照明节能设计探讨

2013-09-18中国中元国际工程公司刘宗东

智能建筑电气技术 2013年1期

▲中国中元国际工程公司刘宗东

引言

节能减排就是节约能源、降低能源消耗、减少污染物排放。随着工业化、城镇化进程加快和消费结构持续升级，我国能源需求呈刚性增长，受国内资源保障能力和环境容量制约以及全球性能源安全和应对气候变化影响，资源环境约束日趋强化。因此，政府把节能减排作为调整经济结构、转变经济发展方式、推动科学发展的重要抓手和突破口。《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》提出了到2015年单位国内生产总值能耗比2010年降低16%，主要污染物排放总量减少10%左右的约束性指标。

建筑领域是能源和资源高消耗领域，据测算，建筑在建材生产环节耗能约占20%，建造环节耗能约占1.5%，建筑使用过程耗能约占28%。建筑领域节能减排对于建设低碳社会，实现可持续发展显得尤为重要。

住房与城乡建设部作为行业行政主管部门，对节能减排工作非常重视，每年都会开展全国建设领域节能减排监督检查，选派建筑、暖通、供热、照明、污水处理及垃圾处理等方面专家组成督查组，由部委办领导亲自带队前往全国各地，通过听取汇报、查阅资料、抽调施工图设计文件和工程现场实地检查等方式，对建筑节能、供热计量、城市照明、城镇污水处理及生活垃圾处理等方面进行监督检查。民用建筑项目的检查按公共建筑和居住建筑两大类分别进行，检查的工程从在建和竣工项目中随机抽取。督查组在检查审阅施工图设计文件的时候，相关的设计人员、专业负责人及施工图审查人员需到场，以便接受督查专家的质询。督查专家根据住房与城乡建设部统一制定的“节能设计文件检查表”，逐项逐条地进行评价打分，最后得出综合评价，指出存在的问题和不足，必要时下发行政执法通知书。

作为首都建筑设计行业的行政主管部门，北京市规划委员会勘察设计管理办公室每年会不定期地组织建筑节能施工图设计文件专项抽查。由建筑、暖通及电气三个专业的设计专家组成抽查小组，从本市已经通过施工图设计文件审查并取得合格书的房屋建筑设计项目中随机抽取。以民用建筑为主，按公共建筑和居住建筑两大类分别抽查，内容包括建筑节能设计是否符合国家及地方节能设计方面的规范、标准；是否严格执行市规发〔2008〕112号“《北京市建筑节能设计计算文件编制要求》的通知”。各有关的设计单位及施工图审查机构对节能专项抽查的初步意见进行核实，并提出反馈意见。审查小组经认真研究形成抽查最终意见，相关设计人员应按最终意见对施工图设计文件进行整改并送施工图审查机构确认。

对于电气专业，建筑节能设计检查主要是围绕着照明节能。下面就照明节能设计检查中经常遇到的问题进行探讨。

1 光源选择

检查中发现，有的设计文件将1 200mm直管荧光灯的功率标注为40W，容易被认为采用了粗管径的T12荧光灯；点光源的功率标注为40W或60W，可能会被认为采用了普通照明用白炽灯。

光源选择的原则是：高光效、寿命长、显色性好。虽然价格可能较高，造成一次投资增加，但使用数量减少、运行维护费用降低，技术经济综合评价还是合理的。

各种电光源的光效、显色指数、色温和平均寿命等技术指标见表1。

1.1 白炽灯

普通照明白炽灯虽然具有瞬时启动、安装维护简便、显色性好及价格低廉等优点，但其光效低、且寿命短。因此，《建筑照明设计标准》GB 50034-2004第3.2.3条规定“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。”采用紧凑型荧光灯替代普通照明白炽灯光效可提高4～6倍。

2011年11月1日，国家发展改革委、商务部、海关总署、国家工商总局、国家质检总局联合印发《关于逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯的公告》（以下简称《公告》），决定从2012年10月1日起，按功率大小分阶段逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯。逐步淘汰白炽灯的进程分为五个阶段：2011年11月1日至2012年9月30日为过渡期；2012年10月1日起禁止进口和销售100W及以上普通照明白炽灯；2014年10月1日起禁止进口和销售60W及以上普通照明白炽灯；2015年10月1日至2016年9月30日为中期评估期；2016年10月1日起禁止进口和销售15W及以上普通照明白炽灯，或视中期评估结果进行调整。

表1 各种电光源的技术指标

表2 粗、细管径荧光灯技术对比

1.2 荧光灯

《建筑照明设计标准》GB 50034-2004第

3.2.3 条规定，高度较低的房间及场所宜采用细管径直管形荧光灯。细管径是指管径≤26mm的直管形荧光灯，如T8、T5荧光灯等；粗管径是指荧光灯管径为38mm以上的荧光灯，如T12荧光灯等。细管径荧光灯的光效提高，汞用量减小，有利于环保；并且细管径更易于使用三基色荧光粉。表2给出了粗、细管径荧光灯的技术对比。

荧光灯玻管内壁涂敷的荧光粉是荧光灯的关键材料之一，其好坏直接关系到荧光灯的光效、光通维持率、色温及显色性等。荧光粉通常分为卤磷酸钙（简称卤粉）和稀土三基色两种。稀土三基色荧光粉的光效高，比卤粉提高约17%～30%；显色性好，从卤粉的60～72提高到80～98；寿命长，约提高50%～100%，并且抗短波紫外线的能力强。虽然三基色荧光灯价格比卤粉荧光灯贵，但在相同照度条件下，使用灯管数量减少，从而使建设投资降低，运行费用减少。因此，用三基色荧光粉取代传统的卤磷酸钙荧光粉，是提高荧光灯光效的重要措施。京建发[2010]326号文“发布《北京市推广、限制和禁止使用禁止材料目录（2010年版）》的通知”的规定：除频繁启动场所外禁止使用白炽灯和卤素灯；禁止使用卤粉荧光灯及荧光灯类一般型电感镇流器。

选择荧光灯时应尽量采用不小于4ft（1.2m）长的直管形荧光灯。2ft（0.6m）18W的T8直管形荧光灯比36W的T8直管形荧光灯多耗电31%（配电子镇流器）～45%（配节能型电感镇流器），而且初建费要增加30%～60%，另外25W以下荧光灯所配电子镇流器的3次谐波含量也很大。

1.3 金属卤化物灯

高大空间场所使用金属卤化物灯，应选用陶瓷内管金属卤化物灯，与石英金属卤化物灯相比，显色性从65提高到85，光效提高8%～20%，寿命延长10%～15%。

2 镇流器选择

检查中发现，有的设计文件电感镇流器未注明采用“节能型”，镇流器未注明“应符合该产品的国家能效标准”。

《建筑照明设计标准》GB 50034-2004第3.3.5条规定：自镇流荧光灯应配用电子镇流器；直管形荧光灯应配用电子镇流器或节能型电感镇流器；高压钠灯、金属卤化物灯应配用节能型电感镇流器，功率较小者可配用电子镇流器。

荧光灯和高强气体放电灯的镇流器分为电感式和电子式两大类，电感式包括普通型和节能型。传统普通型电感镇流器虽然结构简单、安全系数高、坚固耐用、价格低廉，但噪声高、功耗大（自身功耗占光源功率的10%～11%），已不符合照明节能的要求。随着铁芯材料质量、生产工艺技术、工装设备的提高和完善，使得工频电感镇流器的能效和质量全面提升。尤其E型、环形、补偿性电感镇流器由传统普通型到节能型，自身功耗大大减少，节能约40%以上，已接近电子镇流器的水平。节能型镇流器具有温升小、耐瞬间过电压冲击、浪涌电流小，过载能力强、波峰比好、安全可靠、稳定性好、光效比高等优点。

荧光灯用电子镇流器一般使用20～60kHz频率供给灯管，使灯管光效比工频提高约10%（按长度为4ft的灯管），且自身功耗低，使灯的总输入功率下降约20%，具有更好的节能效果。电子镇流器消除了频闪和噪声，发光稳定，有利于提高视觉分辨率，降低连续作业的视觉疲劳，保护视力。对于需要调光的场所，采用配可调光电子镇流器的高效荧光灯替代白炽灯或卤钨灯，可实现2%～100%的大范围调光。

荧光灯的管径越细，启辉点燃电压越高，电感镇流器不能可靠启动T5灯管。对于功率≤150W的金属卤化物灯和高压钠灯配用电子镇流器，可以节能。但功率≥250W时，采用高频点灯不仅没有使高强度气体放电灯的光效有所提高，反而有所下降，未必节能。实际使用中，往往会因为种种原因需要把镇流器安装在远离光源的地方。电感镇流器只要导线截面积足够，导线电阻约占镇流器等效阻抗的0.5%以下时，几乎不会影响光源的正常工作，这一距离一般可达50m左右。而电子镇流器由于是高频输出，输出导线的高频感抗较大，当灯与镇流器距离达到5m时，因导线高频阻抗较大会使光源的输出功率明显下降约3%～8%，并且电子镇流器输出导线的加长还会使对外干扰（EMI）明显上升并超过标准限值。

选择电子镇流器应特别注重其谐波含量。《管形荧光灯用交流电子镇流器性能要求》GB/ T 15144-2009已经取消了94年版对电子镇流器的分级（L级和H级）的规定，其谐波限值应符合《电磁兼容限值谐波电流发射限值》GB17625.1-2003（设备每相输入电流≤16A）。该标准第7.3条给出了C类设备（照明设备）的谐波电流限值，如表3所示。

表3 C类设备（照明）的谐波电流限值（灯的有功功率大于25W）

设计中应注意表3注中25W及以下灯管的谐波限值非常宽松，如果一个建筑物内大量采用这种小功率荧光灯（包括长度2ft的T8、T5灯管和紧凑型荧光灯），将导致严重的波形畸变，中性线电流过大以及线路功率因数降低等不良后果。

镇流器能效标准应符合《管形荧光灯镇流器能效限定值及能效等级》GB 17896-2012、《高压钠灯用镇流器能效限定值及节能评价值》GB 19574-2004、《金属卤化物灯用镇流器能效限定值及能效等级》GB 20053-2006。其中能效是强制性的，凡不满足限定值要求的均为不合格产品。

3 灯具选择

检查中发现，有的设计文件没有明确灯具的效率。

灯具除了具有固定保护光源、装饰环境、将光源及其附件与电源可靠连接的功能外，还担任着对光源产生的光通量进行重新分配、定向控制及防止眩光等重要作用。

灯具效率（灯具光输出比）是指在规定条件下，工作面或参考面上测得的灯具所发射的光通量值与灯具内所有光源发出的光通量测定值之和的比值。它反映了灯具对光的利用程度，效率越高，光源光通量的利用率就越高。《建筑照明设计标准》GB 50034-2004第3.3.2条规定，在满足眩光限制和配光要求条件下，应选用效率高的灯具。并且，从节能考虑对荧光灯灯具和高强度气体放电灯灯具的效率规定了下限值，见表4、表5。

4 照度及照明功率密度

检查中发现，有的设计文件没有照度计算值或照度计算值超出规范标准值的±10%；照明安装功率只考虑了光源功率，遗漏镇流器或其他光源附属装置的功率或功耗取值偏大；照明面积按房间轴线面积计算而未按净面积计算，造成照明功率密度计算值超出规范限定值。

表4 荧光灯灯具的效率下限值

表5 高强度气体放电灯灯具的效率下限值

4.1 照度计算

照度是照明的数量指标，《建筑照明设计标准》GB 50034-2004中所规定的照度标准值均为作业面或参考平面上的维持平均照度值，它等于照明装置新装时的平均照度乘上维护系数（又称为减光系数，室内取80%、70%或60%）。实际设计中，除了满足规范第4.1.3条和4.1.4条时可按照度标准值分级提高或降低一级以外，不能随意选用、更改其他分级的照度标准值，或规范照度标准值分级中未规定的某一照度值，如260lx、400lx等。

平均照度的常用计算方法是利用系数法，它适用于灯具均匀布置、墙和天棚反射系数较高、空间无大型设备遮挡的室内一般照明。新装时作业面或参考平面上的平均照度等于单位受照面积上的全部光源的总光通量乘以利用系数。

利用系数法是投射到工作面或参考面上的光通量与从全部光源发射出的光通量之比，其数值与下列因素有关：

1）灯具的型式、光效及配光特性。

2）灯具的悬挂高度。悬挂越高，反射光通量越多，利用系数也越高。

3）房间的面积及形状。房间面积越大，越接近于正方形，则直射光通量越多，利用系数也越高。

表6 照明节能设计判定表

4）墙壁、天棚及地板的颜色和洁污状况。颜色越浅，表面越洁净，反射的光通量越多，利用系数也越高。

利用系数是灯具光强分布、灯具效率、房间形状、室内表面反射比的函数，计算比较复杂。通常，由灯具生产厂家提供的光度数据表查表获得。

照度计算时考虑到布灯的需要、光源功率和光通量不是连续变化的实际情况，规范对于10个灯具以上的照明场所，照度设计值与标准值允许有±10%的偏差；当灯具小于10个时，允许适当超过此偏差。

4.2 照度功率密度计算

一般照明的照明功率密度值（W／m2）是建筑照明节能的评价指标，它是单位面积上照明安装功率（包括光源、镇流器或变压器），对提高照明能效，节约能源有重大的意义。

《建筑照明设计标准》第6章规定了七类建筑中85种最常用、量大面广的房间或场所的照明功率密度值（LPD）上限值，除居住建筑外，其他建筑的照明功率密度值均为强制性的，实际设计中不得突破。

对于根据《建筑照明设计标准》GB 50034-2004第4.1.3条和4.1.4条提高或降低一级照度标准值的情况，照明功率密度值应随之改为调整后的照度分级所对应的数值；对于装饰性灯具，只将其总功率的一半计入照明功率密度值的计算；设有重点照明的商店营业厅楼层，其照明功率密度值可每平方米增加5W。北京市的公共建筑项目，还应按《公共建筑节能设计标准》DB11／687-2009第6.2.1条的要求，在设计文件中以照明节能设计判定表的形式，见表6，对国家强制性条文规定的房间或场所的实际LPD值进行验算。

通过推导，照明功率密度值与维护平均照度存在如下关系：