不同光源调光节能效果分析及应用
1 前言
随着人类社会的高速发展,能源的消耗与日俱增,全球的科学精英们,在全力开发可替代“化石”能源的新能源;同时,建筑设计师们正研究从如何减少能源消耗的方面入手,为新型能源的开发争取宝贵的时间。
我们都很清楚二氧化碳排放带来的温室效应对人们生产生活的影响。以下的公式诠释了二氧化碳排放的决定因素。
CO2=P(people) × S(services per person ) × E(energy per service) × C(CO2 per unit energy),其中: 人口总数今年会达到70亿,而且会持续增长;
人均使用的服务量,现有的手机、电视、交通方面的需求及时保持不变,但还有很多处在贫困线的人们为用电而发愁,人均服务量也很难下降。
每单位能源的二氧化碳排放,就需要开发出更多的清洁能源。
基于上述理由,需要更加深入的了解如何更高效率、更为安全的使用能源。据不完全统计,全世界各国能源消耗中照明能源消耗从10%~33%不等,照明 消耗平均占了19%,住宅和公共厂房中照明能源消耗占10%~15%,而在商业建筑中,照明能源消耗竟占到了25%~50%(加权平均为40%)。
在此背景下,我国在2004年12月1日实行的《建筑照明设计标准》GB50034-2004中,第三章一般照明第3.4条规定,该标准采用房间或 场所一般照明的照明功率密度(简称LPD)作为照明节能的评价指标。本文拟从调光和节能的角度出发,具体阐述光源的选择、节能效果、调光技术的应用等方 面,为合理使用光源,推动绿色节能提供参考和借鉴意义。
2 光源概述
随着科学技术的革新,照明光源从1879年爱迪生发明的电灯,20世纪80年代家居装修开始流行的射灯(低压卤素灯),到现在办公楼宇广泛使用的荧光灯、节能灯(紧凑型荧光灯),直至近几年开始凭借低能耗、高亮度在照明领域应用的LED光源,勾勒出民用建筑中照明光源的发展历程。
令人眼花缭乱的光源,主要被分为白炽灯、气体放电灯两大类,除以上两大类外近年来逐渐推广成熟的LED(发光二极管)光源也开始占有一席之地。现在的常见光源分类如下:
(1)球形光源“GLS”
白炽灯,低压&超低压(12V dc)卤素灯。
(2)气体放电灯
荧光灯:汞气体放电灯、紧凑型荧光灯(节能灯)“CFL”,高亮度放电灯“HID”,高压汞灯“MBF”,低压钠灯“LPS,SLP,SOX”,高压钠灯“HPS,SHP,SON”,金卤灯“MH,HQI,MIB”。
(3)其它
发光二极管“LED”。绿色照明的行动正在展开,深入了解光源的发光原理,才能在不同区域选择适用的光源,再通过对其进行开闭、调光的方法控制从而达到节能的效果。
3 调光技术
上文罗列多种的光源,最常见到的问题在于,哪些光源可以调光、哪些光源不能调光,采用何种技术对其进行有效的调光控制等问题。
最早的一个记录调光器是威伍兹的“安全调光器”,发明于1890年。1961年乔尔皮拉发明了第一台固态调光器,并可以安装于墙面的配电箱内。二十 世纪六十年代出现的相位切割调光器,它采用电子回路来调节在照明负载上所施加的平均功率。这些回路根据要调节的照明负载的类型而使用不同的半导体组件,通 常采用相位角控制方法来实现负载的调光控制。相位角控制方法利用半导体的开关特性来改变交流波形的形状。相位角控制方法主要有两种即前沿和后沿。
3.1 前沿相位切割
利用可控硅导通角的相位控制调光方法作为一项传统的调光技术被广泛使用。它利用电子元器件(如可控硅)来改变电光源供电电压的波形,从而改变其有效 值的方法来调光,即所谓利用“斩波器”的方法来调光。在前沿控制中,每个半波周期的负载启动点有一定的延迟。这个延迟减少了曲线下的面积,进而减少了调光 器通道的功率输出。
这种调光方式是满足阻性负载、感应负载的调光需求。白炽灯、使用电磁变压器的超低压卤素灯(DC 12V)均采用此种调光方式。
3.2 后沿相位切割
现今使用的低压卤素灯多采用轻巧的电子变压器,为了配合电子变压器对低压卤素灯进行调光,运用MOSFET(金属-氧化层-半导体-场效晶体管,简称金氧半场效晶体管)的后沿调光技术,此项技术也开始普及并走向成熟。
在后沿控制中,交流电流提前启动。这同样减少了曲线下的面积,从而减少了回路的相对功率输出。
后沿调光技术适用于使用电子变压器的超低压卤素灯(DC 12V),同时也适用于白炽灯光源,即阻性负载、容性负载均可使用此技术进行调光控制。
3.3 可调光镇流器
荧光灯的调光是通过对其电子镇流器的控制得以实现的,因而灯具需要配置可调光的电子镇流器。
最早的可调光电子镇流器的调光接口为DC 0~10V信号接入的。现在已经逐渐演变为DC 1~10V的信号接入。DC 0~10V和DC 1~10V接口都被称之为模拟信号调光。
电子行业从模拟化到数字化发展,数字化技术也被应用在了调光器上,可以更精确的对调光进行控制。1991年,有某个公司率先提出的DSI调光技术; 舞台灯光中广泛应用到DMX512技术;2002年国际标准(IEC 62386)中定义了数字照明控制系统DALI(Digital Addressable Lighting Interface),并成立了DALI-AG工作组。DALI可以对每一盏灯进行控制(开关、调光),从而 精确高效的控制照明能耗。
4 应用场所标准
商业建筑中根据人群的不同需求,荧光灯和金卤灯的应用最为普遍。
居家、酒店、小型的商铺和办公室中,低压卤素灯、节能灯甚至LED灯都有应用。
高亮度气体放电灯、高压汞灯、低压钠灯、高压钠灯、金卤灯等在除以室外照明中被广泛使用。
依据《建筑照明设计标准》第3.2.2照明设计规定,在不同区域选择不同光源:
(1)高度较低房间,如办公室、教室、会议室及仪表、电子等生产车间宜采用细管径直管形荧光灯;
(2)商店营业厅宜采用细管径直管形荧光灯、紧凑型荧光灯或小功率的金属卤化物灯;
(3)高度较高的工业厂房,应按照生产使用要求,采用金属卤化物灯或高压钠灯,它可采用大功率细管径荧光灯;
(4)一般照明场所不宜采用荧光高压汞灯,不应采用自镇流荧光高压汞灯;
(5)一般情况下,室内外照明不应采用普通照明白炽灯;在特殊情况下需采用时,其额定功率不应超过100W。
特别提及的是第3.2.4条,下列工作场所可采用白炽灯:
(1)要求瞬时启动和连续调光的场所,使用其它光源技术经济不合理时;
(2)对防止电磁干扰要求严格的场所;
(3)开关灯频繁的场所;
(4)照度要求不高,且照明时间较短的场所;
(5)对装饰有特殊要求的场所。
针对以上标准的要求,结合不同光源的特性,我们得出针对不同区域采用多种的节能方法。
5 节能效果分析
在现代建筑中最为广泛的使用光源为白炽灯、低压卤素灯、荧光灯、节能灯(紧凑型荧光灯)。本文专门针对以上四种光源进行调光效果实验并综合分析。
5.1 白炽灯
白炽灯为电阻性负荷,75%的电能会转换为热能,可以使用简单的相位控制调光器调节亮度。当白炽灯调暗时,可以节能并且延长灯泡的使用寿命。根据相 关光源厂家提供的数据:如果将白炽灯亮度调暗10%,灯泡的使用寿命可以延长2倍。当亮度调暗25%,灯泡的使用寿命可以延长4倍;当亮度调暗50%,灯 泡的使用寿命可以延长20倍。
实验环境:有自然光采光的普通办公室。
实验设备:100W球型白炽灯,通用型调光器,万用表。
实验数据及说明:
通用型调光器为255级调光,Value值为1时,光源灯丝亮起为最小功率,255时为最大功率运行。
%为满负载运行的百分比
P为功率值,P*100为功率值的100倍
lx为距光源10cm处的照度
U(V),光源两端电压
I(A),光源的电流强度
数据分析:
依据以上数据,得出如下图表。
综合实验有自然光射入的相关因素,可以推断出,通过相位控制对白炽灯光源进行调光,光源照度与功率为线型正比关系。降低光源亮度能有效减少能耗,增加光源的使用寿命。
5.2 低压卤素灯
卤素灯是白炽灯的一种类型。这种类型的灯泡内填充有卤元素,可以使钨丝“自我再生”,延长灯泡的使用寿命。由于其可以设计成细小的石英玻璃管外形,因此比灯丝燃烧得更亮,照明功效比真空的白炽灯可以提高30%.
实验环境:有自然光采光的普通办公室
实验设备:50W低压卤素灯,电子变压器,通用型调光器,万用表
实验数据及说明:通用型调光器为255级调光;
Value值为1时,光源灯丝亮起为最小功率,255时为最大功率运行。
%为满负载运行的百分比
P为功率值,P*100为功率值的100倍
lx为距光源10cm处的照度
U(V),光源两端电压
I(A),光源的电流强度
数据分析:依据以上数据,得出如下图表。
综合本实验有自然光射入以及电子变压器的相关因素可以推断,通过相位控制对低压卤素灯光源进行调光,在满功率的0~30%阶段,调光作用不明显,30%~100%阶段,光源照度、功率与调光值为较好的线型正比关系。降低光源亮度能有效减少能耗。
5.3 荧光灯(日光灯)
荧光灯是气体放电光源,通过在填充有低压汞蒸汽和其它气体的灯管内钨阴极之间传送电弧而发光。激活汞原子将产生短波紫外线,然后玻璃管内壁的磷光层 会发出荧光,从而形成可见光。优点是发光效率要比白炽灯高得多,在使用寿命方面也优于白炽灯;缺点是荧光灯的显色性较差(光谱是断续的)特别是它的频闪效 应,容易使人眼产生错觉,应采取措施消除频闪效应。
与大多数白炽灯不同,荧光灯需要配置镇流器来控制通过灯泡的电流。但是,与白炽灯比较,荧光灯能够更有效的将电源转变成可用的光源;其较低的能源成本可以弥补其较高的初始成本。在办公楼宇中被广泛使用。
实验环境:有自然光采光的普通办公室
实验设备:T8节能型双端直管荧光灯(36w),72W电子镇流器,1~10V调光器,万用表
实验数据及说明:通用型调光器为255级调光,
Value值为1时,光源亮起为最小功率,255时为最大功率运行。
%为满负载运行的百分比
P为功率值,P*100为功率值的100倍
lx为距光源10cm处的照度
U(V),光源两端电压
I(A),光源的电流强度,此类光源无法测量
数据分析:
依据以上数据,得出如右图与右表。
综合本实验在自然环境下,有自然光射入,以及电子镇流器的相关因素,推断出,通过1~10Vdc方式对电子镇流器进行控制,荧光灯调光,在满功率的1%~15%无调光效果;15~30%阶段,照度与功率为正比关系(非线性);30%~100%调光效果减弱。
在排除电子镇流器的电气结构外,此类光源进行调光,当照度降低或升高时,在15%~30%的调光区间总的耗电功率不明显。从调光节能效果看,不建议此类产 品采用1~10Vdc的方式调光,如需要对直管型荧光灯进行调光控制,建议采用DALI标准的调光设备,以便于有更大的调光范围。
5.4 节能灯(紧凑型荧光灯)
发光原理与普通荧光灯相同,启辉器和镇流器功能是由内置于灯中的电子线路提供的灯的体积大大减小。因此,紧凑型荧光灯可逐步替代白炽灯,它具有如下优点:节电率高,15W的紧凑型荧光灯亮度与75W的白炽灯相当;寿命长,平均寿命8,000h,最长达20,000h,白炽灯只有1,000h~3,000h.
实验环境:有自然光采光的普通办公室
实验设备:18W节能灯,20W电子镇流器,1~10V调光器,万用表
实验数据及说明:
通用型调光器为255及调光,
Value值为1时,光源亮起为最小功率,255时为最大功率运行。
%为满负载运行的百分比
P为功率值,P*100为功率值扩大100倍
lx为距光源10cm处的照度
U(V),光源两端电压
I(A),光源的电流强度,此类光源无法测量
数据分析:依据以上数据,得出如下图表。
综合本实验有自然光射入以及电子镇流器的相关因素,我们可以推断出,通过1~10Vdc方式对电子镇流器进行控制从而控制节能灯(紧凑型荧光灯)调 光,在额定功率的1%~25%无调光效果;额定功率的25%~70%阶段,照度与功率相关性非常大,额定功率的70%至100%无调光效果。
如果在额定功率的25%~70%对此类光源进行调光,总的耗电功率与照度有较明显正比关系。鉴于节能效果显着,可以在大型商用建筑中采用此类方法进行调光节能。
6 调光技术的应用
6.1 标准
控制光源的方法分为传统、现场总线、集中式控制。
依据中华人民共和国标准化指导性文件《控制网络HBES技术规范 住宅和楼宇控制系统》GB/Z20965-2007修改采用《住宅和楼宇电子系统 (HBES)》EN 50090:2005,该标准的2-1、3-2、4-1、4-2、5-1、5-2和7-1部分已经被转化为ISO/IEC 14543-3:2006.
文中阐述使用符合以上标准的KNX(EIB)总线系统,通过调光、红外感应的方式对建筑进行节能设计。
应用KNX存在感应器及照度感应器实现光源的精确照度控制。
为了减少办公楼主要区域的电能耗,使用KNX开放式总线将存在感应器连接至开关模块和调光器模块。解决方案可以通过该系统在自然光低于一定亮度时使 用存在感应器上的照度功能,设定开启人工照明;当区域无人或拥有足够的自然光时,设定自动关闭照明;根据不同区域使用情况,通过按钮或遥控器设置亮度等级 (100lx,300lx或500lx)。
6.2 光源效率的发展
伴随着技术革新,各种光源的发光效率都有进一步的提高。以下为常见光源的近年所达到的发光效率:参照上文中发光效率表,我们可以非常直观的判断光源的发光效率。
6.3 案例解析
(1)工程概况
某栋外企办公楼,基于KNX总线系统对三个1,300m2楼层进行照明节能改造。办公区域照明光源为T8直管型荧光灯,公共区(走廊、电梯间、卫生间等)使用节能灯(紧凑型荧光灯)。宣传展示区使用超低压卤素灯(DC 12V)。
(2)区域光源选用
敞开式办公区采用:2×36W直管式荧光灯;
公共区(卫生间、楼梯厅、杂物间等)采用节能灯(紧凑型荧光灯);
会议室部分采用低压卤素灯,烘托会议场景。
(3)功能要求
1)时间控制
由中控室来设定照明设备的开启、关闭时间表。上班前,中央控制器(可以使触摸屏、时间控制模块、中控室电脑上的照明控制软件)开启办公区域照明;中 午休息,中央控制系统关闭办公区域照明,同时移动感应器开启,有人进入此区域时,开启照明;下班,中央控制系统关闭区域内照明,开启移动感应器,同时给与 本地控制手动权限,比如走廊平时不开,有人时打开,以节约建筑能耗。
2)本地控制
受控区域就近墙面安装智能控制面板。对面板上的按键进行编程,就可以控制相应区域的灯光或其它设备的工作状态。而且在人员流动性比较的大的区域,为防止误操作,可以在一定时间内锁定面板。在会议室设置墙面手动开关,既可以根据会议的进程、内容调整灯光、投影等设备。
3)中央控制
在中央机房,对整栋建筑内的器件进行统一的管理与控制。中央控制中心的电脑安装中控软件在计算机上,接口集成系统。可以从软件上了解各个楼层的使用 情况,并且可以直接由中控中心电脑发出制定,进行所需要的各项操作,达到整体效果。并且根据每个回路的电流情况判断是否有光源已经损坏。
4)移动感应控制
根据是否有人或物体移动和亮度来决定开启、关闭相应设备,以达到节能的目的。该设备在走廊安装最为合适。午休1小时以及下班后,当走廊以及展示区无人时,低压卤素灯光源照度降低80%,保持最低照度的开启状态;无人状态延长超过15min后,彻底关闭此回路。
5)存在感应控制
灵敏度高于移动感应器,只要生命体存在于感应区域就会被感应到,无需要大幅度的移动。在此项目中安装于独立办公室、茶水间、卫生间的天花板。
上午工作时间及下午工作时间,存在感应器的照度感应读取此区域内的照度值,与标准照度300lx做比较,低于此照度时,自动开启此区域的照明回路,作为补充,当射入自然光可以满足室内工作照明是,关闭照明设备。
6)逻辑控制
用来实现较为复杂的逻辑关系处理。例如,在可分割室中从单独房间控制转换到对带隔断墙的会议室的总体操控。
(4)设计依据
《建筑照明设计标准》GB50034-2004中“第七章 照明配电及控制”,第7.4.7条规定,有多条件的场所,宜采用下列控制方式:①天然采 光良好的场所,按该场所照度自动开关灯或调光;②个人使用的办公室,采用人体感应或动静感应等方式自动开关等;③旅馆的门厅、电梯大堂和客房层走廊等场 所,采用夜间定时见底照度的自动调光装置;④大众型建筑,按具体条件采用集中或集散的、多功能或单一功能的自动控制系统。
符合国际标准:KNX ISO IEC 14543、EN50090标准
(5)系统架构
(6)设计原则分析
办公室作息时间为:上午工作时间8:30~12:00,午餐12:00~13:00,下午工作时间13:00~17:30.
根据从回路简图并结合实际情况,通常白天工作时间,晴天时建筑物最外侧回路①处于关闭状态。冬天则根据当地纬度计算日照时间后,每日工作时间开启应小于4h.
以下列表为不同时间的实际功率/额定功率。
东、南、西、北四个方向,天花安装照度感应器。办公室标准规定照度300lx,此项目我们确保桌面照度为400lx.充分利用自然光,当桌面照度低于400lx时,开启照明设备,对其进行补充。
这里我们取其中一回路WL2进行分析:
这里我们选取WL2回路进行分析,此回路中包括14×2直管式荧光灯。每盏荧光灯额定功率为36W,共计1.008kW,平均每天开启9小时,保持25%的功率输出,亮度输出为55%,回路功率为0.252kW/h.
我们一年工作约250天,每天照明回路开启9h,商业电价按0.8元计算。
原电费250天×9h×1.008kWh×0.8元/kWh=1814.4元
调光节能电费250天×9h×0.252kW×0.8元/kWh=453.6元。
WL2回路,我们每年节省的电费为:
1814.4元-453.6元=1360.8元
双管调光镇流器市场价150元;调光设备平均每回路造价1500元;安装费平均每回路造价250元。
通过以上造价计算,我们得出“ROI=(150×14+1500+250)/1360.8=2.83年。
(7)主要设备
检测角度:360°;范围:最大半径7m(安装高度2.50m);区域数:136,带有544切换区段;含4个移动感应器,并单独可调。
照明传感器:内部照明传感器,可从约10~2000lx无限级可调,使用KNX的外部照明传感器。
可用于白炽灯调光,在此项目中对低压卤素灯,使用可调光绕组变压器或电子变压器根据亮度进行调光。
用于将KNX的调光信号转为0~10V或1~10V的模拟量信号,发送给可调光电子镇流器。
(8)客户收益
项目照明节能最高达到35%(根据DIN V18599 resp. EN 15232标准测算)。减少人工安装成本(与相同功能的传统控制相比)。灵活的本地或集中式开关控制。
7 结论
通过上述研究分析,我们对调光和节能的内在联系及应用有了进一步的认识和理解,主要概括为三个方面。
(1)“调光”概念的诠释
基于理论和实践研究不难得出,“调光”不再是狭义定义为通过各种技术(如可控硅、MOSFET等)使受控光源产生明暗变化的过程;而应广义地理解为 在充分利用自然光的基础上为满足人们日常的生活工作需要对人造光源进行合理控制的过程。本文案例解析中,“调光”不但控制走廊节能灯具的明暗达到节能减 耗,而且可以应用于卫生间等独立区域,在无人使用时,通过关闭照明光源以便减少电能消耗。正确的应用调光技术能够达到节约能源,降低项目投资的目的。
(2)调光技术的合理应用及价值
人同机器相比,更加擅长开创性的工作;机器相对更容易操控,适合重复性的枯燥活动。这也是为什么我们从提倡“随手关灯”的教育推广,发展到今天建筑物内安装智能照明控制系统的原因。
根据项目现场的实施情况,对光源的选择分为三种情况:a)在照度要求较高的区域(办公区、厂房操作区等)内,建议采用T8型直管式荧光灯光源,如为了降低造价采用开闭回路,那么照明回路的划分应采用与采光面平行的方式,换言之靠窗的 光源为一个回路,在自然光足够时便于统一关闭。如果在造价允许的情况下,采用恒照度控制,那么建议使用DALI系统便于精确到每盏灯的控制。光源的亮度随 自然光的增强而减弱;b)在照度要求一般的封闭区域(走廊、卫生间、电梯厅等)内,建议使用节能灯(紧凑型荧光灯)光源,通过人体感应器进行控制。无人 时,延时15min熄灭光源;c)在对光环境有特别需求的区域(酒店大堂、客房、家庭)内,建议采用低压卤素灯、三色LED灯光带组合、球形光源等多种光 源,采用场景控制方式对多种光源效果进行组合,构成完美的光环境。
现代建筑多采用玻璃幕墙结构,最大限度的利用自然光。灯光设计师选用效率高的光源,提高建筑物内的照明功率密度;划分照明回路时与采光面平行,当光 线充足时,系统会调暗或关闭靠近采光面的照明设备。目前,国内商业建筑中照明控制系统多以KNX系统为平台(也可将DALI系统通过网关与KNX平台连 接),通过时间控制、照度感应器、人体感应器,进行多种智能化控制。上述调光技术的广泛应用能够降低照明功率,减少运营成本,降低碳排放,最终达到节能减 排。
关于调光的价值,很多测算报告中会引入投资回报率(ROI)的概念。投资回报率(ROI)=年节电量/投资总额×100%,从而计算成本回收年限。 在建筑照明节能中,一般回收周期为3~5年被认为是有节能潜力的投资。因此,我们采用更高效的光源,从白炽灯、节能灯(紧凑型荧光灯)、LED灯都是光源 发展的巨大进步,而更为重要的是,在满足照明舒适性前提下通过“调光”控制技术合理的使用照明设备,有效提高投资回报率,节约能源,推广绿色建筑理念,使 人类与环境更好的和谐共存。
(3)照明控制系统的发展方向
现今经常提到的“能源管理”主要依靠于底层设备通过网络通信技术来实现具体控制的。我们不难理解,从机械式翘板开关演进到照明控制系统成为一个必然的趋势。科学研究表明从独立控制设备到楼宇级多设备控制系统的技术手段,会带来更大的节能效益。智能化的照明控制系统也在时时刻刻朝着环境控制的方向前进。
照明控制系统从最为简单的机械式开关已经向着分布式总线结构的系统演进。在房间级控制中,实现了场景控制、照度调节、人体感应控制的功能;在楼层级 控制中,公共区域的存在感应控制、分区域控制、区域定时控制、公共区域的整体控制;在楼宇级控制中,夜间及休息时间的定时控制、根据人员流动情况进行整体 控制、结合遮阳系统的自动控制以降低空调和照明能耗。伴随物联网的建设和发展,环境控制系统将会在园区级、城市级大展拳脚。该系统已经成为节能型建筑中不 可或缺的部分,在各种功能性建筑物中,能实现全面的、综合性的能源管理,对节能减排发挥显著作用。
总之,通过上述对调光和节能的理论和实践分析,我们对降低能耗,合理使用能源以及在商业建筑中的合理应用有了充分全面的理解,随着调光技术的推广应 用和人们节能意识的不断提高,调光技术必将在现代照明控制体系中发挥重要作用,对推动我国绿色建筑发展,树立绿色照明设计理念,增强企业的社会责任感具有 重要的实践价值。