达到需要的效果。

如轻按“准备”键，整个报告厅的灯光渐渐调到较亮亮度，方便布置会场、准备资料；

按“报告”键，主席台的灯光渐渐变亮，观众席的灯光渐渐变暗，突出主席台的形象，使与会人员的精力集中到主席台上；

按“投影”键，灯光渐渐变至最暗，观众席的灯光按前、中、后的顺序渐渐变至较暗、稍暗、较亮，既方便人们观看投影，又方便做笔记；

按“休息”键，整个会议厅的灯光渐渐调到稍亮亮度，灯光的渐变使人眼部感受不到光线突变带来的刺激；

按“摄像”键，灯光渐渐调到很亮，为摄像、拍照提供充足的光线；

按“清洁”键，灯光渐渐调到较亮亮度，方便清扫场地和布置会场；

按“全关”键，灯光渐渐关掉。

并且触摸屏具有外型美观，功能强大，直观生动等特点。

4 结束语

综合以上对某图书馆内照明系统简要分析可以看到，图书馆照明是一个系统工程。只有在照明的各个环节上都认真把握先进的设计理念，采用节能的新型照明方案，把能耗降到最低，设计出的图书馆内照明才能既符合人们的学习和工作需要，又满足高效、节能的绿色照明要求。