1 前言 照明用电是民用建筑最为基本的电力需求,照明质量的好坏对人们的生活、工作和劳动卫生都有直接的关系。随着我国经济的发展,电能作为使用最广泛的一种能源显得越发重要,我国是有十三亿人口的大国,到目前为止,城乡房屋建筑总量约为480亿平方米,其中公共建筑约占21%,即为96.6亿平方米,每年新建房屋建筑面积近20亿平方米。居住建筑按国标《建筑照明设计标准》GB 50034—2004规定的照明节能要求,每户照明功率密度值(LPD)不宜大于7W/m2;公共建筑包括:图书馆建筑、办公建筑、商业建筑、影剧院建筑、旅馆建筑、医院建筑、学校建筑、博物馆建筑、交通建筑、体育建筑等。国标《建筑照明设计标准》GB 50034—2004对相应的建筑照明标准值都做出了规定,其中对办公建筑、商业建筑、旅馆建筑、医院建筑、学校建筑照明功率密度值(LPD)按照明节能设计要求已列入强制性条文,设计必须严格执行。
1 前言
照明用电是民用建筑最为基本的电力需求,照明质量的好坏对人们的生活、工作和劳动卫生都有直接的关系。随着我国经济的发展,电能作为使用最广泛的一种能源显得越发重要,我国是有十三亿人口的大国,到目前为止,城乡房屋建筑总量约为480亿平方米,其中公共建筑约占21%,即为96.6亿平方米,每年新建房屋建筑面积近20亿平方米。居住建筑按国标《建筑照明设计标准》GB 50034—2004规定的照明节能要求,每户照明功率密度值(LPD)不宜大于7W/m2;公共建筑包括:图书馆建筑、办公建筑、商业建筑、影剧院建筑、旅馆建筑、医院建筑、学校建筑、博物馆建筑、交通建筑、体育建筑等。国标《建筑照明设计标准》GB 50034—2004对相应的建筑照明标准值都做出了规定,其中对办公建筑、商业建筑、旅馆建筑、医院建筑、学校建筑照明功率密度值(LPD)按照明节能设计要求已列入强制性条文,设计必须严格执行。
我国实施绿色照明工程已十几年,其宗旨是在保证工作、生产、生活所需要的照度水平和照度质量条件下,节约照明用能,保护环境。评价一套照明设计方法是否合理实用,不仅要满足设计对象对照明的要求,同时还要实施广泛有效的照明节能措施,真正体现节能的意义所在。电气设计师必须高度重视照明节能设计。
2 设计人员首先应学习并执行有关电气节能的法律、法规与标准
作为一名优秀的电气设计人员,不但要有扎实的基础理论和专业知识,而且还要有熟练掌握、正确运用国家颁发的相关法律、法规和标准的能力,下面列举了部分国家颁发的相关法律、法规和标准。
(1)《中华人民共和国电力法》1996年4月1日起施行;
(2)《中华人民共和国节约能源法》1998年1月1日起施行;
(3)《中华人民共和国可再生资源法》2006年1月1日起施行;
(4)部门法规:国家电力监管委员会《供电营业规则》2005年2月28日起施行;
(5)中华人民共和国建设部《民用建筑工程质量监督管理办法》2006年7月31日起施行;
(6)《建筑节能工程施工质量验收规范》GB 50411—2007;
(7)《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2005;
(8)《绿色建筑评价标准》GB/T50378-2006-10-6;
(9)《建筑照明设计标准》GB 50034-2004;
(10)《民用建筑节能设计标准》JGJ26-95,采暖居住部分;
(11)《民用建筑电气设计规程》JGJ/T16-2008;
(12)《城市道路照明设计标准》GJJ45-2006;
(13)《全国民用建筑工程设计技术措施》电气节能篇2007年;
(14)《夏热冬冷地区居住建筑设计标准》JGJ134—2001。
这里应注意的是(7)、(9)、(10)、(11)、(12)、(13)、(14)等标准为常用标准。
3 节能标准的特点与要求
(1)《节能法》在二十六条条文中规定“生产节能”的产品单位,应当在产品说明书和产品标志上如实注明能耗指标。产品节能制造标准又规定了对三部分能效、限定、评价的要求。
1)能效等级:有国际先进产品等级、国内先进产品等级和高效等级。产品能效达到2级及以上的产品可以取得“节能认证”标志,能效低于限定值以下的为淘汰产品。
2)能效限定值:这是国家对生产厂家的产品最低能效值的要求。能效值低属于国家的淘汰产品,禁止在市场上出售。
3)节能评价要求:属于推荐性的指标是开展节能产品认证的技术依据。
(2)在建筑照明设计标准中“照明节能”一节规定了照明节能设计的评价标准,这个标准是以照明功率密度值(LPD)计算,单位是W/m2.照明功率密度值又分“现行值”和“目标值”。现行值是自该标准实施之日起执行,为“能效限定指标”,具有强制性,它评价照明设计节能是否“合格”或“达标”。目标值执行日期由主管部门决定,作为节能“推荐性指标”,它是目前要求比较高的节能标准,是评价优秀节能设计的依据。
1)LPD值的计算。它是规定一个房间或场所的照明功率密度最大允许值,设计中实际计算的LPD值不应超过标准规定值。
计算公式如下:
LPD=ΣΡ/A=Σ(PL+PB)/A(W/m2)(1)
式(1)中:
Ρ—单个光源的输入功率(含配套
镇流器或变压器功耗)(W);
PL—单个光源的额定功率(W);
PB—光源配套
镇流器或变压器功耗(W);
A—房间或场所的面积(m2).
在进行照明设计时,应按使用条件逐个确定房间或场所的照明标准,选出光源、灯具、镇流器的类型、规格、计算平均照度,使其符合规定的照度标准值,并使计算照度偏差不超过±10%,再按式(1)计算LPD值,并和规定的LPD值(现行值)进行对比,不超过规定值即符合要求。如果超过规定值,则相应调整方案,直至符合规定为止。有的设计者不作照度计算,将规定的LPD限值当作单位面积安装功率来计算光源数量,这是不对的。这样做的结果虽然符合LPD限值标准,但却没有给出具体照度。有两种情况需要说明:一种是选择的
光源器材效率低,照度达不到标准;另一种是选择了高效的光源器材,但计算的照度可能超过标准值较多,又浪费电能。
2)引用平均照度Eav的计算来降低LPD值的情况。
Eav=ΝΦUK/A(lx)(2)
式(2)中:
Eav—工作面上的平均照度(lx);
Φ—光源光通量(lm);
N—光源数量;
U—照明器的利用系数,其值见厂商样本资料,一般取0.4~0.6;
K—照明器的维护系数,一般取0.6~0.8(也称减光系数);
A—房间或场所的面积(m2).
U和K随房间的大小、光源的安装高度、灯具的型式、光源的配光、使用场所等不同而变化,在具体设计时,可依据厂家的样本,按各个照明灯具求出;对一般办公室、起居室等大致可取U=0.4~0.6,K=0.6~0.8.
光源的光效ηs(含镇流器)为:
ηs=Φ/P(3)
将式(1)和式(3)代入式(2),经变换得出:
LPD=Eav/ηsUK(4)
从式(4)可以清楚地看出,要降低LPD值应采取以下措施:
①首先应该提高光源的光效ηs,包括降低镇流器的功率;
②提高利用系数U,就是要选用效率高的灯具,以及与房间室形相适应的灯具配光,并注意房间顶棚、墙壁的反射比;
③合理确定照度标准值。在设计时,计算照度应尽量控制在标准值范围内,不要超过110%.
只要精心设计,优化设计方案,就可实现规定的LPD指标,为节能做出贡献。
4 照明节能的具体考虑
照明节能是电气设计中节能的重点,在《建筑照明设计标准》中提出将照明功率密度作为照明节能的评价标准,并规定办公楼、商店、旅馆、医院、住宅以及工业建筑的照明以功率密度作为强制性的规定,设计时必须执行。设计时可从光源、灯具、光源配件、灯具安装的布置和控制等方面按节能要求作出选择或提出限制性要求。
4.1 细管径直管荧光灯的选用
(1)细管径直管荧光灯使用于楼层不高的房间(楼层高4.5m以下),如办公楼、商店、教室、会议室、图书馆、公共场所及仪器仪表、电子的生产车间。
(2)直管荧光灯选用细管径型(≤26mm),有条件时选用直管稀土三基色细管荧光灯,以达到光效高、寿命长、显色性好的要求。
(3)在照度相同的条件下可采用紧凑型荧光灯取代
白炽灯,以节约电能。下列场所可采用白炽灯,但也应尽量减少白炽灯的使用量:
1)要求瞬时启动和连续调光的场所或使用其它光源技术不经济时;
2)对防止电磁波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。
(4)直管型荧光灯管按管径大小分为T12、T10、T8、T6、T5、T4、T3等规格。规格中“T+数字“组合,表示管径的毫米数值。其含义为:一个T=1/8英寸,一英寸为25.4mm;数字代表T的个数。如T12=25.4mm×1/8×12=38mm.
(5)荧光灯管管径与其电参数的关系
1)荧光灯管,管径越细,光效越高,节电效果越好;
2)荧光灯管的管径越细,启辉点燃电压越高,对镇流器技术性能的要求越高。
管径大于T8(含T8)的荧光灯管,启辉点燃电压较低。相对于220V、50Hz工频交流电,符合启辉点燃电压小于1/2电源电压定律。可以采用电感式镇流器,进行启辉点燃运行。
管径小于T8的荧光灯管,启辉点燃电压较高。相对于220V、50Hz工频交流电,不符合启辉点燃电压小于1/2电源电压定律。不能采用电感式镇流器,进行启辉点燃运行。管径小于T8的荧光灯管,必须匹配电子式镇流器。由电子式镇流器产生启辉高压,将荧光灯管击穿点燃。而后,由电子式镇流器驱动荧光灯管点燃运行。
(6)按光色分
1)直管型荧光灯管按光色可分为三基色荧光灯管,冷白日光色荧光灯管,暖白日光色荧光灯管。
2)荧光灯管光色与其技术品质的关系为:荧光灯管所涂荧光粉和所填充气体种类不同,荧光灯管所表现的光色就不同,其技术品质也有很大差别。
①荧光灯管涂卤素荧光粉,填充氩气、氪氩混合气体。荧光灯管光色为:冷白日光色荧光灯管、暖白日光色荧光灯管。
这两种光色的荧光灯管,显色性能较低,显色指数R值小于40.远远小于太阳光显色指数R=100的标准值。观看彩色物体表面颜色,会产生色偏,而且色彩偏青、偏灰,色彩暗淡不鲜艳。
这两种光色的荧光灯管,发光效率也比较低。 光效一般为每瓦电功率30~40lm.
这两种光色的荧光灯管,光谱中含有较多的不可见光,有效瞳孔流明(有效视觉光效)倍数也比较低。有效光效较低,有效照度较低。
这两种光色的荧光灯管,荧光灯管启辉点燃寿命也比较短,一般在5000~6000h之内。
以上两种光色的荧光灯管,不属于高效节能电光源,也不符合绿色照明技术要求。
②荧光灯管涂三基色稀土荧光粉,填充高效发光气体。荧光灯管光色为三基色合成的高显色性太阳光色。
三基色稀土荧光粉荧光灯管,显色指数R值大于82,接近太阳光色(太阳光的显色指数R=100)。
三基色稀土荧光粉荧光灯管,发光效率也比较高,光效一般为每W电功率65~120lm.
荧光灯管实际光效高低,与所采用的镇流器技术性能,和镇流器与荧光灯管匹配程度等技术要素有直接关系。
因此,在实际照明设计方案中,应选用技术性能先进的电子镇流器。并将荧光灯管与镇流器进行最佳匹配设计和调试。
三基色稀土荧光粉荧光灯管,启辉点燃寿命也比较长,一般在8000h以上。如匹配技术性能先进的高性能电子镇流器,启辉点燃寿命会增加至15000~20000h。
(7)科学选用直管型荧光灯应把握的原则
1)选用细管径、高光效三基色荧光灯管,如T6、T5、T4三基色荧光灯管。
2)选配高频率(交流一直流一交流AC-DC-AC变换频率,其高频频率在40kHz以上)、高流明系数、技术性能先进的电子镇流器。
3)在选定荧光灯管和镇流器后,这仅是完成了第一步工作。接下来应该按照“独立优化、最佳匹配”的原则,将荧光灯管与电子镇流器,进行最佳匹配参数调试。
具体到实际应用中,使用者不可能再动手调试电子镇流器。市场上正在销售的荧光灯管和电子镇流器,多为独立生产、独立销售的独立产品,相互之间根本不存在“独立优化、最佳匹配”。这样的产品随意组合在一起,达不到构建高效节能、明亮舒适的照明环境的目标。
4)比较现实的做法是购买成套的灯具。在购买成套的灯具时,也应注意荧光灯管与电子镇流器的技术品质。即荧光灯管是否是三基色;电子镇流器(交流一直流一交流AC-DC-AC)变换频率是否在40kHz以上。特别是电子镇流器与荧光灯管的技术参数是否匹配。
当前,较好的办法是委托专业电光源技术集成商,选配经过实际检验证明,技术性能先进,品质优良,运行可靠的产品和售后技术服务有能力的生产厂家。
直管形三基色高光效荧光灯,规格有T4、T5、T6三大系列,单灯功率,为10~40W.
T4、T5配有与T8荧光灯管,管脚相同的专用管脚转换头,可直接替代T8荧光灯管,不需更换原有灯架。
直接替代T8直管荧光灯,功率替代比例为3.5W,节电率达70%.
按照建筑照明设计标准规定,选用细管径直管荧光灯,指的是灯管径为16mm、26mm的T5及T8灯管,而不是传统的38mm的T12灯管,因为T8、T5比T12光效高而且节能,特别是降低了荧光粉的用量,延长了寿命,符合环保要求。
4.2 金属卤化物灯的选用
(1)一般室内空间高度高于5m且对显色性有一定要求时,宜采用金属卤化物灯;
(2)体育馆的比赛场地,因对照明质量与照度水平及光效有较高的要求,宜采用金属卤化物灯,商场的营业厅也可用小功率的金属卤化物灯;
(3)陶瓷金属卤化物灯比石英金属卤化物灯的显色性更好、寿命更长、光效更高。陶瓷金属卤化物灯是用于商业场所的重点照明,具体使用应根据工作位置的水平和垂直空间选择合适的灯具类型。金属卤化物灯与高压汞灯类似,区别在于玻璃壳上没有荧光粉涂层,放电管中除有汞和氧气之外,还加了某些金属卤化物。当放电管工作时,管壁温度很高(700℃~1000℃),管内金属卤化物被气化,并向电弧中心扩散,在接近电弧中心高温(约6000K)处被分解为金属和卤素原子。金属卤化物灯尺寸小、功率大、发光效率高(70~100lm/W)、光色好,它可以制成白色、日光色或蓝、绿、红彩色灯,但寿命比高压汞灯低。具体性能参数详见生产企业产品说明。
4.3 高压
钠灯的选用
(1)高度较高的工业厂房应按照生产使用的要求,采用高压钠灯或金属卤化物灯,也可采用大功率细管径荧光灯。
(2)高压钠灯的发光特性与灯内的钠蒸气压有关。标准高压钠灯光效高,显色性较差,适用于对显色性无要求的场所。
(3)有调光要求时,高压钠灯也可进行调光,光输出可以调至正常值的一半,系统的功率减少到正常值的65%.高压钠灯在发光管内除了充有适量的汞和惰性气体氩气或氙气以外,还加入过量的钠,工作时钠的激发电位比汞低得多,故放电管以钠的放电发光为主,发光效率较高。随着钠蒸气压力增高,共振谱线加宽,光色也得到改善,呈全白色。低压钠灯以黄色为主,显色性很差,但透雾性较好,发光效率可高达130~150lm/W,而高压钠灯的光谱较为连续,显色性稍好些。
4.4 发光二极管LED的选用
(1)用于景观照明:在城市休闲空间(如路径、楼梯、园艺、滨水地带)进行照明。LED作为光源可用于花卉或矮小灌木照明以及建筑物景观照明等与城市街道、广场有机结合,调节也更加方便。
(2)标识与指示性照明:需要进行空间限定和引道的场所,如紧急出口的指示照明、用于埋地或嵌入垂直墙的指示灯、购货中心内楼层的引导灯、影剧院观众厅内的地面引导灯或座椅侧面的指示灯。
(3)为室内装修作辅助照明:由于光源没有热量、紫外线和红外线辐射,对展品或商品不会产生损害,在餐食建筑中及其它彩色装饰墙面应用的很多。
(4)照明领域采用LED作为光源在很大程度上是因为LED本身节能,能使整个照明工程达到节约能源的目的。它是一种新型的节能光源,与传统光源相比有许多优点:
1)效率高。由于LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,效率可达80%~90%.
2)光线质量高。由于光谱中几乎没有紫外线和红外线,故没有热量也没有辐射,LED属于典型的“绿色照明光源”。
3)光色纯。它与白炽灯全频光谱不同,典型的LED光谱狭窄,发出的光线很纯。
4)能耗低。单体LED的功率一般在0.05~1W,通过集群方式可以满足不同要求,很少造成浪费。
5)寿命长。理论上,光通量衰减到70%的标称寿命为10万小时。
6)可靠耐用。LED没有钨丝等容易损坏的部件,非正常报废的很少,维护费用低。
7)应用灵活。LED体积小,可平面封装,易开发成轻落短小的产品,也可做成点、线、面等各种形式的产品。
8)绿色环保。荧光灯含有汞,而LED的废弃物可回收,没有污染。
因为上述优点,LED在照明领域的应用越来越多。
(5)LED的电气特性
将LED应用于照明领域,还必须考虑到LED的电气特性。从它的工作原理和电参数可知,该器件具有如下电气特性:
1)LED是直流器件,必须由
直流电源供电,LED工作时,其管压降低(10V以下);
2)LED是非线性的负阻器件,必须用具有线性特性的正阻器限制并稳定它的工作电流,否则将会影响其性能和使用寿命,而且LED对温度非常敏感,当温度升高时,其性能、寿命将会降低;
3)LED的功率较低,作为灯具光源,必须首先将交流电降低并变成稳定的直流电,再由适当的器件组成控制电路向LED提供稳定的直流工作电流。这套转换电路叫做驱动电路(驱动电路的主要功能是将交流电压转变为直流电压,同时完成与LED的电压和电流的匹配);
4)LED驱动电路的稳定性。LED作为光源应用在照明领域中,往往是由几十只甚至几百只发光二极管通过并联、串联组合成一个照明系统。因此,在设计LED灯具时,驱动电路的选择至关重要,如果驱动电路不稳定会产生LED的电流过强或过弱的现象。电流过强会引起LED的衰减,过弱则会影响LED的发光强度。所以,只有采用恒流驱动电路才能保证LED灯具的可靠性和长寿命。
5 灯具的选择
灯具效率的高低以及灯具配光的合理配置,对提高照明能效同样有不可忽视的作用。但是,提高灯具效率和光的利用系数,涉及的问题比较复杂,它和控制眩光、不同环境的防护(防水、防尘、防爆等)及装饰美观要求等有很大不同,必须合理协调才能兼顾各方面的要求。通过提高照明系统的效率达到照明节能的目的,不仅要合理选用高效光源,同时也要选用高效灯具。灯具的选用应符合下列规定:
(1)灯具高挂时宜采用敞开式结构;而低吊的灯具可用封闭式结构。
(2)除装饰需要外,应优先选用直射光通比例高、控光性能合理的高效灯具。灯具的结构和材质应易于维护、清洁和更换光源。
(3)除建筑装饰灯具外,室内用灯具效率应高于或等于0.7,装有遮光格栅的高于或等于0.6.室外用灯具效率应高于或等于0.5,室外投光灯灯具效率高于或等于0.6.
(4)有吊顶的办公室将照明灯具与空调风口结合设置,以保证最佳的光通量输出。
(5)应按照室形指数(Ri)选用配光合理的灯具。
(6)对于气体放电光源,电器附件的耗电量也同样不可轻视。按估算一般占照明系统总耗电量的10%~20%.
气体放电灯的附件主要是指所用的电子镇流器和电感镇流器相互比较耗电的情况。
高性能电子镇流器的优点如下:
1)功率因数高,大于或等于0.95,只有约3%的无功损耗,无功节电达45%以上;谐波含量低,使输出电流波形畸变小,对电网无污染,还可减少供电设备容量。
2)发光效率高。电子镇流器是高频激励,使荧光灯的发光效率一般在70lm/W.
3)启动快速可靠。它是用高频高压气体产生辉光放电,即使在-25℃的低温,120V的低电压下也能点燃灯管,而且可一次快速可靠地启动。
4)无噪声、无频闪、体积小、重量轻。
5)节能效果显著。电子镇流器工作频率为25~50kHz,灯管在高频下发光效率比工频高10%,因此提高了灯管的亮度。它的自身功率损耗仅为2~4W,寿命约在10000h,造价为每只50~60元。
电感镇流器有两类。一类为传统电感镇流器,另一类为节能型电感镇流器。传统电感镇流器自身功率的损耗约占灯功率的20%,节能型电感镇流器自身功率的损耗约占灯功率的12%.荧光灯用节能型电感镇流器按工作原理可分为带启动器的预热式和不带启动器的快速启动式及瞬时启动式。节能型电感镇流器的型号规格、参数、外形尺寸详见各厂家产品样本。
6 照明控制系统
(1)照明控制系统的实用性:照明控制系统应根据需要确定控制功能,选择切实可行的要求以实现节能和节省设备投资。这些功能包括:
1)控制器能根据需要调控不同类型的光源,而且有良好的性能;
2)能满足现场操作,控制各种控制界面的需要;
3)有与其它设备进行互联的各种输入/输出接口;
4)方便直接或直观地调试/监测软件。
(2)系统的经济性:照明控制系统的经济性体现在系统的初始投资、系统运行后节省电能以及降低维护运行费用等方面。
1)由于照明控制的性能特点改善了照明灯的运行工作条件,从而延长了灯的使用寿命,减少了换灯的数量,降低了维护费用。
2)通过对照明的工作状况做到科学管理和控制,才能将节省电能变成现实。
7 有关
电气设备节能的选择
7.1 选用低损耗变压器
目前,我国的10~35kV中小型变压器产品选用优质晶粒取向冷轧硅钢片,45°全斜接缝无孔结构,粘带和钢带绑扎,新材料和新工艺的绕组,大大降低了变压器的空载和负载损耗,并具备体积小、重量轻等优点,应该首先采用。过去几年,由于增加变压器的容量就要增加“电费补贴”,因此将变压器的负载设计在80%以上,无形中加大了变压器的热能损耗。为了保证变压器的经济运行,变压器负荷率一般为其容量的65%~70%.
7.2 高压开关柜用弹簧操作机构
随着真空断路器和六氟化硫断路器的普遍应用及弹簧操作机构质量的提高,这两种断路器配备的弹簧机构均得到了广泛应用,节省了很多的电能。CT12弹簧操作机构储能电动机功率只有450W,当电压为110V时,合闸线圈电流小于9.5A;220V时合闸线圈电流小于5A,分励
脱扣器电流分别小于2.5A和1.2A.由此看来,弹簧操作机构的节能效果显而易见。
8 配电线路的合理配置
我国民用高层建筑物中设备较多,照明灯具数量大,因此,配电线路的要求非常严格。导线和电缆环境要求,首先要考虑采用什么敷设方式,考虑供电的可靠性和安全性,应全部采用铜导体,这也是符合节能要求的。为了减少线损,还应对大容量的回路适当放大一级截面的电线和电缆,尽可能缩短配电线路的长度。
最后应注意三相平衡,三相线路之间的负荷需要保持平衡。无论是动力还是照明,在三相上所接负荷应尽量保持大小相等或相差很小,逐级线路都贯彻这一原则,避免因负荷不平衡而造成电能的额外损失。