蔣小銘,張 斌

(沈陽鋁鎂設計研究院有限公司,遼寧 沈陽 110001)

中國綠色照明工程自從1993年由國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會啟動以來,迄今已有近三十年的歷史。綠色照明在產(chǎn)品開發(fā)、工程設計、運行維護等方面廣泛大力開展,提高了能源效率。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,2020年中國現(xiàn)有鋁行業(yè)建筑面積約為三千萬平方米。照明能耗與鋁行業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的建筑面積和工作時間成正比。照明用電占鋁廠總耗電量的相當大比例。假設實現(xiàn)綠色照明,照明功率密度降低2 W/m2,且工作時間為每年3760 h,每年鋁行業(yè)建筑照明可節(jié)電1.66億kWh。因此,綠色照明設計是鋁廠節(jié)能需要考慮的重要因素之一。運用高效和精細化的照明設計策略,可以提供適當水平的照明并降低成本和能耗。本文旨在借助綠色工業(yè)建筑照明設計理念,運用DIALUX模擬仿真軟件,為鋁工業(yè)設計高效的照明系統(tǒng)。

1 綠色工業(yè)建筑與綠色照明

綠色工業(yè)建筑是指在建筑的整個生命周期內(nèi),為生產(chǎn)和人員提供適宜、健康、安全和高效的空間利用,同時最大限度地減少資源消耗和污染以保護環(huán)境的建筑。綠色工業(yè)建筑是由節(jié)約土地和可持續(xù)場地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料、室外環(huán)境和污染控制、室內(nèi)環(huán)境和職業(yè)健康,以及運行和管理組成的系統(tǒng)解決方案。完成綠色工業(yè)建筑設計在技術上具有挑戰(zhàn)性,因為設計既要考慮工藝特點,又要考慮綠色建筑的要求。

綠色照明的概念最早由美國環(huán)境保護署于1991年提出,并迅速贏得了聯(lián)合國支持,以及眾多發(fā)達國家和發(fā)展中國家的重視。綠色照明旨在節(jié)約能源、保護環(huán)境、提供舒適的光環(huán)境,以便提高工作效率和生活質(zhì)量。對于鋁行業(yè)來說,最重要的是可靠性,因而鋁工業(yè)照明應該為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境提供安全可靠的照明。鑒于工業(yè)建筑的綠色照明涉及到工藝特點、建筑特點、投資、光源和燈具,因此不同于其他建筑照明。工業(yè)照明設計應首先關注照明必須滿足工藝生產(chǎn)的功能要求;其次,還須考慮建筑的具體條件。設計師需要制定系統(tǒng)、可行的方案,以滿足綠色照明、可靠性、運行和管理的要求。

根據(jù)鋁行業(yè)生產(chǎn)的工藝特征,在諸如原材料、過程質(zhì)量檢驗、產(chǎn)品驗收等過程中,光源的選擇可能會影響色彩呈現(xiàn),進而影響檢驗的準確性。因此根據(jù)顯色要求,所選光源應符合當前國家能效和能效等級的最低允許值,并滿足工藝生產(chǎn)對光源顯色的要求。設計者可以選擇要求普通、作業(yè)密度低的混合照明,以及照明要求不同的局部照明。鋁行業(yè)照明不僅要考慮車間、工藝工段和工藝組,還要考慮工作班次。

自然光有利于身心健康,可提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。室內(nèi)可以用高頂燈照明屋頂天窗或采用帶狀采光裝置。由于價格低廉、施工簡單,工業(yè)建筑普遍采用屋頂天窗。設計師應該充分利用自然光,它不僅可以節(jié)省照明用電,也能夠?qū)崿F(xiàn)了人與自然的和諧共處。房間室形指數(shù)(RI)是決定燈具選擇的另一項因素,設計師將通過公式(1)計算房間室形指數(shù)。根據(jù)RI值,設計師應選擇不同的燈具配光曲線,這對于綠色照明設計而言非常重要。

(1)

式中:L——長度,m;

W——寬度,m;

h——高度,m。

2 DIALUX照明設計軟件

DIALUX是德國開發(fā)的帶有3D模擬照明設計的專業(yè)照明軟件,支持光源數(shù)據(jù)(IES、CIE、CIBSE、ULD、PDF等),并逐漸與飛利浦、BEGA、THORN、ERCO、歐司朗、BJB、邁耶、路易·鮑爾森等世界知名照明廠商合作,與這些主流照明廠商的數(shù)據(jù)庫能夠友好兼容,可以輕松實現(xiàn)對照明設計的精確模擬和計算,目前應用日益廣泛。DIALUX4.9版本在引入DIALUX evo版本后,軟件界面和操作方式都得到了簡化,增加了更多的自動化操作,并可提供三維仿真燈具模型、DWG導入導出、3D渲染、光跡追蹤、功耗和精確的照度值,確定是否符合照明標準,讓照明設計變得更加直觀和智能。

快速準確的光環(huán)境模擬,需要精確的模型和正確輸入的實際參數(shù)。本次研究選用的DIALUX evo軟件具有類似于三維軟件的基本功能。首先,引入簡化的CAD圖紙,根據(jù)圖紙尺寸利用輔助線建立Building模型,設置地板的高度,然后切入房間空間,添加必要的門窗、設備等構(gòu)件;其次,針對空間指定材質(zhì),使用照明廠商提供的燈具庫組件放置燈,初始光源照明,計算空間照明的參數(shù),生成并導出計算報告。

3 鋁廠綠色建筑照明設計

鋁廠的主要工藝流程包括氧化鋁、電解鋁和碳素,下面以某鋁廠氫氧化鋁焙燒車間為例,該車間廠房長56 m,寬48 m,層高6.5 m,水平立柱的間距約為8 m。照明系統(tǒng)提供工藝設備的局部照明和通道的照明。

關于照明燈具的選擇,根據(jù)中國建筑照明設計標準和工廠條件,整個過程的照度標準水平為100 lx。考慮到價格、顏色指數(shù)和發(fā)光效率,選擇低功率高色LED光源,包括70W LED泛光燈,既實現(xiàn)了更好的顯色性,又以更低的維護成本達到了綠色設計的目的。從DIALUX的產(chǎn)品目錄中發(fā)現(xiàn),飛利浦HPI-P70W-BU的發(fā)光效率在80 lm以上。

考慮到這個過程,為了便于計算房間室形指數(shù),車間分為4個區(qū)域,各分區(qū)的房間室形指數(shù)可計算為RI1#≈3.1、RI2#≈ 3.3、RI3#≈2.4、RI4#≈3.0,因此分區(qū)的燈具應該是寬光分布曲線。簡而言之,燈具可以是相同的類型。為了匹配光源,我們可以選擇使用DIALUX插件的高效燈具。根據(jù)DIALUX的照明設備位置,計算器在計算機中建立建筑三維模型后,DIALUX自動計算并確定照明設備應安裝的具體位置,以提高照明質(zhì)量。快速準確的光環(huán)境模擬需要精確的模型和正確輸入的實際參數(shù)。本次研究選用的DIALUX evo軟件具有類似于三維軟件的基本功能。首先,引入簡化的CAD圖紙,根據(jù)圖紙尺寸利用輔助線建立建筑模型,設置平臺的高度,然后切入工作空間,添加必要的門窗、設備等構(gòu)件;其次,針對空間指定材質(zhì),使用照明廠商提供的外掛式放置燈,初始光源照明,計算空間照明的參數(shù),生成并導出計算報告。接下來優(yōu)化每個照明區(qū)域,使等值線與照明區(qū)域的形狀相似。工廠的最終仿真三維模型如圖1所示。通過將仿真結(jié)果導出到計算機輔助設計文件,可以使用AutoCAD測量每個設備位置。

圖1 焙燒車間照明仿真模型

設計能效車間照明面積為8135 m2,照明負荷為26,927 W,照明功率密度為3.31 W/m2。功率密度電流值為5 W/m2,由此降低了33%的能耗。工作區(qū)的平均照度為56 lx,車間的點照度值圖參見圖2。

圖2 焙燒車間點照度值圖

4 基于DIALUX evo軟件的燈光測試與優(yōu)化

本次測試使用的燈具為飛利浦和歐普兩個品牌,包括PHILIP HPK038型70 W大功率單頭泛光燈具、OPPLE WH-35型35 W燈具,地面用灰色油漆,頂部和立柱用黑色油漆。通過軟件測試報告可以看到,該車間工作表面的平均照度值為56 lx,照明密度限值為2.65 W/m2,照度均勻度為0.32,顏色為83。參照規(guī)范要求,照明密度限值和顯色性均達到了工作照明要求,但照度均勻度僅為0.32,明顯低于規(guī)范要求的0.6,而從輸入的iso那邊圖也可以看出,部分區(qū)域照度達到200 lx,但工作區(qū)域的區(qū)域照度值只有50 lx,這明顯說明空間照度分布不均勻,在實際使用中非常容易產(chǎn)生陰影區(qū)域和視覺疲勞,同時也帶來不必要的功耗損失。

鑒于此,對于軟件測試反映出的照度分布問題,需要從以下兩個方面進行調(diào)整:一是根據(jù)區(qū)域的空間定位來調(diào)整燈具數(shù)量,比如電機區(qū)域就應該增加燈具,因為這個區(qū)域不僅在模型空間有明確的功能要求,也是生產(chǎn)流程的重要區(qū)域。因此,照度要適當提高,但要考慮到周圍立柱上方的射燈照明。而車間的外側(cè)和走道應適當減少燈的數(shù)量,入口處的照明不能超過戶外的亮度,否則無法滿足生產(chǎn)操作的需求。車間邊緣的照明應適當減少,既要符合法規(guī)要求又能達到節(jié)能的目的;二是調(diào)整燈位,泵區(qū)主要安裝有工藝設備和控制箱,燈光要讓操作者清晰觀察到所有設備的運行情況。如果照度分布不均且對比度大,則無法體現(xiàn)設備工作狀態(tài),這就需要調(diào)整燈位,使照度分布達到平衡。

優(yōu)化后的DIALUX evo使用測試結(jié)果顯示:工作區(qū)的照度從之前的56 lx增加到117 lx,邊緣區(qū)域和走臺的照度從之前的67 lx減少到50 lx,泵區(qū)的照度從75 lx增加到120 lx,基本符合預期目標。但是,區(qū)域照度在增加的同時,平均照度從之前的56 lx增加到86 lx,略高于規(guī)范要求,這樣會增加能耗數(shù)量,但是考慮到測試場景并未放置工藝設備,材質(zhì)與實際設計不完整一致,因此可以基本確定測試結(jié)果有效。

5 結(jié) 語

運用DIALUX軟件進行鋁行業(yè)的建筑照明設計,首先改變了對照明設計效果不可控的現(xiàn)狀;其次,使用最少的燈具滿足照明需要, 實現(xiàn)節(jié)能且經(jīng)濟環(huán)保。同時,也提升了運維人員使用的舒適度。這種設計精準化的趨勢,已經(jīng)成為當前照明設計的主要方向。在綠色工業(yè)建筑設計中,照明設計應結(jié)合鋁行業(yè)的工藝及建筑特點。設計人員應在充分了解工藝和建筑等要求的情況下,合理布局,選擇合適的照明產(chǎn)品,優(yōu)化照明設計,實現(xiàn)最大限度地節(jié)約能源。