高校照明系统绿色节能策略研究

王春玲 陈琛 张晴 殷赈声

1 引言

1.1研究意义

根据教育部2013年的统计资料，全国普通高校已达2790所，教职工近230万人，在校学生超过3000万[1]。同时，据不完全统计，高校年能耗近3 000万tce（吨标准煤），高校学生的年均能耗远高于一般城镇居民能耗。高校作为电耗大户，照明用电量占总用电量的40%-50%以上[2]。

随着节能减排等基本国策的提出和高校绿色节能校园建设的开展，高校校园的照明质量与节能也越来越令人们所重视。照明设备分布广、应用时间长、能耗大，对其节能改造具有良好的经济效益。通过对部分高校的调查情况来看，高校照明用电存在的问题很多，高等院校的节能潜力较大。开展高校照明节能工作，不但可以为学校节省资金，支持为教学、科研等关键支出提供经费。更重要的是可以培养师生的节约意识，使之成为建设“节约型社会”的生力军。另外，进入21世纪以来，国内外都更专注于研究并推行旨在节约电能、减少环境污染、有利人体健康的绿色照明工程计划，我国也早在1990年代即提出了绿色照明计划，但是由于节电技术措施不完善、节能宣传不力、部分节能产品质次价高等因素的影响，高校照明绿色节能的推广和普及仍存在很多问题。因此，从绿色节能技术角度深入研究高校照明课题很有意义。

1. 2 研究方法

通过大量的文献浏览和对泰安三所高校（泰山学院、山东农业大学、泰山高等职业技术学院）的实地调研，了解目前高校照明及節能现状；然后对现存节能技术方案进行比较分析；最后得出结论。

2高校照明用电现状调研与分析

高校照明节能技术主要涉及1、楼内（包括教学楼、图书馆、办公楼、实验室、学生宿舍区），2、校园（包括景观区、道路）等两类公共场所的照明节电技术。

2.1 高校楼内照明用电现状

高校楼内区域照明主要涉及教学楼、图书馆、办公楼和实验室的室内（包括教室、办公室、实验室、阅览室、宿舍，本文主要以教室为主要研究对象）和楼道、卫生间照明。为使师生有舒适的教学和工作环境，无论是教室的面积、设施和照度，校方在力所能及的范围内，都付出了十分的努力。但由于一般高校节能管理模式的粗放化、教室使用的开放化和师生节能意识的淡薄，加之人眼在高亮度条件下对亮度变化的不敏感，导致普遍存在白天室内照度很高的情况下仍然开灯的现状；或者即使室内无人或人数很少仍然全部开启室内照明；长明灯比比皆是，人走不熄灯的现象司空见惯。

楼道和卫生间照明灯的主要问题是长明灯现象严重。白天自然光照大于灯具光照的情况下，人们难以觉察到灯光的存在，这是造成白天长明灯的主要原因。而深夜人流很小甚至无人的情况下，如果最后离开教室的学生或值班人员责任心不强，楼道和卫生间灯具基本上也是全部开启。

缺乏有效的技术控制和管理措施造成了大量不必要的电耗及支出。根据我们调查统计：80%以上的教学楼存在着在白天光照良好的情况下教室、楼道和卫生间灯具开启及午休时间长明灯的现象。以中等教室（共有12盏日光灯，每灯功率40W）为例，每层教学楼约有教室30间，共六层计，则整个教学楼教室照明灯具总负荷约为86.4KW，再加上楼道、卫生间照明和线路损耗，一栋教学楼照明负荷约为150KW。若平均每天按减少不必要照明2小时、电费0.55元/千瓦时计算，1天就可节约电能300千瓦时，折合电费165元。以学生一年在校9个月计，一年即可节约电能8.1万千瓦时，折合电费44.55万元。推及全校及全国高校，数目惊人。可见，高校教学楼内照明节能潜力巨大。

2.2高校校园照明用电现状

高校校园是指高校校园内的交通和景观区域，既是校园中夜间照明的框架和主要对象，又是体现校园庄重典雅人文气息的重要载体。在校园内所进行的教学、科研、交流活动不同于城市市民生活或商业活动，高校校园应该充满宁静、平和、舒畅的气氛，夜晚的照明环境应光亮柔和、清爽悦目，不允许光怪陆离、刺眼变幻。校园照明可分为功能性照明和装饰性照明。功能性照明是指在一定的视觉环境质量下满足行人和车辆夜间通行的畅通和安全需要，装饰性照明则是满足人们对美的欣赏要求，表现夜间校园恬静优雅的学府气质并有效预防夜间犯罪。

我国的高校校园建设近年来蓬勃发展，取得了显著成就。但是，由于校园照明并无直接的国家标准作为指导，导致质量参差不齐。调查发现，校园照明主要存在以下问题：

（1）首先是后半夜路灯超功率运行。由于目前中国电网技术相对落后，导致高校电网波动过大，特别在后半夜用电负荷锐减，使得电网电压甚至接近245V，这时额定功率为250W的路灯实际功率可达560W左右，多耗了近一倍的电量。同时由于超负荷运行，路灯灯泡使用寿命也大大缩减，实际平均使用时间不到一年。

（2）缺乏相关标准指导，照明水平两极分化严重。有些高校不重视道路照明，校园夜间光环境过暗；而有些新修的大学城，过分地强调夜间形象，导致夜间光环境过亮，耗费大量的能源。

（3）缺少人性化的规划，忽视道路照明对阻止校园犯罪的作用。有些高校只在人流车流量大的道路配置路灯，其余的道路则一团漆黑，为犯罪分子提供了可乘之机。

（4）开、关灯时间不合理。一年四季的开关灯时间固定不变或者实行冬夏制，与自然光环境的变化缺乏联系，导致照明系统在自然光环境变化的情况下不能灵敏地开启和关闭。

（5）忽视对学府气质的营造，存在一定程度的光污染和眩光。有的高校校园照明光色过分妖艳，与场所自身属性不符；有的高校采用高压汞灯作为光源，十分刺眼，但路面照明效果和显色性并不好。

为解决以上问题，实施国家节能战略，保障师生拥有科学合理、安全有序、健康舒适的照明环境，高校照明的节能问题不得不提到重要的议事日程上来。

3 高校照明系统的绿色节能策略

3.1 国内外高校照明绿色节能的研究现状

中国第一部《绿色校园评价标准》（标准编号CSUS/GBC 04 - 2013）将绿色校园定义为：在全寿命周期内最大限度地节约资源、保护环境和减少污染，为师生提供健康、适用、高效的教学和生活环境，对学生具有环境教育功能，与自然环境和谐共生的校园。中国《建筑照明设计标准》（GB 50034-2013）定义：绿色照明是节约能源、保护环境，有益于提高人们生产、工作、学习效率和生活质量，保护身心健康的照明。高校照明绿色节能理念的内涵不仅是节能，而且要满足师生对照明健康、适用、低碳等要求。

随着绿色、低碳、可持续发展理念的推广和物联网、通信及传感等技术的进展，国内外高校对绿色照明的关注和研究日益深入。在美欧等国家，各大学制定了完备的校园夜间照明策略。如国际黑天空协会（International Dark-Sky Association（IDA））在其发行的第 23号（Information Sheet #23）文件中对校园照明提出非常细致的规定[3]，哈佛、芝加哥大学等都对校园照明通过专门的调查，制定了照明区域分类量化标准[5]。国内学者对高校照明也在进行着持续而广泛的研究，如刘世英对高校校园道路照明的研究，对高校教室照明或教学楼节能管理平台的设计也有广泛的研究，但研究对象比较分散，缺乏针对校园整体照明策略的设计。所以我们通过对照明和研究现状的综合分析，提出以下高校照明绿色节能设计的策略。

3.2 高校照明绿色节能的基本原则

1、以人為本的设计原则

高校师生是高校照明的使用主体。所以，照明绿色节能设计的第一原则是以人为本，以师生的健康、安全、适度舒适为原则进行照明节能设计。

在照明节能设计中，要考虑到人的视觉特性。如，人在光强较低（昏暗的清晨、阴天或傍晚）时对亮灯是敏感的，但在光强较高时（开灯后、晴天等）对亮度的变化则不敏感。因此在教室或办公室内开灯后往往会忘记关灯从而造成浪费。为此，可以通过照明节能系统中智能检测与开关的设计实现自动操作，保证在满足师生舒适性照明需要前提下的节能，这正是绿色节能的内涵。再如，在校园道路设计中，不同区域节能设计要采用不同的策略，校园主干道路作为交通干道应提供较高亮度，偏僻小道行人照明需要则可设计成声控或红外控制，实现有人才亮灯。

2、整体规划的原则

要从校园的整体规划出发，将照明节能纳入统一的校园节能（节电、节水、供暖、空调）管控一体化平台建设中，做出校园照明专项规划，结合相关国家标准、主观评价和当地特色，均衡功能性和装饰性，通盘考虑绿色、节能和可持续的原则实施校园照明节能设计，并结合信息化校园建设，充分发挥校园网作用，实现网络化节能管控。

3、充分利用自然光的原则

研究发现，自然光相对人工光源更有利于保护视力和提高学习工作效率[4]。因此，高校室内外照明节能设计均应采用自然光+人工光源的混合照明方式，并在技术方案设计中充分利用自然光。如路灯控制在不同季节开关灯时间应考虑到自然光随季节的变化，楼内照明则区分室内和室外，有所区别（见下文）。

4、选用先进、可持续的照明节能技术成果

作为一门综合技术，照明绿色节能随着照明材料、物联网、传感器、计算机、新能源等技术的迅猛发展而呈现出日新月异的技术态势。但是作为高校照明节能，一方面作为技术研发应用的前沿，要勇于尝试、研发、应用新技术，另一方面考虑技术的可持续性和性价比，在整体系统设计上，则应遵循适度先进、相对成熟的原则。

3.3 高校照明绿色节能技术的应用

从上述原则出发，比较成熟的先进绿色照明技术主要有以下几方面：

3.3.1选用高效照明灯具及节电产品

白光LED（Lighting Emitting Diode）照明灯不仅具有体积小、重量轻、低耗电量（相同照明效果比传统光源节能近 80%）、使用寿命长（可达 6 万 ～10 万h，比传统光源寿命长 10 倍以上）、高亮度、低热量（冷发光技术）的优点，而且作为一个完全的电子产品，LED灯易于与各种类型传感器关联，实现光控、红外控制等智能、简化、经济的照明。据调研，目前高校教室普遍采用T5-28W 三基色荧光节能灯。即使选用综合性能较差的 LED 灯替换，每年的使用成本即可节约 40%（实际会更高）[6]。因此，在高校楼内教室、楼道、卫生间及校园路灯、景观灯等照明灯具均可选择LED灯具，配合智能网络化管控系统，更易于实现绿色节能照明。

综合寿命、光效、经济性、显色性等指标，目前照明路灯高压钠灯应属首选。纯步行的校园道路、景观设施照明、绿化照明以及其它的装饰性照明，则可以采用性能好、寿命长的紧凑型荧光灯或节能灯。

对于现有荧光灯灯具，应予以节能改造，推广使用电子镇流器替代传统电感镇流器，安装反射罩等以减小功耗，改善采光效果。

3.3.2采用先进的绿色照明智能节电控制系统

智能化控制是未来照明节能控制发展的趋势。作为科技研发前沿的高校应致力于先进智能化照明控制技术的研发和应用试点与推广，为建设节约型社会提供表率。目前比较成熟的智能照明控制技术主要有：

1、楼内智能照明控制技术

在楼内照明控制中，主要釆用远红外智能控制开关、光控或分区分组照明控制。

远红外智能控制开关的技术支撑为以人体温度为检测目标的热释型红外传感技术。只有当人进入其探测区域时，红外传感器将人体与空间温度的差值信号传递给控制系统，实现对照明开关电路的驱动。在控制电路中一般同时加入自然光照度检测电路，遵循自然光优先原则，在室内照度达标情况下，即使室内有人或强行开灯都不予支持，杜绝了白天室内照度达标而开灯上课的严重浪费。

卫生间和楼道则应用新型声控开关和LED灯具，有人走过才开灯，并采用延迟闭灯技术，充分满足行走照明需要，同时又能够。以上红外、声控、光控、分区检测等智能化的自动控制系统既减少了照明用电，又延长了照明产品寿命。

教室内照明并不总是需要均匀一致的照度，如多媒体教室上课时不同区域（黑板区、屏幕区、观众区）会有不同照度要求（见图1），自习室里常常只有少量学生分散就坐。为实现绿色节能舒适照明、开灯节电的目标，教室照明控制应该实现分区、分组照明控制。对有高照度特殊要求的局部区域采用局部照明并设置独立开关单独控制，以保证当人离开时能够自动关闭，以减少不必要的电能浪费。

2.高校校园照明节能控制技术

高校校园照明系统包括主干街道照明、步行道照明、广场运动场照明、建筑物重点照明、景观重点照明等，具有照明面积巨大而分散、场景多样的特点，应根据不同使用场合和使用特点，平衡功能性和装饰性需求和节能与可持续原则，进行整体规划和分类设计。

（1）路灯照明系统可以选用太阳能路灯，利用白天的太阳能发电为夜晚路灯供电；景观照明系统主要采用LED灯具，减少高耗能射灯。

（2）实行半夜灯。高校校园下半夜基本没有行人，多数道路上可以实行半夜灯。实施方案首选采用双光源灯具（或在同一杆上重叠安装两台灯具），下半夜关闭同一灯具的一支灯泡（或另一灯具），优点是路面（或照度）均匀度保持不变；也可以采用双功率镇流器，即能自动降低灯泡功率的节能型电感镇流器或电子镇流器，以便下半夜自动降低灯泡功率（最多约可降低 40%灯功率）；关闭所有装饰性照明；不建议采用关掉一半灯具（如间隔关灯）因为照度均匀性差导致安全性大大降低。

（3）采用智能节能控制器，根据光强检测配合定时方式确定开、关灯时间；根据电流检测调整灯具功率；根据场合需要灵活选择控制方式，如主干道统一控制，偏远少人处则采用声控延时开关，景观灯则采用预设功能控制等。

3.高校照明节能管控平台建设

绿色校园建设是一项涉及照明、动力、空调、暖气、用水等功能的系统工程，随着校园信息化建设、绿色节能标准的制定和通信及物联网技术的发展，校园节能监管与控制一体化平台的建设已成为国内外高校节能管理的主流趋势。节能管控平台一般以校园网为基础，综合能耗监测、教室照明控制、空调用电控制、校园路灯管理、供暖监控、节水控制等于一体，对校园能耗管理和控制构建智能网络化体系，最大限度提高资源利用率，节能降耗。照明节能作为其子系统存在，通过无线网络（如ZigBee）、智能控制（如专家控制、模糊自适应PID）、数据库等技术的综合应用达到了更灵活、高效的绿色节能效果。如图2是某高校基于ZigBee技术的教学楼照明控制系统[7]。

4 结语

照明绿色节能是國家绿色可持续发展路径下高校建设的必然选择。本文通过对高内外高校照明与节能现状的调研分析，提出了高校照明节能的基本原则，并给出了绿色照明节能的主要技术策略，为高校照明节能研究提供参考。

参考文献：

[1]干靓.美国绿色学校评估体系及其实践研究[C].2011年第七届国际绿色建筑与建筑节能大会论文集.北京：2011.3

[2].谭红卫.高校节约型校园向绿色校园纵深发展的探索和思考[C].第九届国际绿色建筑与建筑节能大会论文集.北京：2013.4

[3]] http：//www.darksky.org/：国际黑天空协会（International Dark-Sky Association（IDA））第 23 号（Information Sheet #23）文件.

[4] Rea MS，Bullough JD. A new framework for lighting practice[J]. Lighting Research and technology. 2001. Vol. 19（2）：90-105

[5]刘世英：高等学校校园道路照明研究[D].重庆大学硕士学位论文，2005.4.

[6]周霜，杨蕾，廖永丹，浦鸿宇.高等学校照明节能改造——以四川某大学校区为例[J]. 建筑节能2014.12（总第 42 卷 第 286 期.88-90）.

[7]王春玲，陈华标，王美红. 基于ZigBee的高校教学楼照明管控系统设计[J].电子技术2016.12.