許國(guó)順， 馮天麒， 鄧國(guó)浩， 王易琳

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院， 湖北武漢 430065)

自動(dòng)調(diào)節(jié)LED亮度在建筑照明節(jié)能應(yīng)用探析

許國(guó)順， 馮天麒， 鄧國(guó)浩， 王易琳

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院， 湖北武漢 430065)

夜晚以及特殊天氣的照明需要，決定了照明系統(tǒng)作為教育硬件的一個(gè)重要部分。在大部分學(xué)校教室中，教室的照明系統(tǒng)依然采用最普遍的熒光燈管進(jìn)行光線的補(bǔ)充，而由于初期建設(shè)規(guī)劃不夠嚴(yán)謹(jǐn)以及成本等條件的制約，在照明方面，存在著相當(dāng)大的能源浪費(fèi)現(xiàn)象。文章就此現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)地調(diào)查與測(cè)量，從而提出自動(dòng)調(diào)節(jié)LED亮度方法在教室照明，乃至建筑照明方面的應(yīng)用。

建筑照明； 自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度技術(shù)； LED； 節(jié)能； 教室

隨著經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，教育的硬件水平也不斷提高，例如教室內(nèi)的多媒體設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)、投影儀、揚(yáng)聲器等，都為教學(xué)提供了非常大的幫助；教室的照明設(shè)備，也能讓教學(xué)在夜晚以及惡劣天氣得以正常進(jìn)行。但是由于現(xiàn)在的許多設(shè)備還不夠完善，以及大家的節(jié)約意識(shí)還不高，更沒有養(yǎng)成節(jié)約能源的習(xí)慣，所以在日常對(duì)設(shè)備的使用過程中，造成了能源浪費(fèi)情況的發(fā)生。本文就教室的照明系統(tǒng)入手，進(jìn)行實(shí)地調(diào)查與測(cè)量，經(jīng)過對(duì)測(cè)得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與處理，并仔細(xì)查找與閱讀多方面文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在日常的教學(xué)過程中，在照明這方面的確存在著能源浪費(fèi)的情況。例如，在晴朗的天氣，教室可完全憑借自然光或者僅需要少量的光線補(bǔ)充，便完全可以提供教學(xué)所需要的室內(nèi)光線量；或者在沒有課程安排的空閑教室，也會(huì)存在著照明系統(tǒng)全開卻室內(nèi)無人的情況。由此，本文將討論有關(guān)LED燈通過自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度的方式在節(jié)能方面的應(yīng)用，在保證滿足教學(xué)需求的基礎(chǔ)上，加以延展，經(jīng)過論證，闡述一種在建筑照明上節(jié)約能源的方法。

1 教室照明用電量現(xiàn)狀

學(xué)校照明用電在學(xué)校用電量比例由表1可知，2013年占比52.28 %，并且呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，而教室照明用電量占據(jù)了學(xué)校照明用電量的大部分[1]。

表1 2010-2013年全國(guó)學(xué)校用電量及照明用電量

所以教室的室內(nèi)照明節(jié)能意義十分重大，對(duì)于節(jié)能環(huán)保以及現(xiàn)代建筑智能化具有重要意義。而大學(xué)教室的照明需求量十分巨大，照明質(zhì)量需求也直接影響到學(xué)生的視覺心理、生理反應(yīng)、學(xué)習(xí)效率，而照度是最直接而且與能耗最相關(guān)的項(xiàng)目，照度過低、過高均對(duì)學(xué)習(xí)會(huì)產(chǎn)生不良影響[2]。過高的照度，還附帶會(huì)產(chǎn)生更高的能耗。由于早期建設(shè)成本的控制以及技術(shù)的制約，大學(xué)教室的照明往往是很多個(gè)燈并聯(lián)在一個(gè)控制器上，這就導(dǎo)致了照明亮度不能夠保證根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)需求，加上很多師生不注意節(jié)約能源，出現(xiàn)了很多人在燈亮、人少燈全亮、白天亮燈等浪費(fèi)情況。在其他建筑照明方面，往往也由于人們不注意節(jié)約加上成本控制的原因，照明設(shè)備也不能滿足節(jié)能環(huán)保的要求。LED 作為第四代照明光源發(fā)展至今，已取得了一定的技術(shù)研究成果, 目前廣泛應(yīng)用在道路照明、商業(yè)照明、辦公照明等各個(gè)領(lǐng)域。 從其實(shí)際使用情況來看, 確實(shí)取得了很好的照明效果和節(jié)能效果。 而在教室照明領(lǐng)域, 盡管部分廠家使用LED燈管來替換熒光燈管, 在節(jié)能方面取得一定的成功, 但仍無法改變目前教室照明的整體困境[3]?？傊趯W(xué)校教室照明用電的情況中，存在著很多浪費(fèi)的情況，我們可以在這個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

2 實(shí)地測(cè)量及理論模型

2.1 LED燈對(duì)比優(yōu)勢(shì)

由于熒光燈管的阻抗隨工作電流的增加而減小，因此對(duì)其亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)也十分困難，尤其是大亮度調(diào)節(jié)比的場(chǎng)合[4]。熒光燈管的性質(zhì)決定了調(diào)節(jié)亮度的難度與成本不符合節(jié)能環(huán)保的要求，新型的LED照明系統(tǒng)具備了容易進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。所以，結(jié)合自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度功能的LED照明系統(tǒng)，它具有實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)亮度以維持高質(zhì)量照度需求、節(jié)約能耗等特點(diǎn)。

2.2 實(shí)地測(cè)量，對(duì)比國(guó)標(biāo)，理論分析

根據(jù)GB 50034-2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(下文簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)規(guī)定，教室課桌面積平均照度應(yīng)該不小于300 lx，才能滿足正常的照度需求。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，選取有代表性的教室進(jìn)行細(xì)致測(cè)量，通過多時(shí)段、多地點(diǎn)的測(cè)量方式測(cè)得部分教室在無照明光源和現(xiàn)有照明光源條件下的照度情況(表2)。

由此可知，我們看到教室的日光照度是從晚上的最低值到中午到達(dá)峰值，然后又隨著時(shí)間慢慢降低，降到最低值，這也符合室內(nèi)日光照度一般規(guī)律。所以在早上和晚上的時(shí)間往往需要打開照明系統(tǒng)來補(bǔ)充亮度，達(dá)到教學(xué)使用的目的。由表可知，在早上八點(diǎn)時(shí)，大部分的教室僅僅依靠太陽光，達(dá)不到國(guó)家規(guī)定的不小于300 lx照度的要求。而在打開照明系統(tǒng)之后，發(fā)現(xiàn)大部分的教室滿足了《標(biāo)準(zhǔn)》的照度需求，也有部分教室也超出這一標(biāo)準(zhǔn)很大部分，而超出的這一部分，我們完全可以節(jié)省下來，達(dá)到節(jié)約能源的目的。隨著時(shí)間的推移，在室內(nèi)采光足夠好的條件下，日光照度已經(jīng)滿足了《標(biāo)準(zhǔn)》的照度要求，所以這時(shí)候大部分的教室已經(jīng)不需要打開照明系統(tǒng)就足以滿足正常的教學(xué)要求，而此時(shí)再打開照明系統(tǒng)就是不必要的浪費(fèi)?；诖?，我們可以得出一個(gè)結(jié)論：在天氣晴朗、室內(nèi)采光良好的條件下，以《標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)室內(nèi)照度的要求為標(biāo)準(zhǔn)，一天中，在日光照度慢慢升高的過程中，打開照明系統(tǒng)進(jìn)行照度補(bǔ)充，會(huì)使得室內(nèi)照度高于《標(biāo)準(zhǔn)》，并隨著時(shí)間的增加而增加；當(dāng)日光照度升高到超出《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的照度時(shí)，已經(jīng)不需要照明系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充就可以滿足人們的日常使用了；而隨著日落日光照逐漸下降，下降到低于《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的照度時(shí)就需要打開照明系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充，并會(huì)以超過《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的照度慢慢下降至最低值。這個(gè)過程中，我們可以通過調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)的亮度來使得室內(nèi)照度滿足規(guī)定要求的情況下，降低能源的使用。

表2 部分教室照度測(cè)量情況 天氣晴lx

而LED光源的特性，它產(chǎn)生的光照的強(qiáng)度和它所需要的能量是正相關(guān)的，也就是說在降低了它的亮度之后可以節(jié)約能源。

3.3 建立能耗模型

我們建立一個(gè)模型，假設(shè)按教室照明用電占學(xué)校照明用電量50 %計(jì)算，每間教室在不使用任何節(jié)能照明產(chǎn)品的前提下，每天從7∶00～21∶00亮燈，共計(jì)14 h，日光照度從7∶00的0 lx到峰值300 lx再到21∶00的0 lx，功率為P1，所以一天的總能耗W1=14P1，而應(yīng)用了帶有自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度功能的LED照明系統(tǒng)之后，假設(shè)最高功率仍為P1(實(shí)際上同等照度的LED光源遠(yuǎn)比熒光燈功率低)，實(shí)際功率P2就是一個(gè)一次函數(shù)：

取學(xué)校照明總耗電量2010～2013平均值159.565億kW·h，應(yīng)用該系統(tǒng)后每一年可以節(jié)約159.565×50 %×1/2=39.9(億kW·h)，按每度電0.6元計(jì)算，一共可以節(jié)約近24億元人民幣。而對(duì)比這種模型，實(shí)際情況中，由于舊設(shè)備的老化問題、教室實(shí)際使用時(shí)間往往比假設(shè)的少、教室照明占學(xué)校照明用電量往往大于50 %、LED光源本身就具備了節(jié)能特性等條件下，節(jié)約的能源會(huì)比模型中高很多，所以不管是從經(jīng)濟(jì)上還是節(jié)約能源上面都有很大的應(yīng)用價(jià)值。

3 一種燈光智能控制系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)以低功耗單片機(jī)MSP430為主控部件采用熱釋電感應(yīng)器檢測(cè)人體的存在,運(yùn)用光敏三極管檢測(cè)背景光的強(qiáng)度,通過恒定電流源來控制LED燈光的強(qiáng)度, 依據(jù)教室開關(guān)燈的時(shí)間，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對(duì)人體和背景光進(jìn)行檢測(cè),對(duì)LED進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)教室燈光的智能化控制，減少教室電量消耗?？刂葡到y(tǒng)硬件組成以MSP430為微控制器輔以外圍電路如熱釋電紅外傳感器模塊、DS1302時(shí)鐘電路、AD/DA數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)模塊、背景光檢測(cè)模塊和 LED 驅(qū)動(dòng)模塊。其系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示[5]。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

4 結(jié)論

由以上分析，我們得出LED燈通過自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度在教室照明中應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生很高的節(jié)能、經(jīng)濟(jì)效益，根據(jù)保守理論預(yù)測(cè)，至少會(huì)節(jié)約39.9億kW·h的電量，節(jié)約巨大的社會(huì)資源。由于LED產(chǎn)業(yè)屬于新興產(chǎn)業(yè)，以教室的光源更換勢(shì)必帶來整個(gè)行業(yè)的進(jìn)步，屆時(shí)會(huì)隨著技術(shù)的提高，產(chǎn)品能耗會(huì)越來越低，越來越智能，產(chǎn)生一個(gè)良性循環(huán)，這不管對(duì)于師生還是社會(huì)發(fā)展都有幫助。同時(shí)由于它無需人為控制即可做到自啟自停自動(dòng)調(diào)節(jié)，降低了使用成本，減少了不必要的麻煩，體現(xiàn)了科技的以人為本。

5 討論與建議

由于我國(guó)前些年的經(jīng)濟(jì)條件制約，教學(xué)設(shè)施建設(shè)初期確實(shí)存在很多問題，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以往一些環(huán)境不夠友好的設(shè)備終將會(huì)淘汰，科學(xué)技術(shù)水平也得到極大地提高。智能已經(jīng)成為了每一件事物前進(jìn)的目標(biāo)，智能化讓我們的生活質(zhì)量得以改善。技術(shù)發(fā)展的最終目的就是服務(wù)于人類的生活，科技還是要回歸到人類本身，所以我們將看到越來越多的高端技術(shù)下放并應(yīng)用在日常的生活當(dāng)中，這樣我們的生活質(zhì)量得到很好的提高，同時(shí)，也能夠做到對(duì)環(huán)境的友好。而LED燈的智能調(diào)節(jié)亮度正是基于這個(gè)目的，減少人類的負(fù)擔(dān)，減少操作量，降低能耗，做到環(huán)境友好。而LED燈對(duì)比熒光燈除了更加的節(jié)能，還在色溫、頻閃等方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于提升教學(xué)質(zhì)量有很高的幫助。

由于實(shí)驗(yàn)條件的制約加上教室光源的復(fù)雜性，我們盡可 能的簡(jiǎn)化了其他方面的影響，單從節(jié)能方面進(jìn)行測(cè)量，但實(shí)際情況中，除了教室照明這一方面，還是有很多其他方面的問題值得我們?nèi)ヌ接?。我們不能僅僅局限于經(jīng)濟(jì)、能源方面的問題，往往需要我們從其他的角度去考慮。比如在教室照明的亮度方面，到底哪個(gè)范圍的亮度是最為合適的，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)可能也有提升的空間，國(guó)際上各個(gè)國(guó)家對(duì)于這一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)存在著極大的爭(zhēng)議[5]。而光照強(qiáng)度，不僅僅影響到學(xué)生們是否看得清黑板上的字、能否更高效率的學(xué)習(xí)、對(duì)于健康是否有影響，它甚至可能對(duì)師生們的心理產(chǎn)生影響[3]。

對(duì)于帶有自動(dòng)亮度調(diào)節(jié)功能的LED光源在教室的應(yīng)用方面，有下面兩點(diǎn)建議：

(1)學(xué)校應(yīng)該充分了解到LED光源對(duì)比現(xiàn)有的熒光燈光源的各方面的性能、能耗方面的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過論證來決定在長(zhǎng)期的使用當(dāng)中，對(duì)于經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、師生是否有益。

(2)建筑行業(yè)也應(yīng)當(dāng)開發(fā)出具有優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品，并將之拓展在除了教室之外的其他室內(nèi)建筑照明甚至室外公用建筑的照明上，將節(jié)能的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

[1] 鄭炳松，高飛，郭興翠.我國(guó)照明用電量的調(diào)查分析[J].中國(guó)照明電器, 2016(10)：18-22.

[2] 黃海靜.大學(xué)教室照明中的光生物效應(yīng)研究[D]. 重慶大學(xué)，2010.

[3] 鐘雄，侯洪才，喬慶飛. LED智能照明在中小學(xué)教室中的應(yīng)用[J]. 照明工程學(xué)報(bào)， 2016，27(3)：51-55.

[4] 王元慶. 脈寬調(diào)制亮度調(diào)節(jié)方式下冷陰極熒光燈性能的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 發(fā)光學(xué)報(bào)， 2004，25(4)：455-459.

[5] 李淵，李寶營(yíng)，穆艷. LED可調(diào)光自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J] . 液晶與顯示， 2011，26(1)：96-99.

[定稿日期]2017-07-24

許國(guó)順(1998～)，男，本科在讀，土木工程專業(yè)。

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