自动调节LED亮度在建筑照明节能应用探析

许国顺， 冯天麒， 邓国浩， 王易琳

(武汉科技大学城市建设学院， 湖北武汉 430065)

自动调节LED亮度在建筑照明节能应用探析

许国顺， 冯天麒， 邓国浩， 王易琳

(武汉科技大学城市建设学院， 湖北武汉 430065)

夜晚以及特殊天气的照明需要，决定了照明系统作为教育硬件的一个重要部分。在大部分学校教室中，教室的照明系统依然采用最普遍的荧光灯管进行光线的补充，而由于初期建设规划不够严谨以及成本等条件的制约，在照明方面，存在着相当大的能源浪费现象。文章就此现象进行实地调查与测量，从而提出自动调节LED亮度方法在教室照明，乃至建筑照明方面的应用。

建筑照明； 自动调节亮度技术； LED； 节能； 教室

随着经济与科技的发展，教育的硬件水平也不断提高，例如教室内的多媒体设备，包括计算机、投影仪、扬声器等，都为教学提供了非常大的帮助；教室的照明设备，也能让教学在夜晚以及恶劣天气得以正常进行。但是由于现在的许多设备还不够完善，以及大家的节约意识还不高，更没有养成节约能源的习惯，所以在日常对设备的使用过程中，造成了能源浪费情况的发生。本文就教室的照明系统入手，进行实地调查与测量，经过对测得的大量数据进行统计与处理，并仔细查找与阅读多方面文献，发现在日常的教学过程中，在照明这方面的确存在着能源浪费的情况。例如，在晴朗的天气，教室可完全凭借自然光或者仅需要少量的光线补充，便完全可以提供教学所需要的室内光线量；或者在没有课程安排的空闲教室，也会存在着照明系统全开却室内无人的情况。由此，本文将讨论有关LED灯通过自动调节亮度的方式在节能方面的应用，在保证满足教学需求的基础上，加以延展，经过论证，阐述一种在建筑照明上节约能源的方法。

1 教室照明用电量现状

学校照明用电在学校用电量比例由表1可知，2013年占比52.28 %，并且呈现稳步增长的态势，而教室照明用电量占据了学校照明用电量的大部分[1]。

表1 2010-2013年全国学校用电量及照明用电量

所以教室的室内照明节能意义十分重大，对于节能环保以及现代建筑智能化具有重要意义。而大学教室的照明需求量十分巨大，照明质量需求也直接影响到学生的视觉心理、生理反应、学习效率，而照度是最直接而且与能耗最相关的项目，照度过低、过高均对学习会产生不良影响[2]。过高的照度，还附带会产生更高的能耗。由于早期建设成本的控制以及技术的制约，大学教室的照明往往是很多个灯并联在一个控制器上，这就导致了照明亮度不能够保证根据实际情况进行细微调节需求，加上很多师生不注意节约能源，出现了很多人在灯亮、人少灯全亮、白天亮灯等浪费情况。在其他建筑照明方面，往往也由于人们不注意节约加上成本控制的原因，照明设备也不能满足节能环保的要求。LED 作为第四代照明光源发展至今，已取得了一定的技术研究成果, 目前广泛应用在道路照明、商业照明、办公照明等各个领域。 从其实际使用情况来看, 确实取得了很好的照明效果和节能效果。 而在教室照明领域, 尽管部分厂家使用LED灯管来替换荧光灯管, 在节能方面取得一定的成功, 但仍无法改变目前教室照明的整体困境[3]。总之，在学校教室照明用电的情况中，存在着很多浪费的情况，我们可以在这个方面进行优化。

2 实地测量及理论模型

2.1 LED灯对比优势

由于荧光灯管的阻抗随工作电流的增加而减小，因此对其亮度进行调节也十分困难，尤其是大亮度调节比的场合[4]。荧光灯管的性质决定了调节亮度的难度与成本不符合节能环保的要求，新型的LED照明系统具备了容易进行亮度调节的特点。所以，结合自动调节亮度功能的LED照明系统，它具有实时调节亮度以维持高质量照度需求、节约能耗等特点。

2.2 实地测量，对比国标，理论分析

根据GB 50034-2013《建筑照明设计标准》(下文简称《标准》)规定，教室课桌面积平均照度应该不小于300 lx，才能满足正常的照度需求。根据此标准，选取有代表性的教室进行细致测量，通过多时段、多地点的测量方式测得部分教室在无照明光源和现有照明光源条件下的照度情况(表2)。

由此可知，我们看到教室的日光照度是从晚上的最低值到中午到达峰值，然后又随着时间慢慢降低，降到最低值，这也符合室内日光照度一般规律。所以在早上和晚上的时间往往需要打开照明系统来补充亮度，达到教学使用的目的。由表可知，在早上八点时，大部分的教室仅仅依靠太阳光，达不到国家规定的不小于300 lx照度的要求。而在打开照明系统之后，发现大部分的教室满足了《标准》的照度需求，也有部分教室也超出这一标准很大部分，而超出的这一部分，我们完全可以节省下来，达到节约能源的目的。随着时间的推移，在室内采光足够好的条件下，日光照度已经满足了《标准》的照度要求，所以这时候大部分的教室已经不需要打开照明系统就足以满足正常的教学要求，而此时再打开照明系统就是不必要的浪费。基于此，我们可以得出一个结论：在天气晴朗、室内采光良好的条件下，以《标准》对室内照度的要求为标准，一天中，在日光照度慢慢升高的过程中，打开照明系统进行照度补充，会使得室内照度高于《标准》，并随着时间的增加而增加；当日光照度升高到超出《标准》规定的照度时，已经不需要照明系统进行补充就可以满足人们的日常使用了；而随着日落日光照逐渐下降，下降到低于《标准》规定的照度时就需要打开照明系统进行补充，并会以超过《标准》规定的照度慢慢下降至最低值。这个过程中，我们可以通过调节照明系统的亮度来使得室内照度满足规定要求的情况下，降低能源的使用。

表2 部分教室照度测量情况 天气晴lx

而LED光源的特性，它产生的光照的强度和它所需要的能量是正相关的，也就是说在降低了它的亮度之后可以节约能源。

3.3 建立能耗模型

我们建立一个模型，假设按教室照明用电占学校照明用电量50 %计算，每间教室在不使用任何节能照明产品的前提下，每天从7∶00～21∶00亮灯，共计14 h，日光照度从7∶00的0 lx到峰值300 lx再到21∶00的0 lx，功率为P1，所以一天的总能耗W1=14P1，而应用了带有自动调节亮度功能的LED照明系统之后，假设最高功率仍为P1(实际上同等照度的LED光源远比荧光灯功率低)，实际功率P2就是一个一次函数：

取学校照明总耗电量2010～2013平均值159.565亿kW·h，应用该系统后每一年可以节约159.565×50 %×1/2=39.9(亿kW·h)，按每度电0.6元计算，一共可以节约近24亿元人民币。而对比这种模型，实际情况中，由于旧设备的老化问题、教室实际使用时间往往比假设的少、教室照明占学校照明用电量往往大于50 %、LED光源本身就具备了节能特性等条件下，节约的能源会比模型中高很多，所以不管是从经济上还是节约能源上面都有很大的应用价值。

3 一种灯光智能控制系统

本设计以低功耗单片机MSP430为主控部件采用热释电感应器检测人体的存在,运用光敏三极管检测背景光的强度,通过恒定电流源来控制LED灯光的强度, 依据教室开关灯的时间，在规定的时间内对人体和背景光进行检测,对LED进行亮度调节，实现教室灯光的智能化控制，减少教室电量消耗。控制系统硬件组成以MSP430为微控制器辅以外围电路如热释电红外传感器模块、DS1302时钟电路、AD/DA数据采集处理系统模块、背景光检测模块和 LED 驱动模块。其系统硬件框图如图1所示[5]。

图1 系统硬件框图

4 结论

由以上分析，我们得出LED灯通过自动调节亮度在教室照明中应用会产生很高的节能、经济效益，根据保守理论预测，至少会节约39.9亿kW·h的电量，节约巨大的社会资源。由于LED产业属于新兴产业，以教室的光源更换势必带来整个行业的进步，届时会随着技术的提高，产品能耗会越来越低，越来越智能，产生一个良性循环，这不管对于师生还是社会发展都有帮助。同时由于它无需人为控制即可做到自启自停自动调节，降低了使用成本，减少了不必要的麻烦，体现了科技的以人为本。

5 讨论与建议

由于我国前些年的经济条件制约，教学设施建设初期确实存在很多问题，随着我国经济的发展，以往一些环境不够友好的设备终将会淘汰，科学技术水平也得到极大地提高。智能已经成为了每一件事物前进的目标，智能化让我们的生活质量得以改善。技术发展的最终目的就是服务于人类的生活，科技还是要回归到人类本身，所以我们将看到越来越多的高端技术下放并应用在日常的生活当中，这样我们的生活质量得到很好的提高，同时，也能够做到对环境的友好。而LED灯的智能调节亮度正是基于这个目的，减少人类的负担，减少操作量，降低能耗，做到环境友好。而LED灯对比荧光灯除了更加的节能，还在色温、频闪等方面有着巨大的优势，对于提升教学质量有很高的帮助。

由于实验条件的制约加上教室光源的复杂性，我们尽可 能的简化了其他方面的影响，单从节能方面进行测量，但实际情况中，除了教室照明这一方面，还是有很多其他方面的问题值得我们去探讨。我们不能仅仅局限于经济、能源方面的问题，往往需要我们从其他的角度去考虑。比如在教室照明的亮度方面，到底哪个范围的亮度是最为合适的，国家标准可能也有提升的空间，国际上各个国家对于这一项标准存在着极大的争议[5]。而光照强度，不仅仅影响到学生们是否看得清黑板上的字、能否更高效率的学习、对于健康是否有影响，它甚至可能对师生们的心理产生影响[3]。

对于带有自动亮度调节功能的LED光源在教室的应用方面，有下面两点建议：

(1)学校应该充分了解到LED光源对比现有的荧光灯光源的各方面的性能、能耗方面的优势，经过论证来决定在长期的使用当中，对于经济、节能、师生是否有益。

(2)建筑行业也应当开发出具有优势的产品，并将之拓展在除了教室之外的其他室内建筑照明甚至室外公用建筑的照明上，将节能的优势进一步扩大。

[1] 郑炳松，高飞，郭兴翠.我国照明用电量的调查分析[J].中国照明电器, 2016(10)：18-22.

[2] 黄海静.大学教室照明中的光生物效应研究[D]. 重庆大学，2010.

[3] 钟雄，侯洪才，乔庆飞. LED智能照明在中小学教室中的应用[J]. 照明工程学报， 2016，27(3)：51-55.

[4] 王元庆. 脉宽调制亮度调节方式下冷阴极荧光灯性能的实验研究[J]. 发光学报， 2004，25(4)：455-459.

[5] 李渊，李宝营，穆艳. LED可调光自动控制系统设计[J] . 液晶与显示， 2011，26(1)：96-99.

[定稿日期]2017-07-24

许国顺(1998～)，男，本科在读，土木工程专业。

TU113.6

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