基于比功率法和利用系数法的HAB（WB）照度计算在海工船上的应用

戴祥斌，徐心渊

（上海市斯迪安船舶设计有限公司，上海 200052）

0 引 言

为满足规范对照度的要求，在照明设计中需要对设计照度进行计算，通常采用手工计算或计算机辅助设计。手工计算有逐点计算法，利用系数法（又称光通量法、流明法）和比功率法等；计算机辅助设计以GLAMOX公司的OptiWin软件为例：该软件可以导入CAD图纸，根据要求自动生成照明布置和照度上的精确分布[1]。随着照明研究的深入，研究者提出了一些新的方法，如考虑了墙壁多次反射的维护面计算法[2]，以及照度矩阵这样的数学工具[3]，为照度计算提供了新的理论基础。

结合150T三用拖船上HAB(WB)照度计算的实例，对利用系数法和比功率的使用进行了讨论。

1 设计背景

船上照明是船舶正常航行、支持作业以及船上人员生活工作的必要条件。包括确保航行安全及人员安全的照明（如航行灯、信号灯、登放艇区域的照明），工作场所照明（如驾驶室，机舱和装卸区域的照明）以及生活区域照明（如起居，休闲娱乐场所的照明）等。同时，随着海洋石油工业向深海拓展，船上人员的离岸工作时间和强度显著增加，保证船员的生活的舒适性日益重要，其中对照明的要求变得更加严格。

特别地，对于海工辅助船（OSV-offshore supply vessel）的照明设计：一方面，海工辅助船的客观条件给照明设计带来了挑战：海工辅助船承担为海洋石油勘探、开发、生产提供全面的船舶作业支持服务，提供各种水深的起抛锚作业、海上设施及大型工程船舶的拖航就位、钻采物资运输供应、油田守护、提油支持、油田生产支持、消防和海上污染处理等多种作业服务。工作的多样性和复杂性对照明提出了很高要求。另外，以某型150T AHTS（锚作拖带船）为例，其特点是船型较小，而功能多样，内部结构复杂，走道宽度狭小，舱室内部设备多且型式多样，各系统管路电路交错纵横，给照明设计布置带来了较大困难。同时，照明设计既需要满足工作区域人员安全高效工作的要求，在生活区域也要求具有一定的美观性，同时还涉及船上人员紧急逃生时的安全问题。

另一方面，随着国际规范（MLC，船级社规范如DNV、ABS、BV）对舒适性的严格要求，照明设计被赋予了更高的难度：以HAB(WB)为例，它是由ABS（美国船级社）近年推出的针对工作船舒适度要求的入级符号，对5个方面提出了全面而明确的指标，分别是居住区域的设计，振动，噪音，室内空调和通风以及照明。另外，该符号还拥有两个升级版，HAB+ (WB)以及HAB++ (WB)[4]，对于上述前4个方面中某些指标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。规范对工作船上各个处所的照度都有详细的规定，相比其他规范HAB(WB)在照度上的要求，举例如表1所示。

表1 各标准照度要求对比 单位：lx

可见，HAB(WB)对照度的要求也是比较严格的。在施工结束后由通过认证的第三方编制照度测量计划，得到批准后在ABS的监督下按计划进行测量[5]。

2 海工船的照度计算方法

2.1 计算方法的选择

首先根据项目实际情况选择最合适的照度计算方法。150T AHTS总长72m，型宽17.2m，型深7.8m，定员36名。起居舱室有船员住舱，娱乐室，厨房，餐厅等处所。由于舱室分类较少，通常一类处所（如住舱）可选取1～3种典型布置计算；另外，各类型舱室内布置情况都较为简单，并不需要建立复杂的数学模型进行精确的分析计算。因此，计算机设计和手工计算均能胜任。

其次，不同于空间较大的商船，通过精确的计算可以避免过度照明产生的浪费，海工船因为舱室面积小，当计算照度与HAB(WB)要求的值之间有差距时，通过增加1～2盏灯具，照度就可以大大超出指标要求；加之舱室数量较少，灯具的总增量也能控制在一定的范围内。因此，通过采用计算软件精确分析以节省成本的优势难以显现。

另外，鉴于照度计算软件中灯具的数据库往往仅限定于提供厂家的自有产品，在灯具的选型上便受到掣肘。如果不依赖厂家进行独立的计算，还需要考虑购买一套照明设计软件。

鉴于以上几点考虑，通过计算机软件辅助照明设计的优势不大，故选择手工计算。为提高可靠性，同时采用比功率法和利用系数法进行计算，对两者的结果进行综合考虑，最后再用计算软件进行校核，检查上述方法的精确度。

2.2 计算方法的内容

2.2.1 比功率法

比功率法是根据各舱室的最低照度要求，选择其单位面积所需的功率数值（即比功率值），再根据舱室面积计算该舱室所需照明的总功率，然后结合舱室的具体布置情况确定照明灯具的形式、数量及每个灯的功率的方法。如果已经做好了灯具选型工作，每盏功率与总功率的比值即为所需灯具数量的最小值。

计算公式：

式中：P——所需灯具总功率/W；Ws——单位面积所需功率（比功率值）/W/m2；s——舱室面积/m2。

其中，根据需要的照度和灯具的型式，可以在设计手册[4]中查到相应的值。

2.2.2 利用系数法

利用系数是指被照面上的有效光通量与光源发射的额定光通量之比。利用系数法就是在舱室的几何特性已确定的前提下，根据预选灯具的利用系数来计算所需光通量的方法。

利用系数法的计算公式为

式中：F——每个灯具中光源的光通量/lm；S——舱室面积/m2；E——要求达到的平均照度/lx；K——照度补偿系数；N——灯具数量；η——利用系数。

考虑光源在使用期间，由于光通量的衰减及被照环境的变化而引起照度降低，在照明计算时预置了补偿系数（K），K与舱室内光通量衰减量成正相关。

利用系数η值与舱室的几何形状、墙壁与天花板的反射条件及灯具的型式有关。

室形指数φ取决于舱室的几何形状，可由下式计算：

式中：a——舱室长度/m；b——舱室宽度/m；H——舱室高度/m。

2.2.3 两种方法各自优缺点

1) 比功率法适用范围广，可以应用于不规则的房间，但是相比利用系数法，仅考虑了平均功率和灯具类型两个因素，没有考虑墙面反射，房间形状对光线照射的影响以及房间内空气的通透度等对照度的影响，所以在精确性上要打折扣；

2) 利用系数法相较于比功率法考虑了墙面反射，和室内环境对照度的影响，结果更加接近实际，但缺点是对于不规则房间不能直接进行应用。

2.2.4 计算表格

根据以上所述两种不同的方法，创建一个电子表格，根据房间的布局，分别填入长，宽，高，查表[6]得到补偿系数，反射系数等各个参数。再填入代表灯具属性的各个参数如型式，光通量等等，就可以根据表格中编好的公式，得到各方法下灯具的数量。最后，比较两种方法的结果，加上设计人员的根据实际经验的修正，得到的最终结果就能作为照明布置时灯具数量的理论依据（见表2、3）。

表2 利用系数法计算

表3 比功率法计算

2.3 照度报告

完成照明设计后，利用上述表格，可分别把灯具数量填入当中，利用比功率法和利用系数法的公式计算出的结果就是在相对应的设计之下的理论照度。该文件可以作为照明设计的支撑文件，提交船东参考。

3 海工船照明系统照度设计的实践应用

在150T AHTS中选取以下几种典型舱室，使用比功率法和利用系数法进行计算：

3.1 驾驶室

驾驶室照明布置如图1。驾驶室灯具使用嵌入式荧光灯，灯具规格为2×20W，使用2只灯管。灯管光通量参照飞利浦MASTER TL5 HO Eco 20，每只1525lm，考虑损失，一盏荧光灯光通量按2200lm计算。

由于房间形状不规则，只能用比功率法进行计算。根据规范，驾驶台需要照度为325lx，其他区域根据规范要求为150lx。因为是计算平均照度，所以选取150lx为需要值，驾驶台不足照度单独考虑，或可用射灯补足。驾驶室总面积102m2，选用嵌入式荧光灯，通过查表[6]，要获得150lx照度每平方米需要的照明功率为7W（7 W/m2），灯具功率为40W/盏，根据公式(1)可得到如下结果：N=7× 102/40=17.85，向上取整为18盏灯。计算结果见表4。

图1 驾驶室照明布置

表4 比功率法计算驾驶室照度结果

3.2 典型舱室-娱乐室

娱乐室布置如图2，由于该舱室为规则矩形，可使用利用系数法计算。根据房间长宽高，由公式（3），室形系数：φ=4.78× 3.14/(2.1×Y4.78+3.14Y)=0.9，天花板和墙壁的颜色分别为白色和淡绿色，通过查表[6]得利用系数为 0.43，根据处所类型和灯具类型选择补偿系数1.3。由公式(2)，灯具数量N=6.18，故选择6盏灯，并等待进一步用比功率法验证。计算结果如表5。

采用比功率法验算，根据面积和300lx照度下需要的比功率，由式(1)得N=5.25，向上取整选取6盏灯，结果超出指标。比功率法计算结果如表6。

3.3 典型船员住舱

船员住舱布置如图 3。舱室灯具选用 2×11W 筒灯，灯头光通量参照飞利浦 EcotoneHS CDL E27 220-240V 1CT，每只 760lm，每盏筒灯的光通量按1200lm计算。

图2 娱乐室照明布置

表5 利用系数法计算娱乐室照度结果

表6 比功率法计算娱乐室照度结果

图3 比功率法计算舱室照度

图4 利用系数法计算舱室照度

由于房型不规则，且需要去掉卫生单元单独计算居住舱室。去掉卫生单元之后房间的面积为 8.4m2。查表[6]可得要获得150lx照度每平方米需要的照明功率为 7W（7W·m-2），灯具为20W/盏，根据式(1)，得到需要3盏灯。计算结果如表7。

表7 比功率法计算船员舱室照度结果

如要使用利用系数法，用一个形状相似且面积略大的矩形来进行近似计算（如图4 矩形所示，长2.45m，宽3.41m）。室形系数：φ=0.68，天花板和墙壁的颜色分别为白色和淡绿色，查表[6]得利用系数为0.43，根据处所类型和灯具类型选择补偿系数1.3。由式（2）计算得灯具数N=3.15。利用系数法计算结果如表8。

表8 利用系数法计算船员舱室照度结果

将房间近似成矩形来进行计算的结果，可用来作为参考，两者的计算结果也较为接近，考虑到台灯提供的额外的照度，选择3盏灯能够满足规范要求。

3.4 验证

为了检验在OSV上比功率法和利用系数法结合的理论依据是否可行，采用OptiWin软件进行验证。

3.4.1 OptiWin介绍

OptiWin软件包含GLAMOX公司的灯具数据库，类型齐全、种类繁多，囊括了船舶海事、陆地等多个领域。OptiWin软件中，数据库中灯具各项数据参数精确，可以查阅每种类型中具体型号的灯具图片、特性曲线与性能参数。其计算理论依据如下：

1) 评估照度计算：这种方法是基于设备利用率，用于计算必要的平均照度。房间内的灯具布置匀称均衡且在同一个高度上，适用于具体房间的照明灯具布置；

2) 精确照度计算：这是根据距离计算照明灯具的精确照度的方法。如果光源距离较短，把照明灯具划分为更小的组，精确的计算一个或多个光源的照度；

3) 房间内部反射计算：这是照度计算中最重要也最复杂的部分。需要考虑房间内天花板、墙板与地板的反射系数、灯具的安装角度；考虑光源在不同点（房间内的区域划分为更小的区域）之间的移动，直到点可被忽略。这种计算综合考虑以上两种算法，尽管计算耗时较长，但计算结果精确[1]。

3.4.2 OptiWin计算结果

将上述舱室照明布置建模，采用OptiWin软件对上述照度计算进行检验。

如图5，驾驶室内的照度在分布在150～300lx之间，室内绝大部分走道和休息区域均达到了150lx的照度；在驾驶台上，有部分区域已经达到了325lx，由于驾驶台上另外装带有调光功能的射灯，可以补足欠缺的照度。

采用同样的方法，对另外几个例子进行检验，记录在表 9中。各例中，平均照度均能满足规范的要求；少数位置低于标准，如休息室的角落，舱室里的床头位置，通过装设壁灯和床头灯，在提供装饰和功能的同时也补足了照度。

图5 软件计算驾驶室照度

表9 利用系数法与软件计算结果比较表

4 结 语

在150T AHTS舱室布置的情况下，通过两种方法计算相互修正，保证了大致的精度。通过表格的型式，一方面提高了计算时操作的效率，同时可直接生成照度计算文件。同时，相较计算机软件辅助计算，节省了购买软件的成本。

由于采用的是平均值的理论基础，比功率法和利用系数法均无法对点照度的要求进行考虑，比如驾驶台，房间角落的照明，需要通过经验，或者逐点计算法进行照明的补足。并且，利用系数法仅考虑了墙壁的一次反射，比功率法没有考虑舱壁的反射的差异，故在精度上存在一定缺陷，应用存在一定的条件限制。

[1] 陈奎英，张冬梅，肖昕路. OptiWin照度计算软件在海洋工程照明设计中的应用[J]. 船舶，2009, (5).

[2] 李运江，彭惠明，徐 波. 几种照度计算方法的比较及研究[J]. 三峡大学学报（自然科学版），2003, (2).

[3] 汪鲁才，王耀南，毛六平，等. 基于照度矩阵的照度计算方法研究[J]. 照明工程学报，2002, (6).

[4] 美国船级社. Guide for Crew Habitability on WorkBoats[S]. 2012.

[5] 王 平，王金苓. OptiWin3DPro软件在船舶HAB(WB)照明设计中的应用[J]. 广东造船，2013, (2).

[6] 中国船舶工业总公司编. 船舶设计使用手册(电气分册)[M].