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一篇关节能灯具和照明设施控制装置的分析报告
Danny H.W. Li *, K.L. Cheung, S.L. Wong, Tony N.T. Lam
建筑能源研究小组，建筑系，香港城市大学，达之路，九龙，香港，中国
摘要：
在许多外国大楼里，电力照明是主要电力消耗项目之一。使用合适的带有调光控制的节能灯具和适当的采光方案可以帮助减少电力需求，也有助于视觉舒适和绿色建筑发展。这个文章展示了一个关于有电子镇流器和高频光电调光控制相结合的节能荧光灯安装在学校建筑里的能量和照明性能的研究。文章中分析了采用高频调光控制的办公室和教室的电力支出和室内照度水平。文章也用了几种简单的预测方法说明节约的照明。这个结果提供了可以适用于类似建筑布局和照明方案的操作和性能信息。
- 介绍
近日，大家对能耗和环境影响的关心正在提高。在美国，商业大厦消耗超过三分之一。总共基础能源需求，这个情况在香港也有发生。电气照明约占百分之25的总共建筑用能。取代在室内照明中使用的高级能源的需求是非常重要的设计方案。
为了促进室内照明能源的有效利用，香港政府发布了照明装置的能源效率使用守则。这个法典在发光效率方面规定了实现节能照明装置要求的最小值，也规定了灯具控制装置损失和照明功率密度的最少值，同时鼓励优化日光的使用。今年来，香港政府开展了许多关于使用有电子镇流器的节能灯具的试点研究。这些研究表明了，节能照明装置可以提供大量的电力并且节约能源，而且投资回收期相当短，它的视觉效果就像颜色本来表现的一样。有了合适的调光控制，当灯具的全光输出超过目标值，将节约更多能量。正确的使用节能灯具和日光可以减少电气照明运营成本而且对环境也有很重要的好处。
太阳能是一种非常高效的能源，而且它有可持续发展。太阳能被认为是用于色彩渲染的最好光源，而且它的质量是最适合人类视觉的。研究也表明太阳能是用来增强学习的最好的光源，也可以用来建造更健康的学习环境。自然光可以帮助减少电力照明的电力使用。而且，因为它的发光效率高，同样照明需求下它损失的热量将消散，因此，冷却需求也更小。这对热带和亚热带地区特别有利。在亚热带的香港，对于典型的非住宅建筑来说，空调和照明占了三分之二的总电力使用。这就不难得出采光控制可以节约大量的能源。节能建筑理念也适用于学校。上百个学者已经在研究教室的采光性能和日光链接照明控件。人们已经很好的理解了节能灯具和日光产生的视觉性能和电气照明节约能源的理论。现有建筑试点项目的经验数据将有助于确认理论模型的实用性、适用性和准确性。实际的节能和收益可以使业主和居住者信服去实施适当的节能措施和管理方案。然而，采用采光方案的建筑并不受欢迎。这种对采光设计的不热情反应的主要原因是缺乏信息来表明可能可以节约的能源、视觉效果和设计含义。本文介绍了一所使用节能照明装置和日光联动照明控制的教育机构在照明和能源性能方面的工作。描述和报告了预测潜在节能的简单表示，并讨论了它的设计含义。
2.照明控制
从广义上来说，光电的照明控制有两种基础分类。第一种是控件提供打开或者关闭状态，第二种是控件允许通过调光在最小值和最大值之间调节。开关控制设计用于在照明水平下降和上升到预定水平时自动打开和关闭电气照明。在采光方案中可以使用自动开关照明控制。这种与日光相关的照明控制类型的一个特殊问题是灯的快速频繁开关，特别是在不稳定的天气条件下，当日光水平在开关照明度周围变化时。这样会干扰住户并缩短灯的寿命。开关控制的一个变种是“差分开关或死区”光电控制，它有两个开关照明：一个开关照明打开，另一个开关照明关闭。它的主要优点是，当照度在所需水平附近波动时，可以减少开关。此外，它也使关闭更不突兀，因为它是在白天按眼睛所适应的光照的较高比例时执行的。据报道，在这种开关控制（差分开关或死区）下，没有简单的照明节能分析表达式。根据经验分析，Littlefair[20]认为相对节能可能接近超过Emean的时间比例，Emean是两个开关照明度的平均值。为简单起见，在一个工作年中，在开关控制下，电灯将关闭的那一部分简单地说就是超过Emean的工作年份的。对于采光设计和计算，日光可用性的累积频率分布可用于确定必要的电气照明使用，以及开关控制可能节省的能量。
调光或加满控制可改变灯的光输出与主要的照度水平一致。近年来，高频调光控制得到了越来越多的应用，采用的电子电路比传统镇流器更节能。高频调光控制不具有光输出与功耗完全成比例的理想特性。光输出大致可以假设成正比的功率消耗但灯不能暗到完全熄灭。在正常运行中，即使光照度远远超过设计值，其剩余光输出和功耗也会贯穿整个工作时间。因此，这样的操作可能不太引人注意，也不会对居住者造成干扰。图1示出了用于高频调光控制的理想操作的光输出和输入功率之间的相关性。当工作平面上的总照明度（日光加上闭环控制的电灯）超过所需照明度时，灯将变暗至最小光输出分数（f l，min）和相应的功率分数（f p，min）。在其他条件下，根据线性相关，用输入值f l、min、f p、min、目标照度、工作面照度和全光输出照度计算光功率消耗。
图1
3.背景信息
节能灯具的性能和日常照明设计通常通过现场测量进行最佳评估。评估结果及特点有助于制定节能策略和方案。实验计划包括为一个机构建筑安装节能型T5荧光分光管，以及适当的电子镇流器和白光连接照明控制装置。相关色温为4000K的t5管是由飞利浦公司制造的。室内照度水平和电耗是用照度计和功率分析仪分别测量出来的。照度计由美能达（日本）制造和校准的。硅光电池具有余弦和颜色校正功能，可测量高达300 kLx的照度，精度为plusmn;2%。测量采用多点光源测量系统。荷兰福禄克公司生产的电力分析仪及其附件被用来测量电力照明能量消耗。计算机程序flukeview 41 windows用于采集和传输测量数据。在尺寸为18 m*9.2米*3.7m在一所学校建筑内的3楼的车间进行节能照明装置的研究。最初，车间内的灯具是使用磁性铁芯电感镇流器安装在天花板上的嵌入式T8荧光灯。T8灯的CCT为4000 K也是飞利浦生产的。每个灯具由两个荧光管（双管型）和两个带标准扩散器的镇流器组成。一共安装了开放式灯具40台。每个灯具的灯泡和传统镇流器分别消耗72W和20W。照明总负荷为3680W，包括传统镇流器所消耗的功率。照明装置每单位建筑面积所消耗的电力密度约为22.3 W/m 2，小于教育机构25 W/m 2的最大推荐值。[5]使用电子镇流器将灯具配件替换为T5型。每个t5灯的额定功率为28W，每个电子镇流器消耗5W。在不改变亮度类型、数量和布局的情况下，测量和计算总照明负荷为2640 W，代表16 W/m 2的功率密度。灯具更换降低了1040W的额定功率，减少了28%。
为了研究车间的照明性能，对灯具更换前后电气照明引起的照度水平进行了测量和分析。房间索引（ri）就是房间比例的度量。数学上，它可以表示为[23]：
L为房间长度（m），W为房间宽度（m），h m是水平基准面（m）上方照明平面的高度。
工作平面设置在离地面1.2米处（即工作台高度），Ri计算为2.5。共设置35个测量点，超过房间指数在2到3之间所需的最小值25[23]。图2和3分别给出了基于使用了传统镇流器的T8荧光灯的测量结果和替换了电子镇流器的T5荧光灯的测量结果。从中看出，带有电子镇流器的T5灯具往往具有较高的照度水平。测量了使用T8灯具时269至551 lx的照度水平，平均值为430 lx。平均值为70 lx，低于教学车间推荐的500 lx照度水平，原因可能是灯具产量下降，灯具在一定时间内积灰所致。通常评价照度分布的标准是均匀性，即最小照度与平均照度之比。这代表任何工作区域的照明均匀度不应小于0.7[23]。用T8型灯具的标准偏差为85lx，均匀度为0.63。更换灯具后，可观察到显著的视觉性能改善。得到了600 lx的平均测量照度，标准差为64 lx，说明照度增加了40%。最大和最小测量照度分别为721和432 lx，均匀度为0.72。研究结果表明，T5节能照明可以改善视觉均匀性。
图2
由于更换节能灯和控制装置而可能节省的照明能量可通过工作实例进行估算。以典型的每天10小时和每周5.5天的运行周期为基础，确定了更换节能照明系统后每天、每月和每年的节能量，并汇总在表1中。计算的年节能量约为3000千瓦时，说明节能效果显著。高发光效率的节能灯具通常意味着为给定的室内空间提供相同的照明所需的功率较小。实测结果表明，在采用节能照明系统的情况下，平均照度水平大于推荐值，能耗较低，但仍保持基本的照明布局。说明更换节能灯具配件可能引起眩光以及过度的亮度问题（即更换节能灯后的照度可能远远超过要求值）。
表1电气照明节能
|
每日 每月 每年 |
10.4KWh 245KWh 2983KWh
0.063KWh/m2 1.48KWh/m2 18KWh/m2
学生可能很难在高眩光区域看到，这会导致视觉不适并恶化学校环境。但是，在照明布局不变的情况下，不需要重新安置其他建筑设施，例如，洒水喷头和空气扩散器，以节省此类额外的安装成本。此外，通过适当的光电调光控制，可以改善视觉效果，进一步降低照明能量，使照明度降低到所需值[24]。假设f l，min=0.05和f p，min=0.2（在目录中指出），并根据图1，计算出代表770 kw h/年的12%的进一步分数照明节能。需要指出的是，调光设备的额外资本成本也应考虑到财务合理性。目前的研究不包括由于灯具配件和控制装置的工作散热造成的空调节能。在香港，室温经常设定在25℃。当荧光灯在灯具内工作时，其环境温度升高。典型值可以高于10摄氏度开放式灯具的室温。电灯的显热包括来自灯的对流热，以及由周围环境吸收的辐射，经过一段时间的延迟后，由周围空气以对流热的形式释放出来。随着照明能耗的降低，冷却负荷和总用电量将进一步降低。
4.日光连接的照明控制
学者在2006年8月至10月的三个月内进行了采光设计研究。位于5楼，面向西南（225°）的全空调日光教室有尺寸为6 m（深）*11米（沿窗户立面）*3 m（高度）的地方被用来进行研究。窗墙比在0.4左右。总共有16个矩形顶部安装的嵌入式灯具和12个圆形嵌入式筒灯安装在平行于窗户正面的三排中。每个矩形和圆形发光体分别由两个28 W和一个26 W荧光管组成。照明负载被得出电子镇流器为1208 W，得出照明功率密度大约18.3 W/m 2。在断开调光控制的情况下，当所有百叶窗都被拉下以遮挡日光时，进行了由电照明引起的照度测量。灯具给出的照度是所有灯具开启和关闭时的照度之差。工作平面是在地板高度以上0.8 m的高度拍摄的。房间指数计算为1.8，设定了160多个测量点。图4示出了灯具布局图和指示教室中测量点的网格。
图4教室的布局规划和测量网格点
图5中绘出了以连接线形式测量的照明度。教室中间出现超过900 lx的峰值照度，平均室内照度计算为750 lx左右。它显示，电灯照明的照度远远超过了[建筑服务工程师特许学会( CIBSE ) 23对教室的推荐值500 lx。
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图5教室的实测电气照明照度( lx )
只有靠近窗户壁的12个圆形筒灯被高频调光控制装置监控。传感器安装在参考表面上方，与窗户有足够的距离，并检测反射的电光和日光，以提供闭环控制[ 25 ]。检测到的照明水平被发送到可调光电子镇流器，以相应地改变荧光灯的光输出。据研究报道，大多数调光镇流器可以将灯调暗到[最大光输出的20 %左右。记录并分析了自动调光控制下教室中12个圆形筒灯的电费支出。图6示出了测量期间(即，所有灯具都打开)记录的典型每日(即，24小时)照明能量使用曲线。可以看出，一整天都有大量的节能，最大的节能总是出现在白天。从图中可以观察到所有灯具都打开夜间110 W的电气照明负载，该负载相当于筒灯总安装照明功率的35 % (即312 W )。能量减少是由于矩形发光体。在7 : 00到17 : 00之间，利用可用的自然光，最小光输出总是保持在62 W的负载下(即F P，min = 20% )。照明负载轮廓下的区域表示每天使用的电力照明总量。通常每天工作10小时( 08 : 00–18 : 00 )，照明能源支出为12。1 kW小时用于教室，没有任何日光关联的自动照明控制。与图6中的电照明负载相比，由于日光照明而产生的每日节省量被确定为2.5 kW·h ( 37.5 W·h / m2 )，表示电照明能量使用减少了20 %。两个问题也需要提及。同样，计算也不包括空调导致的能量减少。此外，这一估计是基于现有的调光控制系统，该系统仅监控窗户正面附近的一排筒灯。如图6所示，节能主要是由于初始的筒灯过大，而不是由于日光响应控制。评估日光响应控制的实际效果应该通过将其与适当尺寸的灯具进行比较来完成，并且在房间使用时始终保持开启状态。如果调光系统应用于整个教室，总的电照明节能将会更多，这类研究将在下一节进行分析。尽管如此，据信，这些发现可以很好地说明采用这种“非节能”采光方案的教室可能节能。通常，在香港，一间教室里大约有40名学生。日光照明教室的日光照明控制可以显著节省学校的电力消耗。日光可以增加教室的能见度，并创造一个
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