日光感知的LED照明系统节能特性

高 英 明，邹 念 育，毕 建 峰，郭 旭，曹 冠 英

(大连工业大学 光子学研究所，辽宁 大连 116034)

0 引 言

能源危机、全球变暖和环境恶化等问题皆与能源消耗过快、能源结构不合理有直接的联系，使得节能问题在世界范围内受到关注。照明的能消占全球能源消耗总量的19%，鉴于目前广泛使用的照明装备与技术，照明节能有很大的提升空间。采取的措施如：研制高效光源与灯具，优化照明设计，将日光导入地下超市、停车场等日光不易进入的场所进行照明等[1－3]。由于日光具有取之不尽、用之不竭、清洁无污染等优点，在进行照明设计时充分考虑日光的影响，研究相应的照明技术，利用日光照明，必然会节约能源、改善环境。

文献[4]采用开环控制方式，由人工周期性地调整光源亮度，使桌面照度始终让人感觉最舒适，与维持桌面500lx的恒定照度相比平均节能25%。文献[5]采用超声波传感器阵列确定人员位置，综合考虑人员位置与自然光在室内的分布情况，通过照度控制算法调整LED光源的亮度，使室内照度随人员位置合理分布，从而达到节能的目的。作者研究了自主式调光照明系统与自然光结合，在黎明与黄昏等自然光不足的情况下采用自主式调光系统保持室内恒定照度的节能特性，给出了评价节能特性的解析表达式。

1 日光感知照明系统

日光感知照明系统融合自动控制技术，由传感单元、处理单元与执行单元构成闭环的环境照度控制系统。日光感知照明系统以照度为控制参数，光源为控制对象，在黎明或傍晚日光逐渐增强或逐渐减弱时动态调整照明光源的发光强度，使得室内照度保持稳定。由于考虑到渐变日光对室内照度的贡献而逐渐改变光源实际功率，相对传统照明方式节省了能量。

图1是采用PWM调光方式研制的自主式调光控制器。若要日光与日光感照明系统结合能够达到良好的恒定照度控制效果，则光源的发光强度能够随工作电流同步改变。若光源亮度改变滞后于工作电流(如钠灯)，会使得实际的光源亮度调整滞后于控制指令的变化，导致室内照度波动，不易实现等照度控制效果。作为下一代照明光源的LED不仅调光同步性好，且调光范围宽，能实现更精细的照度控制，LED光源还具有光效高、寿命长等优点[6－7]，适合自适应调光照明。

图1 自主式调光控制器Fig.1 Autonomous dimming controller for LED

2 节能特性分析

照度是评价照明效果的主要参数，其值越高，环境的照明效果越亮。照度一旦低于某个值就会对人的活动产生影响，使注意力难以集中，降低学习与工作效率，这样的照度值为临界照度。与传统照明系统相比，结合日光的日光感知照明系统其节能性可由图2说明。室内照度在傍晚t1时刻降至临界值，日光感照明系统开始工作，控制光源的功率逐渐增大，至t2时刻天完全黑下来，光源功率达到最大，持续时间t2－t1用tlast表示。若采用不能调光的传统照明系统，则光源的功率可认为是定值Pconst。曲线Plamp(t)为t1至t2时刻日光感照明系统功率曲线，曲线Eroom(t)是仅由日光照明时室内照度随时间的变化曲线。对于黎明的情况也可用类似的方法分析，此时室内照度及光源功率的变化趋势与傍晚的情况相反。

图2 傍晚的室内照度与光源功率变化的示意曲线Fig.2 Profile of indoor illuminance and lighting source power in evening

室内采用自主式调光系统照明，从室内照度低于临界值至完全黑下来，消耗的电能可以表示为

采用传统照明，消耗的电能可表示为

日光感照明系统相对传统照明系统节省的能量为

由积分中值定理[8]，∃ε∈ [t2，t1]，使得式(4)成立

因为室内照度Eroom(t)是单调递减的，所以Plamp(t)应是单调递增函数，于是有Pconst－Plamp(ε)＞0，因此t2－t1持续的时间越长，则节省的能量Psaved越多；照度临界值越高，节能越多。相对于采用传统照明而言，这对于阴天导致的室内照度不足而需要开灯照明的情况节能效果更显著。对于室内采光不足而需要开灯的情况而言，也具有类似的节能效果。

3 节能特性研究

如图2，为得到自主式LED调光照明系统节省的能量，需要知道Plamp(t)的表达式，也即当室内照度低于临界值后，日光感知照明系统的动态功率曲线。为得到曲线Plamp(t)的表达式，作者首先测量了日光照明不同时刻室内的照度值，然后依据测量得到照度值进行功率补偿实验来确定维持室内照度恒定的光源功率，再对光源功率拟合得到Plamp(t)曲线，从而得到日光感照明系统相对于传统方法节省的电能。为保证照明的舒适性，对于工厂、教室、办公室、量贩店、咖啡店、快餐馆、生产线等一般照明场合需要达到300～800lx的照度值[9]。作者以300lx作为照度的临界值对日光感照明系统的节能性进行定量研究。

3.1 照度测量

根据前面的讨论，日光感照明系统在晴天节省的能量相对较少，这是由于相对阴天而言晴天时室内照度低于临界值的持续时间t2－t1较短。因此选择晴天研究日光感照明系统节能特性，多次对傍晚室内桌面照度随日光变化进行测量，测量时间是2011年中秋与深秋时期，测量地点是大连工业大学某实验室。图3是得到的照度测量曲线及对应的四次多项式拟合曲线，2条测量曲线分别对应中秋与深秋某晴天的测量结果。由图3可以看出，深秋时测得的从照度低于临界值到天完全黑下来的持续时间比中秋的长，即t2－t1较大。照度测量使用柯尼卡美能达CL－200光度计，每隔5min测量记录室内照度值。

图3 室内照度的测量结果和拟合结果Fig.3 Measuring and fitting curve results of indoor illuminance

3.2 功率补偿

实验在晚间于测量照度的实验内进行。功率补偿实验要确定当室内照度降到临界值以下时，日光感知照明系统消耗的最小电功率，刚好使得室内照度恰好达到临界值。由于日光感知照明系统主要改变的是光源功率，因此实验只对最小的光源功率进行了测量，并以此评价其节能性。实验装置由3个LED T8管灯、1块柯尼卡美能达CL－200光度计、2台Agilent 5750可调直流电源以及放置光源的支架组成。其中管灯1模拟日光，管灯2、3并联模拟照明光源(额定功率各为13W)；电源1为管灯1供电，电源2为管灯2、3供电；照度计位于管灯2、3下方1.7m处。根据房间照度的实际测量结果，首先通过电源1调节光源1的亮度，使照度等于日光照明时的实际测量值，然后调节电源2改变光源2、3的亮度，使得照度达到照度临界值300lx。根据直流电源Agilent 5750的输出电压U与电流I，由P＝UI得到照明光源的功率。表1给出了部分功率补偿实验的结果。

表1 对应于照度实际测量时间的功率补偿实验结果Tab.1 Power compensating results corresponding their actual measuring time

3.3 曲线拟合及节能比较

当照度值低于300lx时，根据图3的2条照度测量曲线，按照功率补偿实验的操作方法，分别得到与照度值对应的功率补偿值，再对补偿值进行曲线拟合得到拟合曲线Plamp(t)，如图4的功率拟合值1与功率拟合值2曲线，它们对时间的积分近似为日光感知照明系统实际消耗的电能Pused。再将光源的额定功率Pconst代入式(3)就可以得到节省的电能Psaved。

图4 光源实际功率的测量与拟合曲线Fig.4 Measuring and fitting curve of lighting source

对光源实际功率进行四次多项式拟合[10]，得到光源的实际功率拟合曲线，再对四次多项式积分得到实际的能耗。与曲线拟合和数值积分相关的MATLAB程序代码：

得到自适应调光照明在中秋消耗的电能为12.71Wh，深秋消耗的电能为14.45Wh，t2－t1分别为0.91与1.08h。2个LED管灯并联的额定功率为26W，若不调光，则t1至t2时段消耗的电能分别为23.66与28.08Wh。由此得到节省的能量分别为10.95与13.63Wh，节能率分别为46.3%与48.5%。这些与前面的理论推导结果相符合，即t1至t2的持续时间越长，自主式调光照明节约的能量越多。

4 结 论

针对自主式LED调光照明系统的节能性进行了研究，给出了计算节能指标的方法，指出在自然光照明下，室内照度值低于临界值时间越长，则采用自主式调光照明节省的能量越多。根据2组实际测量得到的照度值进行光源功率补偿与曲线拟合后，得到节能率分别达到46.3%与48.5%，结果显示了自主式调光照明方法良好的节能性。自主式LED调光照明系统不仅能够利用日光节能，还可利用其他有可能影响室内照明的光源来节能，如庭院灯、路灯甚至月光等。自主式LED调光照明系统既能保证照明的舒适性，又有显著的节能效果。

[1]郑洁.天窗昼光照明能耗特性的研究[J].暖通空调，2007，37(7)：15－20.

[2]薛晓迪，郑宏飞，马燕燕，等.一种新型光纤导光照明系统的性能研究[J].北京理工大学学报，2010，30(11)：1321－1325.

[3]HAMZAH A，WANG C.Limitations in current day lighting related solar concentration devices：A critical review[J].International Journal of the Physical Sciences，2010，5(18)：2370－2756.

[4]NEWSHAM G R，ARIES M，MANCINI S，et al.Individual control of electric lighting in a daylit space[J].Lighting Research ＆ Technology，2008，40(1)：25－41.

[5]PANDHARIPANDE A，CAICEDO D.Daylight integrated illumination control of LED systems based on enhanced presence sensing[J].Energy and Buildings，2011，43：944－950.

[6]李春茂.LED结构原理与应用技术[M].北京：机械工业出版社，2010：46－47.

[7]杨德清.LED驱动电路设计与工程施工案例精讲[M].北京：化学工业出版社，2010：1－5.

[8]同济大学数学系.高等数学：上册[M].北京：高等教育出版社，2007：108－110.

[9]佚名.不同场合LED照明对灯具的执行标准[EB／OL].(2011－09－16)[2012－06－16].http：／／info.ledp.hc360.com／2011／09／16110626561.shtml.

[10]李维波.MATLAB在电气工程中的应用[M].北京：中国电力出版社，2007：60－61.