基于DIALux软件与KNX节能控制系统的建筑电气照明设计

夏兵

【摘 要】国家大力提倡建立节约型社会，节能减排被安排到了工作日程上来。据有关数据显示，由于建筑电气照明系统分布不合理，浪费的电能甚至达到了整栋大楼用电量的五分之一。因此，对控制系统的建筑电气照明设计研究，对建筑节能意义重大。本文以某节能项目为例，对DIALux照明设计软件进行了简要的介绍，通过对建筑项目整体照明系统进行全面了解，从而开展项目总线智能控制系统设计，在一定程度上对建筑节能起到了积极作用。

【关键词】控制系统;照明方案;节能设计;控制策略

中图分类号： TU85;TU113.66 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）20-0033-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.20.014

0 引言

两会期间李克强总理首次提出了“互联网+”的经营理念，各大企业为了响应国家号召积极开展“互联网+”的商业模式[1]。与此同时，创新性的提出了“智慧城市”“智慧家居”等與互联网紧密相关的智能化发展行业，甚至更进一步人们将智能化用在了建筑建设中。随着近年来建筑智能化建设的兴起，节能控制系统在建筑电气照明方面得到了迅速发展。建筑照明电气系统作为建筑内部建设的关键一环，其设计质量直接影响着建筑使用者的经济利益。建筑电气照明系统设计不合理会对建筑内的电能产生巨大的浪费，因此，对建筑照明系统进行合理改造，不仅符合国家提倡的节约理念，而且对建筑使用者来说也是有益无害的。

1 项目概况

本项目作为吸引海外科技人才示范项目，是威海市重点扶持项目之一，由政府投资进行建设。该项目在质量及工期等方面有严格要求， 对原有材料、结构、机电管线进行排查并制定最符合最终效果与经济效益的改造设计方案。本项目涉及的区域种类较多，包括了仓库、办公室、普通理化实验室、仪器分析室、洁净室等，每个区域设计要求不同，并且涉及要求众多，各种仪器对电器需求又各不同，涉及的规范较多。

2 照明设计软件DIALux

2.1 DIALux软件

DIALux是当下功能最完备的照明计算软件之一，其最大优势就在于能够配适于各个不同厂家生产的所有类型灯具，并通过其强大的软件功能，使得照明设计及计算要求都能得以实现。DIALux软件具有以下几个优点：（1）该软件操作简单、通俗易懂，能够与AutoCAD互通进行图形编辑和绘制，是适合灯具设计人员使用的专业的现场模拟软件;（2）计算结果高效准确，打破了灯具设计师凭借主观意愿对灯具设计进行评估;（3）软件设置具有模块化，针对相应模块进行操作，更加专业和有针对性[2]。

2.2 建模与照明计算

DIALux软件增加了在室内照明计算中的房间建模功能，通过Room Element中的各项建模元素，结合设计者的设计风格以及实际的设计需求，可以对其中的屋顶、室内台阶及斜坡等形体进行不同高度差调整，使得建模更为符合设计者的理念。另外，在对内部陈设进行建模的过程中，DIALux软件中也设有各类不同风格、款式的家具供设计者自行选择，使得该过程更为便捷。当要对墙面、地面等物体的材质和颜色等进行建模时，不仅可以使用DIALux软件内已有的素材，还可以根据实际情况导入外部的图片以使建模更为贴近设计。DIALux软件能够对建筑物的风格进行自定义，设计者只要根据设计房屋的风格进行相应模型的搭建，最终得到设计者想要的设计模型。

本项目在建模之前，对原有建筑现场进行了勘查，在对建筑物结构有一个全面了解的情况下，通过DIALux软件采用自定义的方法，将屋顶、地面、墙体和材质均设计成项目中材料的风格和具体属性，从而对室内进行了照明计算。在进行照明计算过程中，采用的是国际照明委员会（CIE）推荐的室内照明计算法。计算步骤如下：首先，以建筑内房间、灯具配光数据和灯具布置的实际情况，计算建筑顶棚、墙壁、工作面的光通量;然后，根据计算出来的数据计算照明设施的光通密度，从而得到室内实际照度。详细过程如下：

如图1所示，光源S，作直线垂直于平面ABC并交平面ABC于O，则光通量FWp（直接）为：

FWp（直接）=GM1*FC1+GM2*FC2+GM3*FC3+GM4*FC4（1）

式中GM1、GM2、GM3、GM4称为GM系数，表示的是矩形面边长X、Y和灯具悬挂高度H之比X/H、Y/H的函数，它的数表和计算式是可参考资料给出的。FC1、FC2、FC3、FC4称为累计球带光通量。图2所示为灯具下半球面，按立体角分为四等分，通过各球带射出的光通量自上而下顺次名为F1、F2、F3、F4时，则

FC1=F1

FC2=F1+F2

FC3=F1+F2+F3

FC4=F1+F2+F3+F4=Fd（2）

另外，令垂直角为时，灯具的配光值I（θ）为：

I（θ）=q1+q2cosθ+q3cos2θ+q4cos3θ（3）

视（1）式为工作面上的直射光通量，近似等于（3）式的积分而导出的结果。因此，根据上式，q1、q2、q3、q4分别是FC1、FC2、FC3、FC4的函数。当灯具数量为1台时，计算（1）式的四项，即可得工作面的直射通量。当存在有多台灯具时的工作面直射光通量FWp（直接）等于各灯具直射光通量之和。

3 照明方案与节能设计

3.1 区域照度

对于建筑照明系统而言，由于不同的设计师对光与影以及建筑的理解不同，设计出来的风格也多种多样。为了使项目达到预期效果，需要不断进行沟通和交流，明确项目的主要目的，从而设计方制定出最终的施工方案。根据《建筑照明设计标准》GB50034-2013，《LED室内照明应用技术要求》GB31831-2015以及项目要求确定各区域的照度，选择适合的灯具配光[3]。根据对现场进行考察知，该项目一层是高大仓库，由于仓库高度比较高，倘若灯具安装较低从而使得灯光的覆盖范围较小，区域照度小浪费了灯光资源;倘若灯具安装较高，虽然灯光范围较大，然而亮度不佳。

因此对于区域照度的要求，需要合理布置灯光的高度。基于以上考虑，决定在仓库处对灯具安装高度设置为5米，设计照度为200lx。从节能方面出发，LED光源亮度佳，照明效果好，并且耗能低，决定仓库照明采用LED光源。由于之前仓库没有用过LED光源，对于高大仓库照明一时找不到合适的产品参数，从而给项目前期设计方案的制定造成了巨大的困难。通过对技术难题进行深刻剖析，并与相关技术人员进行及时的沟通与交流，最终决定通过查找资料参考《照明设计手册》（第三版）中的相关案例，选择了RT405HB100W型灯具完成设计。采用该灯具，高大仓库的区域照度分布合理，避免了光源的浪费，照明效果达到了最佳。

3.2 灯具甄选

对于灯具的选择，应根据灯具的使用环境，现场的施工条件，以及与周围的协调性综合进行考虑。由于本项目所涉及的场所种类多，包括了办公室、普通理化实验室、仪器分析室、洁净室等多个区域，并且这些区域的工作环境复杂，需要的灯具也不尽相同。因此，在选择灯具时要因地制宜，分别对待。

对于实验室区域，此处存放着多种试剂，倘若选择灯具不当可能会引发火灾，爆炸等事故，因此在选择实验室的灯具过程中要格外的慎重。针对实验室这种具有爆炸危险的场所，我国相关部门已对这些场所的灯具有相关的选择标准，可以直接根据标准进行选择。因此，对实验室区域根据试剂种类以及《爆炸危险环境电力设装置设计规范》GB50058-2014的要求，采用防爆灯具从电气设计角度把危险排除。对于办公区域以及普通实验区域，根据吊顶样式采用600*600规格嵌入式LED面板灯。这样做的好处是一方面表现的整体布置美观大方，另一方面又方便施工，缩短了工期。

对于洁净区域，需要采用彩钢板吊顶，考虑到采用嵌入式灯具需要对吊顶进行切割，该过程既耗时耗料又可能造成密封不严，从而引起实验室洁净度降低，故此次洁净室灯具采用吸顶式面板灯厚度13mm，避免了对吊顶大的破坏而且美观方便施工。考虑到工作场所要求洁净，不集尘，并且易于擦拭，同时要控制灯光亮度避免工作人员出现眩晕的现象，决定对洁净区域采用面板灯具。此外，洁净室对环境清洁度要求较高，因此决定在洁净室适当添加紫外灭菌灯，紫外灭菌灯能够对空气中细菌达到99%的消毒率，对于紫外灭菌灯的安装根据卫生条件灯具安装不超过2.7米的高度，对灯具功率的选择是参考《照明设计手册》（第三版）进行确定。

3.3 KNX总线智能控制系统应用

3.3.1 EIB控制系统

对于控制系统，采用的是西门子二线制、总线型完全分布式智能控制的EIB控制系统，该系统功能齐全，因此用途也较为广泛，不仅能够应用于日常的照明、遮阳系统等，并且连消防、安保等系统中的联动控制也能实现。EIB控制系统中所有单元器件（除电源外），在其内部都配置了微型处理器和存储单元，通过双绞线的形式来构建整个网络系统。在运行过程中，为实现对每个独立单元的控制，则要对各个单元设置相对应的物理地址以及特定功能，并通过输出单元的方式来实现对不同回路的控制。输入单元之间的联系是靠组地址和输出组建立起来的。具体过程为，在进行输入操作时，输入信号会被输入单元转变为EIB总线信号，利用此原理，实现EIB系统总线上广播，就使得所有输出单元都能够及时地实现信号的接收并据此作出相应判断，从而能够起到控制相应回路输出的作用。

3.3.2 时间表控制

对于大型建筑中，有的地方需要在固定时间进行开灯或关灯，如果开灯太早或关灯时间太晚都将会导致电能的浪费，若使用人力操作控制开关，对工作人员每天都进行操作就会增加他们的劳动强度。为此，决定采用网络对开关进行控制。对于一些固定时间灯具需要开关的场所，通过设置相应的开关时间就能实现场所的灯具的亮灭。对于项目的会议室在此就采用这样的控制，该种控制策略被称之为可预知时间表策略控制。据有关权威部门统计，采用该控制方案，可以节约10%～50的能源。并且该时间表控制策略还可以对节假日、双休日进行时间的设定。为尽可能地节约能源，同时又要兼顾建筑内亮度，则可通过光度传感器来实时掌握室内照度的情况，根据相关标准，当室内照度达到300lx时即能够满足正常的照明需求，因此将临界值设为300lx，并设定当检测到的照度小于此值时，时间表才开始运行，就能够更好地实现节约能源的目的。

3.3.3 红外移动检测

针对每天能够预测的固定时间灯具进行工作，适合可预知时间表控制，但是对于那些经常变化的场所，由于人员流动性强，用灯没有固定的时间，这就不能再使用时间表控制了。针对这样的情况，决定采用红外移动检测策略控制。红外移动检测控制是采用红外移动探测器进行检测，一旦检测到有人进入检测场所，此时发出开灯命令。该检测器通常安装在场所大门的顶上，当有人进入场所时，就能及时检测到。灯具工作一段时间后，由于后台对灯具具有定时功能，达到一定时间间隔后灯具会自动熄灭，避免了灯具长时间工作产生能源浪费。为了避免光源充足时开灯导致电能的浪费，该控制室同样采用了光度传感器，当室内照度小于一定照度值时室内灯具才能自动打开照明。

3.3.4 恒照度控制

光环境的照明一般是依据灯具的最小光亮来进行设计的，通常情况下，最初投入使用的灯具光通量会比最小光通量大20%～50%。光通量是指按照国际规定的标准人眼视觉特性评价的辐射通量的导出量，以符号Φ（或Φr）表示。光通量与辐射通量的关系为：

φ=Km？蘩V（λ）φeλdλ

式中Km为光谱光视效能的最大值，等于683lm/W;V（λ）为国际照明委员会（CIE）规定的标准光谱光视效率函数;Φeλ为辐射通量的光谱密集度。光通量的单位是lm（流明）;λ为光谱光视效率。1lm等于由一个具有1cd（坎德拉）均匀的发光强度的点光源在1sr（球面度）单位立體角内发射的光通量，即1lm=1cd·sr。

所以，在建筑中需要采用对光通量进行维持的控制形式，并且通过减少电能输入的措施，使得灯具在工作时处在最小光通量的环境。但是由于要对光通量进行测量的操作过程难度大，为实现此目的，可以采用亮度传感器的恒照度策略来简化该过程。针对于此，当灯具处于靠近外部光源较为充足的环境时，通过与事先设定的最低光照水平指数进行比较，就可以将灯具的亮度进行一定程度的降低，甚至将灯具关闭。

4 结论

本文以某节能项目为例，阐述了照明设计软件DIALux的建模与照明计算;通过对项目照明系统的全面了解，决定从时间表控制策略、红外移动检测策略和恒照度控制策略对项目照明系统进行节能控制，从而避免了照明系统的电能浪费。

【参考文献】

[1]段继明.关于建筑节能控制系统的研究设计[J].中国高新技术企业，2014（09）：66-67.

[2]刘光辉.某综合楼建筑节能控制系统方案设计[J].建筑设计管理，2011，28（04）：68-70+80.

[3]白音杭盖，鄂继元，赵贵海，谢佳文.智能型大面积建筑区域照明节能控制系统[J].电子制作，2013（06）：66.