戴祥斌，徐心淵

（上海市斯迪安船舶設(shè)計有限公司，上海 200052）

0 引 言

為滿足規(guī)范對照度的要求，在照明設(shè)計中需要對設(shè)計照度進(jìn)行計算，通常采用手工計算或計算機(jī)輔助設(shè)計。手工計算有逐點計算法，利用系數(shù)法（又稱光通量法、流明法）和比功率法等；計算機(jī)輔助設(shè)計以GLAMOX公司的OptiWin軟件為例：該軟件可以導(dǎo)入CAD圖紙，根據(jù)要求自動生成照明布置和照度上的精確分布[1]。隨著照明研究的深入，研究者提出了一些新的方法，如考慮了墻壁多次反射的維護(hù)面計算法[2]，以及照度矩陣這樣的數(shù)學(xué)工具[3]，為照度計算提供了新的理論基礎(chǔ)。

結(jié)合150T三用拖船上HAB(WB)照度計算的實例，對利用系數(shù)法和比功率的使用進(jìn)行了討論。

1 設(shè)計背景

船上照明是船舶正常航行、支持作業(yè)以及船上人員生活工作的必要條件。包括確保航行安全及人員安全的照明（如航行燈、信號燈、登放艇區(qū)域的照明），工作場所照明（如駕駛室，機(jī)艙和裝卸區(qū)域的照明）以及生活區(qū)域照明（如起居，休閑娛樂場所的照明）等。同時，隨著海洋石油工業(yè)向深海拓展，船上人員的離岸工作時間和強(qiáng)度顯著增加，保證船員的生活的舒適性日益重要，其中對照明的要求變得更加嚴(yán)格。

特別地，對于海工輔助船（OSV-offshore supply vessel）的照明設(shè)計：一方面，海工輔助船的客觀條件給照明設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)：海工輔助船承擔(dān)為海洋石油勘探、開發(fā)、生產(chǎn)提供全面的船舶作業(yè)支持服務(wù)，提供各種水深的起拋錨作業(yè)、海上設(shè)施及大型工程船舶的拖航就位、鉆采物資運(yùn)輸供應(yīng)、油田守護(hù)、提油支持、油田生產(chǎn)支持、消防和海上污染處理等多種作業(yè)服務(wù)。工作的多樣性和復(fù)雜性對照明提出了很高要求。另外，以某型150T AHTS（錨作拖帶船）為例，其特點是船型較小，而功能多樣，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，走道寬度狹小，艙室內(nèi)部設(shè)備多且型式多樣，各系統(tǒng)管路電路交錯縱橫，給照明設(shè)計布置帶來了較大困難。同時，照明設(shè)計既需要滿足工作區(qū)域人員安全高效工作的要求，在生活區(qū)域也要求具有一定的美觀性，同時還涉及船上人員緊急逃生時的安全問題。

另一方面，隨著國際規(guī)范（MLC，船級社規(guī)范如DNV、ABS、BV）對舒適性的嚴(yán)格要求，照明設(shè)計被賦予了更高的難度：以HAB(WB)為例，它是由ABS（美國船級社）近年推出的針對工作船舒適度要求的入級符號，對5個方面提出了全面而明確的指標(biāo)，分別是居住區(qū)域的設(shè)計，振動，噪音，室內(nèi)空調(diào)和通風(fēng)以及照明。另外，該符號還擁有兩個升級版，HAB+ (WB)以及HAB++ (WB)[4]，對于上述前4個方面中某些指標(biāo)均提出了更高的要求。但值得注意的是，照明方面的要求，三者是一致的。規(guī)范對工作船上各個處所的照度都有詳細(xì)的規(guī)定，相比其他規(guī)范HAB(WB)在照度上的要求，舉例如表1所示。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)照度要求對比 單位：lx

可見，HAB(WB)對照度的要求也是比較嚴(yán)格的。在施工結(jié)束后由通過認(rèn)證的第三方編制照度測量計劃，得到批準(zhǔn)后在ABS的監(jiān)督下按計劃進(jìn)行測量[5]。

2 海工船的照度計算方法

2.1 計算方法的選擇

首先根據(jù)項目實際情況選擇最合適的照度計算方法。150T AHTS總長72m，型寬17.2m，型深7.8m，定員36名。起居艙室有船員住艙，娛樂室，廚房，餐廳等處所。由于艙室分類較少，通常一類處所（如住艙）可選取1～3種典型布置計算；另外，各類型艙室內(nèi)布置情況都較為簡單，并不需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行精確的分析計算。因此，計算機(jī)設(shè)計和手工計算均能勝任。

其次，不同于空間較大的商船，通過精確的計算可以避免過度照明產(chǎn)生的浪費，海工船因為艙室面積小，當(dāng)計算照度與HAB(WB)要求的值之間有差距時，通過增加1～2盞燈具，照度就可以大大超出指標(biāo)要求；加之艙室數(shù)量較少，燈具的總增量也能控制在一定的范圍內(nèi)。因此，通過采用計算軟件精確分析以節(jié)省成本的優(yōu)勢難以顯現(xiàn)。

另外，鑒于照度計算軟件中燈具的數(shù)據(jù)庫往往僅限定于提供廠家的自有產(chǎn)品，在燈具的選型上便受到掣肘。如果不依賴廠家進(jìn)行獨立的計算，還需要考慮購買一套照明設(shè)計軟件。

鑒于以上幾點考慮，通過計算機(jī)軟件輔助照明設(shè)計的優(yōu)勢不大，故選擇手工計算。為提高可靠性，同時采用比功率法和利用系數(shù)法進(jìn)行計算，對兩者的結(jié)果進(jìn)行綜合考慮，最后再用計算軟件進(jìn)行校核，檢查上述方法的精確度。

2.2 計算方法的內(nèi)容

2.2.1 比功率法

比功率法是根據(jù)各艙室的最低照度要求，選擇其單位面積所需的功率數(shù)值（即比功率值），再根據(jù)艙室面積計算該艙室所需照明的總功率，然后結(jié)合艙室的具體布置情況確定照明燈具的形式、數(shù)量及每個燈的功率的方法。如果已經(jīng)做好了燈具選型工作，每盞功率與總功率的比值即為所需燈具數(shù)量的最小值。

計算公式：

式中：P——所需燈具總功率/W；Ws——單位面積所需功率（比功率值）/W/m2；s——艙室面積/m2。

其中，根據(jù)需要的照度和燈具的型式，可以在設(shè)計手冊[4]中查到相應(yīng)的值。

2.2.2 利用系數(shù)法

利用系數(shù)是指被照面上的有效光通量與光源發(fā)射的額定光通量之比。利用系數(shù)法就是在艙室的幾何特性已確定的前提下，根據(jù)預(yù)選燈具的利用系數(shù)來計算所需光通量的方法。

利用系數(shù)法的計算公式為

式中：F——每個燈具中光源的光通量/lm；S——艙室面積/m2；E——要求達(dá)到的平均照度/lx；K——照度補(bǔ)償系數(shù)；N——燈具數(shù)量；η——利用系數(shù)。

考慮光源在使用期間，由于光通量的衰減及被照環(huán)境的變化而引起照度降低，在照明計算時預(yù)置了補(bǔ)償系數(shù)（K），K與艙室內(nèi)光通量衰減量成正相關(guān)。

利用系數(shù)η值與艙室的幾何形狀、墻壁與天花板的反射條件及燈具的型式有關(guān)。

室形指數(shù)φ取決于艙室的幾何形狀，可由下式計算：

式中：a——艙室長度/m；b——艙室寬度/m；H——艙室高度/m。

2.2.3 兩種方法各自優(yōu)缺點

1) 比功率法適用范圍廣，可以應(yīng)用于不規(guī)則的房間，但是相比利用系數(shù)法，僅考慮了平均功率和燈具類型兩個因素，沒有考慮墻面反射，房間形狀對光線照射的影響以及房間內(nèi)空氣的通透度等對照度的影響，所以在精確性上要打折扣；

2) 利用系數(shù)法相較于比功率法考慮了墻面反射，和室內(nèi)環(huán)境對照度的影響，結(jié)果更加接近實際，但缺點是對于不規(guī)則房間不能直接進(jìn)行應(yīng)用。

2.2.4 計算表格

根據(jù)以上所述兩種不同的方法，創(chuàng)建一個電子表格，根據(jù)房間的布局，分別填入長，寬，高，查表[6]得到補(bǔ)償系數(shù)，反射系數(shù)等各個參數(shù)。再填入代表燈具屬性的各個參數(shù)如型式，光通量等等，就可以根據(jù)表格中編好的公式，得到各方法下燈具的數(shù)量。最后，比較兩種方法的結(jié)果，加上設(shè)計人員的根據(jù)實際經(jīng)驗的修正，得到的最終結(jié)果就能作為照明布置時燈具數(shù)量的理論依據(jù)（見表2、3）。

表2 利用系數(shù)法計算

表3 比功率法計算

2.3 照度報告

完成照明設(shè)計后，利用上述表格，可分別把燈具數(shù)量填入當(dāng)中，利用比功率法和利用系數(shù)法的公式計算出的結(jié)果就是在相對應(yīng)的設(shè)計之下的理論照度。該文件可以作為照明設(shè)計的支撐文件，提交船東參考。

3 海工船照明系統(tǒng)照度設(shè)計的實踐應(yīng)用

在150T AHTS中選取以下幾種典型艙室，使用比功率法和利用系數(shù)法進(jìn)行計算：

3.1 駕駛室

駕駛室照明布置如圖1。駕駛室燈具使用嵌入式熒光燈，燈具規(guī)格為2×20W，使用2只燈管。燈管光通量參照飛利浦MASTER TL5 HO Eco 20，每只1525lm，考慮損失，一盞熒光燈光通量按2200lm計算。

由于房間形狀不規(guī)則，只能用比功率法進(jìn)行計算。根據(jù)規(guī)范，駕駛臺需要照度為325lx，其他區(qū)域根據(jù)規(guī)范要求為150lx。因為是計算平均照度，所以選取150lx為需要值，駕駛臺不足照度單獨考慮，或可用射燈補(bǔ)足。駕駛室總面積102m2，選用嵌入式熒光燈，通過查表[6]，要獲得150lx照度每平方米需要的照明功率為7W（7 W/m2），燈具功率為40W/盞，根據(jù)公式(1)可得到如下結(jié)果：N=7× 102/40=17.85，向上取整為18盞燈。計算結(jié)果見表4。

圖1 駕駛室照明布置

表4 比功率法計算駕駛室照度結(jié)果

3.2 典型艙室-娛樂室

娛樂室布置如圖2，由于該艙室為規(guī)則矩形，可使用利用系數(shù)法計算。根據(jù)房間長寬高，由公式（3），室形系數(shù)：φ=4.78× 3.14/(2.1×Y4.78+3.14Y)=0.9，天花板和墻壁的顏色分別為白色和淡綠色，通過查表[6]得利用系數(shù)為 0.43，根據(jù)處所類型和燈具類型選擇補(bǔ)償系數(shù)1.3。由公式(2)，燈具數(shù)量N=6.18，故選擇6盞燈，并等待進(jìn)一步用比功率法驗證。計算結(jié)果如表5。

采用比功率法驗算，根據(jù)面積和300lx照度下需要的比功率，由式(1)得N=5.25，向上取整選取6盞燈，結(jié)果超出指標(biāo)。比功率法計算結(jié)果如表6。

3.3 典型船員住艙

船員住艙布置如圖 3。艙室燈具選用 2×11W 筒燈，燈頭光通量參照飛利浦 EcotoneHS CDL E27 220-240V 1CT，每只 760lm，每盞筒燈的光通量按1200lm計算。

圖2 娛樂室照明布置

表5 利用系數(shù)法計算娛樂室照度結(jié)果

表6 比功率法計算娛樂室照度結(jié)果

圖3 比功率法計算艙室照度

圖4 利用系數(shù)法計算艙室照度

由于房型不規(guī)則，且需要去掉衛(wèi)生單元單獨計算居住艙室。去掉衛(wèi)生單元之后房間的面積為 8.4m2。查表[6]可得要獲得150lx照度每平方米需要的照明功率為 7W（7W·m-2），燈具為20W/盞，根據(jù)式(1)，得到需要3盞燈。計算結(jié)果如表7。

表7 比功率法計算船員艙室照度結(jié)果

如要使用利用系數(shù)法，用一個形狀相似且面積略大的矩形來進(jìn)行近似計算（如圖4 矩形所示，長2.45m，寬3.41m）。室形系數(shù)：φ=0.68，天花板和墻壁的顏色分別為白色和淡綠色，查表[6]得利用系數(shù)為0.43，根據(jù)處所類型和燈具類型選擇補(bǔ)償系數(shù)1.3。由式（2）計算得燈具數(shù)N=3.15。利用系數(shù)法計算結(jié)果如表8。

表8 利用系數(shù)法計算船員艙室照度結(jié)果

將房間近似成矩形來進(jìn)行計算的結(jié)果，可用來作為參考，兩者的計算結(jié)果也較為接近，考慮到臺燈提供的額外的照度，選擇3盞燈能夠滿足規(guī)范要求。

3.4 驗證

為了檢驗在OSV上比功率法和利用系數(shù)法結(jié)合的理論依據(jù)是否可行，采用OptiWin軟件進(jìn)行驗證。

3.4.1 OptiWin介紹

OptiWin軟件包含GLAMOX公司的燈具數(shù)據(jù)庫，類型齊全、種類繁多，囊括了船舶海事、陸地等多個領(lǐng)域。OptiWin軟件中，數(shù)據(jù)庫中燈具各項數(shù)據(jù)參數(shù)精確，可以查閱每種類型中具體型號的燈具圖片、特性曲線與性能參數(shù)。其計算理論依據(jù)如下：

1) 評估照度計算：這種方法是基于設(shè)備利用率，用于計算必要的平均照度。房間內(nèi)的燈具布置勻稱均衡且在同一個高度上，適用于具體房間的照明燈具布置；

2) 精確照度計算：這是根據(jù)距離計算照明燈具的精確照度的方法。如果光源距離較短，把照明燈具劃分為更小的組，精確的計算一個或多個光源的照度；

3) 房間內(nèi)部反射計算：這是照度計算中最重要也最復(fù)雜的部分。需要考慮房間內(nèi)天花板、墻板與地板的反射系數(shù)、燈具的安裝角度；考慮光源在不同點（房間內(nèi)的區(qū)域劃分為更小的區(qū)域）之間的移動，直到點可被忽略。這種計算綜合考慮以上兩種算法，盡管計算耗時較長，但計算結(jié)果精確[1]。

3.4.2 OptiWin計算結(jié)果

將上述艙室照明布置建模，采用OptiWin軟件對上述照度計算進(jìn)行檢驗。

如圖5，駕駛室內(nèi)的照度在分布在150～300lx之間，室內(nèi)絕大部分走道和休息區(qū)域均達(dá)到了150lx的照度；在駕駛臺上，有部分區(qū)域已經(jīng)達(dá)到了325lx，由于駕駛臺上另外裝帶有調(diào)光功能的射燈，可以補(bǔ)足欠缺的照度。

采用同樣的方法，對另外幾個例子進(jìn)行檢驗，記錄在表 9中。各例中，平均照度均能滿足規(guī)范的要求；少數(shù)位置低于標(biāo)準(zhǔn)，如休息室的角落，艙室里的床頭位置，通過裝設(shè)壁燈和床頭燈，在提供裝飾和功能的同時也補(bǔ)足了照度。

圖5 軟件計算駕駛室照度

表9 利用系數(shù)法與軟件計算結(jié)果比較表

4 結(jié) 語

在150T AHTS艙室布置的情況下，通過兩種方法計算相互修正，保證了大致的精度。通過表格的型式，一方面提高了計算時操作的效率，同時可直接生成照度計算文件。同時，相較計算機(jī)軟件輔助計算，節(jié)省了購買軟件的成本。

由于采用的是平均值的理論基礎(chǔ)，比功率法和利用系數(shù)法均無法對點照度的要求進(jìn)行考慮，比如駕駛臺，房間角落的照明，需要通過經(jīng)驗，或者逐點計算法進(jìn)行照明的補(bǔ)足。并且，利用系數(shù)法僅考慮了墻壁的一次反射，比功率法沒有考慮艙壁的反射的差異，故在精度上存在一定缺陷，應(yīng)用存在一定的條件限制。

[1] 陳奎英，張冬梅，肖昕路. OptiWin照度計算軟件在海洋工程照明設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 船舶，2009, (5).

[2] 李運(yùn)江，彭惠明，徐 波. 幾種照度計算方法的比較及研究[J]. 三峽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003, (2).

[3] 汪魯才，王耀南，毛六平，等. 基于照度矩陣的照度計算方法研究[J]. 照明工程學(xué)報，2002, (6).

[4] 美國船級社. Guide for Crew Habitability on WorkBoats[S]. 2012.

[5] 王 平，王金苓. OptiWin3DPro軟件在船舶HAB(WB)照明設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 廣東造船，2013, (2).

[6] 中國船舶工業(yè)總公司編. 船舶設(shè)計使用手冊(電氣分冊)[M].