許國順， 馮天麒， 鄧國浩， 王易琳

(武漢科技大學城市建設學院， 湖北武漢 430065)

自動調(diào)節(jié)LED亮度在建筑照明節(jié)能應用探析

許國順， 馮天麒， 鄧國浩， 王易琳

(武漢科技大學城市建設學院， 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重要部分。在大部分學校教室中，教室的照明系統(tǒng)依然采用最普遍的熒光燈管進行光線的補充，而由于初期建設規(guī)劃不夠嚴謹以及成本等條件的制約，在照明方面，存在著相當大的能源浪費現(xiàn)象。文章就此現(xiàn)象進行實地調(diào)查與測量，從而提出自動調(diào)節(jié)LED亮度方法在教室照明，乃至建筑照明方面的應用。

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

隨著經(jīng)濟與科技的發(fā)展，教育的硬件水平也不斷提高，例如教室內(nèi)的多媒體設備，包括計算機、投影儀、揚聲器等，都為教學提供了非常大的幫助；教室的照明設備，也能讓教學在夜晚以及惡劣天氣得以正常進行。但是由于現(xiàn)在的許多設備還不夠完善，以及大家的節(jié)約意識還不高，更沒有養(yǎng)成節(jié)約能源的習慣，所以在日常對設備的使用過程中，造成了能源浪費情況的發(fā)生。本文就教室的照明系統(tǒng)入手，進行實地調(diào)查與測量，經(jīng)過對測得的大量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與處理，并仔細查找與閱讀多方面文獻，發(fā)現(xiàn)在日常的教學過程中，在照明這方面的確存在著能源浪費的情況。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充，便完全可以提供教學所需要的室內(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燈通過自動調(diào)節(jié)亮度的方式在節(jié)能方面的應用，在保證滿足教學需求的基礎上，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

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

表1 2010-2013年全國學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生的視覺心理、生理反應、學習效率，而照度是最直接而且與能耗最相關(guān)的項目，照度過低、過高均對學習會產(chǎn)生不良影響[2]。過高的照度，還附帶會產(chǎn)生更高的能耗。由于早期建設成本的控制以及技術(shù)的制約，大學教室的照明往往是很多個燈并聯(lián)在一個控制器上，這就導致了照明亮度不能夠保證根據(jù)實際情況進行細微調(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, 目前廣泛應用在道路照明、商業(yè)照明、辦公照明等各個領(lǐng)域。 從其實際使用情況來看, 確實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]。總之，在學校教室照明用電的情況中，存在著很多浪費的情況，我們可以在這個方面進行優(yōu)化。

2 實地測量及理論模型

2.1 LED燈對比優(yōu)勢

由于熒光燈管的阻抗隨工作電流的增加而減小，因此對其亮度進行調(diào)節(jié)也十分困難，尤其是大亮度調(diào)節(jié)比的場合[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)具備了容易進行亮度調(diào)節(jié)的特點。所以，結(jié)合自動調(diào)節(jié)亮度功能的LED照明系統(tǒng)，它具有實時調(diào)節(jié)亮度以維持高質(zhì)量照度需求、節(jié)約能耗等特點。

2.2 實地測量，對比國標，理論分析

根據(jù)GB 50034-2013《建筑照明設計標準》(下文簡稱《標準》)規(guī)定，教室課桌面積平均照度應該不小于300 lx，才能滿足正常的照度需求。根據(jù)此標準，選取有代表性的教室進行細致測量，通過多時段、多地點的測量方式測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峰值，然后又隨著時間慢慢降低，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間往往需要打開照明系統(tǒng)來補充亮度，達到教學使用的目的。由表可知，在早上八點時，大部分的教室僅僅依靠太陽光，達不到國家規(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《標準》的照度需求，也有部分教室也超出這一標準很大部分，而超出的這一部分，我們完全可以節(jié)省下來，達到節(jié)約能源的目的。隨著時間的推移，在室內(nèi)采光足夠好的條件下，日光照度已經(jīng)滿足了《標準》的照度要求，所以這時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要求，而此時再打開照明系統(tǒng)就是不必要的浪費。基于此，我們可以得出一個結(jié)論：在天氣晴朗、室內(nèi)采光良好的條件下，以《標準》對室內(nèi)照度的要求為標準，一天中，在日光照度慢慢升高的過程中，打開照明系統(tǒng)進行照度補充，會使得室內(nèi)照度高于《標準》，并隨著時間的增加而增加；當日光照度升高到超出《標準》規(guī)定的照度時，已經(jīng)不需要照明系統(tǒng)進行補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《標準》規(guī)定的照度時就需要打開照明系統(tǒng)進行補充，并會以超過《標準》規(guī)定的照度慢慢下降至最低值。這個過程中，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 部分教室照度測量情況 天氣晴lx

而LED光源的特性，它產(chǎn)生的光照的強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

我們建立一個模型，假設按教室照明用電占學校照明用電量50 %計算，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，而應用了帶有自動調(diào)節(jié)亮度功能的LED照明系統(tǒng)之后，假設最高功率仍為P1(實際上同等照度的LED光源遠比熒光燈功率低)，實際功率P2就是一個一次函數(shù)：

取學校照明總耗電量2010～2013平均值159.565億kW·h，應用該系統(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元計算，一共可以節(jié)約近24億元人民幣。而對比這種模型，實際情況中，由于舊設備的老化問題、教室實際使用時間往往比假設的少、教室照明占學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)約的能源會比模型中高很多，所以不管是從經(jīng)濟上還是節(jié)約能源上面都有很大的應用價值。

3 一種燈光智能控制系統(tǒng)

本設計以低功耗單片機MSP430為主控部件采用熱釋電感應器檢測人體的存在,運用光敏三極管檢測背景光的強度,通過恒定電流源來控制LED燈光的強度, 依據(jù)教室開關(guān)燈的時間，在規(guī)定的時間內(nèi)對人體和背景光進行檢測,對LED進行亮度調(diào)節(jié)，實現(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時鐘電路、AD/DA數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)模塊、背景光檢測模塊和 LED 驅(qū)動模塊。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燈通過自動調(diào)節(jié)亮度在教室照明中應用會產(chǎn)生很高的節(jié)能、經(jīng)濟效益，根據(jù)保守理論預測，至少會節(jié)約39.9億kW·h的電量，節(jié)約巨大的社會資源。由于LED產(chǎn)業(yè)屬于新興產(chǎn)業(yè)，以教室的光源更換勢必帶來整個行業(yè)的進步，屆時會隨著技術(shù)的提高，產(chǎn)品能耗會越來越低，越來越智能，產(chǎn)生一個良性循環(huán)，這不管對于師生還是社會發(fā)展都有幫助。同時由于它無需人為控制即可做到自啟自停自動調(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

由于我國前些年的經(jīng)濟條件制約，教學設施建設初期確實存在很多問題，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，以往一些環(huán)境不夠友好的設備終將會淘汰，科學技術(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的目標，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)下放并應用在日常的生活當中，這樣我們的生活質(zhì)量得到很好的提高，同時，也能夠做到對環(huán)境的友好。而LED燈的智能調(diào)節(jié)亮度正是基于這個目的，減少人類的負擔，減少操作量，降低能耗，做到環(huán)境友好。而LED燈對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，對于提升教學質(zhì)量有很高的幫助。

由于實驗條件的制約加上教室光源的復雜性，我們盡可 能的簡化了其他方面的影響，單從節(jié)能方面進行測量，但實際情況中，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)ヌ接憽Ｎ覀儾荒軆H僅局限于經(jīng)濟、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，到底哪個范圍的亮度是最為合適的，國家標準可能也有提升的空間，國際上各個國家對于這一項標準存在著極大的爭議[5]。而光照強度，不僅僅影響到學生們是否看得清黑板上的字、能否更高效率的學習、對于健康是否有影響，它甚至可能對師生們的心理產(chǎn)生影響[3]。

對于帶有自動亮度調(diào)節(jié)功能的LED光源在教室的應用方面，有下面兩點建議：

(1)學校應該充分了解到LED光源對比現(xiàn)有的熒光燈光源的各方面的性能、能耗方面的優(yōu)勢，經(jīng)過論證來決定在長期的使用當中，對于經(jīng)濟、節(jié)能、師生是否有益。

(2)建筑行業(yè)也應當開發(fā)出具有優(yōu)勢的產(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)勢進一步擴大。

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

[2] 黃海靜.大學教室照明中的光生物效應研究[D]. 重慶大學，2010.

[3] 鐘雄，侯洪才，喬慶飛. LED智能照明在中小學教室中的應用[J]. 照明工程學報， 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驗研究[J]. 發(fā)光學報， 2004，25(4)：455-459.

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

[定稿日期]2017-07-24

許國順(1998～)，男，本科在讀，土木工程專業(yè)。

TU113.6

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