高 英 明，鄒 念 育，畢 建 峰，郭 旭，曹 冠 英

(大連工業(yè)大學 光子學研究所，遼寧 大連 116034)

0 引 言

能源危機、全球變暖和環(huán)境惡化等問題皆與能源消耗過快、能源結(jié)構不合理有直接的聯(lián)系，使得節(jié)能問題在世界范圍內(nèi)受到關注。照明的能消占全球能源消耗總量的19%，鑒于目前廣泛使用的照明裝備與技術，照明節(jié)能有很大的提升空間。采取的措施如：研制高效光源與燈具，優(yōu)化照明設計，將日光導入地下超市、停車場等日光不易進入的場所進行照明等[1－3]。由于日光具有取之不盡、用之不竭、清潔無污染等優(yōu)點，在進行照明設計時充分考慮日光的影響，研究相應的照明技術，利用日光照明，必然會節(jié)約能源、改善環(huán)境。

文獻[4]采用開環(huán)控制方式，由人工周期性地調(diào)整光源亮度，使桌面照度始終讓人感覺最舒適，與維持桌面500lx的恒定照度相比平均節(jié)能25%。文獻[5]采用超聲波傳感器陣列確定人員位置，綜合考慮人員位置與自然光在室內(nèi)的分布情況，通過照度控制算法調(diào)整LED光源的亮度，使室內(nèi)照度隨人員位置合理分布，從而達到節(jié)能的目的。作者研究了自主式調(diào)光照明系統(tǒng)與自然光結(jié)合，在黎明與黃昏等自然光不足的情況下采用自主式調(diào)光系統(tǒng)保持室內(nèi)恒定照度的節(jié)能特性，給出了評價節(jié)能特性的解析表達式。

1 日光感知照明系統(tǒng)

日光感知照明系統(tǒng)融合自動控制技術，由傳感單元、處理單元與執(zhí)行單元構成閉環(huán)的環(huán)境照度控制系統(tǒng)。日光感知照明系統(tǒng)以照度為控制參數(shù)，光源為控制對象，在黎明或傍晚日光逐漸增強或逐漸減弱時動態(tài)調(diào)整照明光源的發(fā)光強度，使得室內(nèi)照度保持穩(wěn)定。由于考慮到漸變?nèi)展鈱κ覂?nèi)照度的貢獻而逐漸改變光源實際功率，相對傳統(tǒng)照明方式節(jié)省了能量。

圖1是采用PWM調(diào)光方式研制的自主式調(diào)光控制器。若要日光與日光感照明系統(tǒng)結(jié)合能夠達到良好的恒定照度控制效果，則光源的發(fā)光強度能夠隨工作電流同步改變。若光源亮度改變滯后于工作電流(如鈉燈)，會使得實際的光源亮度調(diào)整滯后于控制指令的變化，導致室內(nèi)照度波動，不易實現(xiàn)等照度控制效果。作為下一代照明光源的LED不僅調(diào)光同步性好，且調(diào)光范圍寬，能實現(xiàn)更精細的照度控制，LED光源還具有光效高、壽命長等優(yōu)點[6－7]，適合自適應調(diào)光照明。

圖1 自主式調(diào)光控制器Fig.1 Autonomous dimming controller for LED

2 節(jié)能特性分析

照度是評價照明效果的主要參數(shù)，其值越高，環(huán)境的照明效果越亮。照度一旦低于某個值就會對人的活動產(chǎn)生影響，使注意力難以集中，降低學習與工作效率，這樣的照度值為臨界照度。與傳統(tǒng)照明系統(tǒng)相比，結(jié)合日光的日光感知照明系統(tǒng)其節(jié)能性可由圖2說明。室內(nèi)照度在傍晚t1時刻降至臨界值，日光感照明系統(tǒng)開始工作，控制光源的功率逐漸增大，至t2時刻天完全黑下來，光源功率達到最大，持續(xù)時間t2－t1用tlast表示。若采用不能調(diào)光的傳統(tǒng)照明系統(tǒng)，則光源的功率可認為是定值Pconst。曲線Plamp(t)為t1至t2時刻日光感照明系統(tǒng)功率曲線，曲線Eroom(t)是僅由日光照明時室內(nèi)照度隨時間的變化曲線。對于黎明的情況也可用類似的方法分析，此時室內(nèi)照度及光源功率的變化趨勢與傍晚的情況相反。

圖2 傍晚的室內(nèi)照度與光源功率變化的示意曲線Fig.2 Profile of indoor illuminance and lighting source power in evening

室內(nèi)采用自主式調(diào)光系統(tǒng)照明，從室內(nèi)照度低于臨界值至完全黑下來，消耗的電能可以表示為

采用傳統(tǒng)照明，消耗的電能可表示為

日光感照明系統(tǒng)相對傳統(tǒng)照明系統(tǒng)節(jié)省的能量為

由積分中值定理[8]，?ε∈ [t2，t1]，使得式(4)成立

因為室內(nèi)照度Eroom(t)是單調(diào)遞減的，所以Plamp(t)應是單調(diào)遞增函數(shù)，于是有Pconst－Plamp(ε)＞0，因此t2－t1持續(xù)的時間越長，則節(jié)省的能量Psaved越多；照度臨界值越高，節(jié)能越多。相對于采用傳統(tǒng)照明而言，這對于陰天導致的室內(nèi)照度不足而需要開燈照明的情況節(jié)能效果更顯著。對于室內(nèi)采光不足而需要開燈的情況而言，也具有類似的節(jié)能效果。

3 節(jié)能特性研究

如圖2，為得到自主式LED調(diào)光照明系統(tǒng)節(jié)省的能量，需要知道Plamp(t)的表達式，也即當室內(nèi)照度低于臨界值后，日光感知照明系統(tǒng)的動態(tài)功率曲線。為得到曲線Plamp(t)的表達式，作者首先測量了日光照明不同時刻室內(nèi)的照度值，然后依據(jù)測量得到照度值進行功率補償實驗來確定維持室內(nèi)照度恒定的光源功率，再對光源功率擬合得到Plamp(t)曲線，從而得到日光感照明系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)方法節(jié)省的電能。為保證照明的舒適性，對于工廠、教室、辦公室、量販店、咖啡店、快餐館、生產(chǎn)線等一般照明場合需要達到300～800lx的照度值[9]。作者以300lx作為照度的臨界值對日光感照明系統(tǒng)的節(jié)能性進行定量研究。

3.1 照度測量

根據(jù)前面的討論，日光感照明系統(tǒng)在晴天節(jié)省的能量相對較少，這是由于相對陰天而言晴天時室內(nèi)照度低于臨界值的持續(xù)時間t2－t1較短。因此選擇晴天研究日光感照明系統(tǒng)節(jié)能特性，多次對傍晚室內(nèi)桌面照度隨日光變化進行測量，測量時間是2011年中秋與深秋時期，測量地點是大連工業(yè)大學某實驗室。圖3是得到的照度測量曲線及對應的四次多項式擬合曲線，2條測量曲線分別對應中秋與深秋某晴天的測量結(jié)果。由圖3可以看出，深秋時測得的從照度低于臨界值到天完全黑下來的持續(xù)時間比中秋的長，即t2－t1較大。照度測量使用柯尼卡美能達CL－200光度計，每隔5min測量記錄室內(nèi)照度值。

圖3 室內(nèi)照度的測量結(jié)果和擬合結(jié)果Fig.3 Measuring and fitting curve results of indoor illuminance

3.2 功率補償

實驗在晚間于測量照度的實驗內(nèi)進行。功率補償實驗要確定當室內(nèi)照度降到臨界值以下時，日光感知照明系統(tǒng)消耗的最小電功率，剛好使得室內(nèi)照度恰好達到臨界值。由于日光感知照明系統(tǒng)主要改變的是光源功率，因此實驗只對最小的光源功率進行了測量，并以此評價其節(jié)能性。實驗裝置由3個LED T8管燈、1塊柯尼卡美能達CL－200光度計、2臺Agilent 5750可調(diào)直流電源以及放置光源的支架組成。其中管燈1模擬日光，管燈2、3并聯(lián)模擬照明光源(額定功率各為13W)；電源1為管燈1供電，電源2為管燈2、3供電；照度計位于管燈2、3下方1.7m處。根據(jù)房間照度的實際測量結(jié)果，首先通過電源1調(diào)節(jié)光源1的亮度，使照度等于日光照明時的實際測量值，然后調(diào)節(jié)電源2改變光源2、3的亮度，使得照度達到照度臨界值300lx。根據(jù)直流電源Agilent 5750的輸出電壓U與電流I，由P＝UI得到照明光源的功率。表1給出了部分功率補償實驗的結(jié)果。

表1 對應于照度實際測量時間的功率補償實驗結(jié)果Tab.1 Power compensating results corresponding their actual measuring time

3.3 曲線擬合及節(jié)能比較

當照度值低于300lx時，根據(jù)圖3的2條照度測量曲線，按照功率補償實驗的操作方法，分別得到與照度值對應的功率補償值，再對補償值進行曲線擬合得到擬合曲線Plamp(t)，如圖4的功率擬合值1與功率擬合值2曲線，它們對時間的積分近似為日光感知照明系統(tǒng)實際消耗的電能Pused。再將光源的額定功率Pconst代入式(3)就可以得到節(jié)省的電能Psaved。

圖4 光源實際功率的測量與擬合曲線Fig.4 Measuring and fitting curve of lighting source

對光源實際功率進行四次多項式擬合[10]，得到光源的實際功率擬合曲線，再對四次多項式積分得到實際的能耗。與曲線擬合和數(shù)值積分相關的MATLAB程序代碼：

得到自適應調(diào)光照明在中秋消耗的電能為12.71Wh，深秋消耗的電能為14.45Wh，t2－t1分別為0.91與1.08h。2個LED管燈并聯(lián)的額定功率為26W，若不調(diào)光，則t1至t2時段消耗的電能分別為23.66與28.08Wh。由此得到節(jié)省的能量分別為10.95與13.63Wh，節(jié)能率分別為46.3%與48.5%。這些與前面的理論推導結(jié)果相符合，即t1至t2的持續(xù)時間越長，自主式調(diào)光照明節(jié)約的能量越多。

4 結(jié) 論

針對自主式LED調(diào)光照明系統(tǒng)的節(jié)能性進行了研究，給出了計算節(jié)能指標的方法，指出在自然光照明下，室內(nèi)照度值低于臨界值時間越長，則采用自主式調(diào)光照明節(jié)省的能量越多。根據(jù)2組實際測量得到的照度值進行光源功率補償與曲線擬合后，得到節(jié)能率分別達到46.3%與48.5%，結(jié)果顯示了自主式調(diào)光照明方法良好的節(jié)能性。自主式LED調(diào)光照明系統(tǒng)不僅能夠利用日光節(jié)能，還可利用其他有可能影響室內(nèi)照明的光源來節(jié)能，如庭院燈、路燈甚至月光等。自主式LED調(diào)光照明系統(tǒng)既能保證照明的舒適性，又有顯著的節(jié)能效果。

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