基于节能降耗的医院建筑电气照明系统设计

罗鸿宇

（四川大学华西医院，四川成都 610041）

随着新时代的发展，我国照明技术从最传统的蜡烛到电气照明，经历了一段漫长的演变过程。目前医院建筑电气照明系统属于一体化设计，对于24 h不间断使用照明的建筑，能源消耗量巨大，且因为医院的特殊性，要保证医院建筑内24 h 实时不间断照明，但是医院建筑内有些空间不存在医患人员时，不需要持续照明，传统的照明系统是整个系统同时照明，造成了大量不必要的能源损耗，能源的过量消耗对于环境以及人体都有很大的损伤[1-2]。

综上所述，文中在降低照明系统能耗的基础上，按照生态可持续发展理念，设计一款自动化节能的医院建筑电气照明系统，系统可以根据医院建筑内人员的流动情况，降低能源的损耗。

1 系统硬件设计

基于节能降耗的医院建筑电气照明系统硬件结构如图1 所示。

图1 系统硬件结构

1.1 光感器设计

医院建筑电气照明系统硬件区域的光感器是节能降耗领域重要的器件之一，此器件的工作任务主要是检测医院建筑内移动的人员，然后根据变化的时间点进行合理强度的照明[3-4]。检测器安装在每栋建筑内的每个楼层顶上，光感器会设定一定的照明时间，一旦照明时间达到，光感器提前2 s 进行重新识别，如果还存在人员则持续照明，如果不存在立即熄灭，节省建筑的照明能源消耗。光感器的临界光亮度为80 cd/m2，光感器的有效时间设定为300 s。光感器如图2 所示。

图2 光感器示意图

该硬件系统设计的光感器采用UYHWJK-09 光感器，此光感器的测感有效距离为150 m，通道数量为5 个，其中两个作为替补通道[5-6]。光感器的通信接口分别为LAN、RS485、RS222，为了使光感器的信息与系统的其他器件进行连接，该文器件选择的通信协议为TCP/IP协议。电源采用AC220 V/DC 24 V，光感器的每周期消耗为40 W，尺寸为580 mm×470 mm×130 mm。

1.2 控制器设计

对于医院建筑电气照明系统来说，精确地识别并执行光感器和脉冲器发送的照明命令也是十分重要的，因此在系统的硬件区域设计一个控制器，完成系统照明的约束。为了达到预期效果，文中选择EIB 控制系统，控制器主要由总线、控制阀、各种零件以及双绞线组成。总线采用二进制材料，该材料具备较高的灵敏度，对于任何强度的信号都可以识别并控制。此控制器的输出模式采用继电器和NPN晶体管的模式，供电电源为24 V，控制精度可以达到1.0 等级，为了降低各个器件之间工作的磨损，控制器的外壳采用不锈钢材质，工作功率为2 W，控制频率为800 次/s，输出的有效功率为25 W[7-8]，控制器电路图如图3 所示。

图3 控制器电路图

1.3 电动机设计

电动机是医院建筑电气照明系统动力驱动的重要器件，同时也是建筑照明系统能源消耗量最多的器件[9-11]。在保证电动机功能的基础上，并降低电动机的能源消耗，该文选择HDI-027 电动机，此电动机的优势在于输出转速，最高为450 r/s。

1.4 脉冲器设计

医院建筑电气照明系统硬件区域的脉冲器工作任务是将系统采集到的数据按照系统的规则进行脉冲输出，保证系统的稳定运行。脉冲器结构如图4所示。

图4 脉冲器结构图

该设计选用的脉冲器为YU-09XI系统的脉冲器，此器件的加热方式为脉冲式加热，热压精度为Pitch 0.14 mn。此脉冲器的脉宽为300 ps，延迟分辨率为10 ps，工作电阻为50 Ω，可以保证系统的稳定照明[12-14]。

2 系统软件设计

常见的医院建筑电气照明系统节能降耗措施是对光照度进行控制、合理选择变压器的位置以及加强对可再生资源的利用。光照控制主要是控制电气照明的光通量大小，光通量是一种评价正常人视觉亮度的辐射通量，单位为LM。

FTIR-7600傅里叶红外光谱仪，大连依利特分析仪器有限公司；DJ型电动搅拌器，金坛市顺华仪器有限公司；DZF-6020真空干燥箱、HH-S恒温水浴装置，巩义市予华仪器有限责任公司；80 mm布氏漏斗，天津市天玻玻璃仪器有限公司。

通过硬件各区域协作控制建筑电气照明光通量，同时计算该光通量，达到规定数值后，就可以调用控制器，然后关闭照明开关，在需要时再开启照明开关，降低医院建筑电力照明系统的能源消耗[15-16]。

电力照明系统的发电动力来自发电站，为了降低系统的能源损耗，通过缩短变压器与各个建筑照明系统的运输距离，采用距离的中间点作为变压器的位置，降低系统的能源消耗。可再生能源是目前节能降耗领域重点研究的项目，该文将可再生资源进行一定的转化，降低照明系统的能源消耗。

医院建筑电气照明系统在照明过程中不仅仅需要确定照明的时间段，还需要确定建筑照明的空间范围大小，因此需进一步分析建筑的照明能源消耗量计算。

建筑空间受到门、窗、台阶、摆设等不同形体的影响，导致相同格局的空间需要照明量不同，所以不能根据一种照明程度完成所有建筑的照明，只有计算每个建筑需要照明的强度，然后相应进行光照照明，才既可以达到最佳照明效果，又可以达到节能降耗的目的。计算建筑空间需要照明的强度大小，首先将建筑虚化为一个三维坐标系，将建筑内涉及的墙体、陈设材质、风格等具体属性按照一定规则进行转换，统一计算数据的形式，保证照明强度计算的合理性和科学性，具体计算如式（1）所示：

其中，fwp表示光通量；G1、G2和G3分别表示建筑内各个角落与照明工具光源的距离；F表示建筑空间内高度与灯具高度的比值；s表示建筑所占面积。

任何照明工具照明的光束都是以发散的方式呈现的，所以该文计算建筑空间的最低照明光照强度，将空间作为一个半球体，当照明工具发散出的光与折射的光为直角时，空间的照明效率最高，照明强度最大，具体约束公式如式（2）所示：

其中，θ表示照明工具发散出的光与折射的光所呈现的角度；q1、q2、q3和q4分别表示建筑空间内各个角落的位置点。

根据以上医院建筑电气照明系统硬件区域器件的性能和软件区域的功能分析、建筑照明相关消耗量的计算，总结出基于节能降耗的医院建筑电气照明系统的工作流程，如图5所示。

3 实验分析

通过以上的论述，完成基于节能降耗的医院建筑电气照明系统的设计，为了检验此系统的功能性是否具有实用意义，文中进行对比实验加以验证。

采用传统的基于BIM 建模的医院建筑电气照明系统和基于KNA 节能控制的医院建筑电气照明系统完成对比实验，保证实验的公平性，避免实验结果的偶然性。对比实验的样本采用四川省某军区医院的住院部进行系统测试，为了保证此军区医院住院部的照明功能正常运转，在实验过程中，后台会持续接入正常的照明系统，一旦实验系统出现差错，立即停止实验，接入正常的建筑照明系统，降低影响。

采集医院住院部房间内影响照度的相关参数，将采集到的参数作为实验样本，具体实验样本值如表1 所示。

表1 影响照度的相关参数样本值

因为无法保证每次测试阶段内照明使用的强度相同，因此每个系统在照明时，楼宇后台依次接入一个有效的电气监测器，此监测器监测测试阶段内系统无效的照明数据，可作为对比实验的对照数据。每次系统测试的照明时间为24 h，并且系统的测试顺序为抽签选取，当3 种系统全部完成医院建筑电气照明系统测试后，统一计算对比系统的能源损耗情况，得出对比实验的结论。能源损耗实验结果如图6所示。

图6 能源损耗实验结果

根据以上的实验，得出24 h 内3 种系统无效照明累计时间最长的是基于BIM 建模的医院建筑电气照明系统，最短的是基于节能降耗的医院建筑电气照明系统。3 种系统在规定时间内能源消耗量最小的是基于KNA 节能控制的医院建筑电气照明系统，能源消耗量最多的是基于BIM 建模的医院建筑电气照明系统。3 种照明系统出现错误照明的次数最多的是基于KNA 节能控制的医院建筑电气照明系统，最少的是基于节能降耗的医院建筑电气照明系统。根据这3组对比实验的结论，权衡每个实验结论的影响力，可以得出基于BIM 建模的医院建筑电气照明系统不是最佳的医院建筑电气照明系统。目前，我国对于医院建筑照明系统的照明误差率比消耗的能源量要求更为严格，所以权衡以上两个因素的相关结论，基于节能降耗的医院建筑电气照明系统是最佳的医院建筑电气照明系统。

得到这一结果关键在于该文设计的医院建筑电气照明系统硬件区域的光感器和控制器对于医院建筑内的照明响应灵敏度最高，在降低照明消耗量的基础上，实现有效间断的建筑电气照明。

4 结束语

根据医院建筑需要照明的特点，在建筑电气照明系统的硬件区域设计了光感器、控制器、电动机以及脉冲器，构成一个完整的电气照明光感识别架构。然后列举目前最有效的节能降耗措施，参照建筑照明的相关计算公式完善医院建筑电气照明系统软件区域的设计，最终通过对比实验分析表明，文中设计的系统具有降耗功能，可以持续投入应用。