校园智能照明控制系统的研究

2022-07-18蒋逸明王一凡

建筑施工 2022年4期

蒋逸明王一凡龙腾陈杰

中国建筑第二工程局有限公司西南分公司重庆 400020

目前，我国绝大多数已建成的中小学校均采用传统的照明控制方式，包括翘板开关控制、声控开关控制和光控开关控制。这种控制方式接线简单、施工方便、投入较少，但是存在电能消耗高、布线复杂、管理机械、操作不便、不节能等问题，比如综合楼、教学楼区域，照明设施地理位置分散、数量众多，采用传统照明无法实现人走灯灭的要求，需采用智能控制方式。针对校园建筑的传统照明控制系统存在的诸多不足之处，对学校体育馆、礼堂、教学楼、图书馆、办公楼等不同建筑单体采用与之匹配的智能照明控制方案，明确智能照明系统在校园各个建筑单体中的具体作用。一是协助学校降低电能的损耗，提高能效等级；二是方便管理和易于操作的智能照明控制系统，更适应新时代校园智能化和节能化的新要求。

智能化技术已深入生产生活的各个领域，智能照明的应用范围也越来越广泛。智能照明控制系统已经被各种类型的建筑所采用。新建中小学校均引入了智能照明控制系统，并取得了很好的效果[1-4]。首先，与传统照明系统相比较，智能照明控制系统的综合成本低，操作简单，管理便利；其次，智能照明系统所具备的功能丰富多样，可以随意调控灯具的亮度和点亮时间；最后，设置智能照明控制系统有效地减少了电能的消耗。

1 工程概况

某中学总建筑面积约8.3万 m2，整个校区包含体育馆、操场、礼堂、教学楼、实验楼、综合楼、行政楼、食堂、男女生宿舍、地下车库、门卫等单体。本项目智能照明系统的管控目标是运用先进的智能照明控制技术，采用高效节能的灯具、控制元件，统一规划管理校园照明系统，降低照明系统的能源损耗，降低校园的运维成本。

2 智能照明控制系统关键技术

本项目中学照明系统智能控制方式装设了一套智能照明控制系统，由上位监控机、通信网络、智能照明配电终端、智能照明控制终端等构成，组成了一个分层分布的控制网络。工程智能照明控制系统选用法国施耐德公司C-Bus系统，主要功能有：场景控制功能，礼堂、汇报厅可运用此功能；恒照度控制功能，办公室和教学楼中靠近窗户的灯具可根据天然光的情况自动开关；定时控制功能，可用于校园内道路照明和建筑夜景泛光照明；就地手动控制功能；群组组合控制；应急处理功能；远方控制功能等。

系统实施控制的就地设备主要是智能照明配电终端、智能照明控制终端（图1）。

图1 智能照明控制系统

2.1 智能照明配电终端

智能照明配电终端即将普通的照明配电箱改为采用动力及控制保护一体化智能开关的照明配电箱，一体化开关集成配电操作开关、电气保护及通信功能，除了可就地操作外，还可接收通信网络传送的操作命令，从而实现各个照明电气回路的就地控制及远程监控，实现灯具的分区域开关。控制权限按照就地手动控制→远程自动控制→远程手动控制的优先级顺序实施。通信协议采用与配电系统协议一致的Mod Bus协议，与建筑供配电系统的网络连接方便，可以在上位监控机预设不同的工作模式。

2.2 智能照明控制终端

在照明配电箱与灯具之间安装智能照明控制终端，由调光模块、控制面板、输出继电器、照度动态检测器及移动传感器等单元构成。根据需要采用输出继电器和调光模块，输出继电器与智能照明配电箱实现供电回路的通断，调光模块可实现供电回路的功率控制（调光）或通断。当需要调光功能时，需要采用具有调光功能的灯具，两者均有逻辑编程功能，可直接实现场景模式的设定。

调光模块预设场景工作模式，根据各种传感器监测输入对不同回路光源输出进行调节。调光模块利用电子感应和电磁调压技术对高效荧光灯及LED灯进行调节，自由地调节照度大小，平滑地调节电路电压和电流的幅值，进而调整了光源的输出，也可以在维持电压的基础上进行调压，通过限制过电压及减少冷态冲击电流提高灯具寿命，减小了照明回路中三相不平衡负荷所带来的额外损耗，提高了照明系统的功率因数，降低了灯具和照明供电回路的温度。

智能照明终端支持智能建筑的C-Bus总线协议，与楼宇自动化系统高效融合，与建筑的安保、消防等连接成一个网络。控制终端也支持红外无线遥控。智能照明控制终端可实现预设场景工作模式的控制，实现照明效果随人员移动控制，随不同区域照度要求、自然采光情况控制，随夜间工作、白天休息等不同时段场景模式控制。

2.3 学校智能照明控制系统构成

学校不同区域的建筑物具有不同的运行巡视要求及工作环境，智能照明配电终端与智能照明控制终端均可应用于学校智能照明控制系统中。车库、门卫、管理用房等场所，运行巡视安排相对固定且不属于人员密集场所，环境较为恶劣，调光方式意义不大且需增加投资，因此采用智能照明配电箱终端的输出继电器构成智能照明控制功能。在设计过程中，根据区域功能合理划分照明箱配电回路覆盖范围。从简化系统层级的角度考虑，采用智能照明配电终端，从与楼宇自动化系统融合角度考虑，采用智能照明控制终端。

对于综合楼、实验楼、教学楼等环境较好、人员流动性大的建筑单体，采用智能照明配电箱或智能照明终端的输出继电器构成智能照明控制。在学校内对照明控制水平要求较高的场所，采用了智能照明终端调光模块，根据预设场景、移动传感器及照度检测器输入等动态调节照明效果，实现丰富的工作场景模式控制。

2.4 学校智能照明控制系统可实现的功能

学校监控室设置统一的照明监控上位机对全校照明进行控制管理。监控系统具有远程监控、分组管理、用电管理、负荷分析、设备地理信息管理等功能。系统与安防系统、消防系统、楼宇智能化系统等联网，能实现如下实时监控功能：自动巡测功能；数据采集功能；可视化监测功能；控制中心可任意开关一组路灯或自定义群组路灯；按现场已制定好的时间计划自动调节路灯开关，制定照明系统的控制策略；控制中心及时准确地获取故障灯具的位置信息。实现的设备管理功能有：资料维护、日常维护、故障查询。智能照明控制系统还可以进行亮灯率计算、用电管理、负荷分析，并生成分析曲线和报表。

3 学校各单体建筑智能照明控制系统

针对不同建筑单体对智能照明的需求，下文按学校建筑单体的分类，逐一介绍智能照明控制系统的具体设计方案及实施策略。

3.1 以开关控制为主的教学楼照明控制系统

学校教学楼的用电量占学校总用电量的比重较大，这是因为学生和老师活动的主要场所为教学楼，灯具数量安装较多，教室的照度较一般房间高出很多。因此，教学楼的照明控制系统在校园智能照明控制总系统中占据相当重要的地位。

教学楼照明一般采用翘板开关控制方式。学生在教室内活动的时间相对固定，因此教学楼的灯具更适合统一管理。在教学楼内设置智能照明控制系统后，根据教学时间段、人流量进行系统详细参数的设定，在固定的时间通过开关控制教室灯具的启闭。在教室临窗的一排座位上方可以设置光线传感器，通过感知户外的自然光线，经光线传感器系统分析处理，形成电信号，通过执行机构分区控制灯具的启闭，调节照明系统的亮度，实现自动控制的功能。教学楼一般均设置多媒体教室，通过多媒体技术的展示，增加学生的学习兴趣，多媒体教室内的智能照明控制要求更加复杂，要求多媒体教室内的灯具可以和电动窗帘、投影仪、幕布等设备进行有效联动，自由切换各种场景模式，达到多媒体教学要求。

3.2 以时钟控制为主的图书馆照明控制系统

图书馆是学校建筑的重要组成部分，主要包括阅览区、藏书区、自习室、计算机中心等。图书馆照明灯具数量多，场景复杂，智能照明控制系统可以为图书馆照明提供很好的解决方案。

为保证最佳的节能效果，图书馆采用时钟控制的照明控制系统。图书馆开、闭馆时间固定，人流量大的场所相对固定，通过方便智能的时钟控制系统，可以使灯光随时间律动，最大限度地降低管理成本和电能浪费。阅览区对桌面垂直照度的稳定性要求较高，通过采用光照度传感器，利用自然光进行照度补偿，保证了阅览室的恒定照度。通过自然光的补偿有效地减少灯具的开启时间，降低了照明系统的能源损耗。

图书馆配电箱内的照明回路断路器具有联网控制功能，可以远程控制回路内灯具的启闭，根据课表的时间安排自动控制灯具的启闭时间。在图书馆各层主出入口处安装人流量统计装置，对进出的人员数量进行统计。在夜间，阅览区、自习区根据统计出的人流量，分片区地控制灯具启闭，可以有效减少电能浪费。

3.3 以智能场景开关控制为主的行政楼照明控制系统

行政楼是学校行政办公的主要场所，照明控制不同于教学楼和图书馆。智能照明控制系统以自动控制为主，不需要管理人员的大量参与。通过场景开关实现不同场景的灯光模式转换。在会议室预设本地控制、无线控制、监控室远程操控等多种控制方式，实现自由切换多种灯光场景的功能。行政楼内光源种类多种多样，在会议室内使用调光、场景预设等技术，可以有效地实现温馨型、专业型和舒适型等灯光场景间的无缝切换。行政楼的灯光控制与投影仪、电动窗帘、幕布等装置有效联动，自由切换各种场景模式。行政楼内走廊、楼梯等公共通道处的灯具设定为定时开启和关闭模式，在晚间定时关闭70%的灯具，同时启动动静探测器，在有人员进入的情况下，适时地开启部分灯具，满足照明要求。

行政楼根据校方的要求划分出若干个行政区域，选用不同的照明控制方式。会议室采用智能型开关面板，预设不同的场景模式，控制不同灯组的启闭和不同场景的切换。行政区的灯具和电动窗帘、投影仪通过中央控制器相连，连接投影仪时，幕布自动放下，电动窗帘自动拉上，幕布附近的灯光自动调暗；会议结束，投影仪自动关闭，电动窗帘自动打开，灯光系统自动恢复正常亮度。

3.4 多种开关联动的体育馆和礼堂照明控制系统

学校的体育馆和礼堂照明既要求照明亮度恒定，又要求兼顾观众席的视觉感受。体育比赛的不同，对体育馆内的照明也有不同要求；文艺晚会的差异，对礼堂的照明要求也多种多样，舞台和观众席的照明标准迥异，照明模式种类多、功能复杂。因此传统的照明控制器件很难满足要求，采用智能照明控制系统可以为体育馆和礼堂的照明提供较好的解决方案。

首先，在智能照明控制主机中预设不同的场景，以确保场景间的自由切换。体育馆、礼堂的照明控制回路多，布线复杂，主要控制方式为开关控制，辅助控制方式为调光控制。在体育馆、礼堂内设置多重灯光控制模式，比如迎宾模式、候场模式、演出模式、清洁模式等。通过灯光效果的不同，营造出不同的场景氛围，以满足体育馆、礼堂内多种照明模式的要求。同时，设置自动、手动转换开关，灵活使用多种照明控制方式，丰富了照明控制功能，提高了照明系统的管理效率和水平，显著地提升了绿色节能的建筑品质。

夜间体育馆的使用频率远低于教学区，照明控制的首要目标不是节能，而是合理高效地控制体育馆内的灯具启闭，根据师生的实际使用要求进行控制。校园体育馆一般采用深照型和斜照型灯具，每个灯具的功率大多在1 500 W以上，每个控制回路需要与灯光场景回路一一对应，每回路灯具数量不宜过多，主要采用开关控制模式，主席台等位置的灯光辅以调光控制模式，根据不同的比赛项目调整控制回路的组合。体育馆和田径场的晚间照明控制模式与图书馆类似，在主要出入口处安装人流量统计装置，统计进入体育馆的人数，根据人数的多少，分区域开启照明灯具。工作日22：30后，通过背景广播系统的播报，通知体育馆内的人员离开活动场所，15 min后自动关闭体育馆内的一般照明灯具。

3.5 时间控制器联动的建筑物外泛光照明和地下车库照明

建筑物外景观泛光照明，灯具布置间距大，回路敷设距离长，灯具功率大，以开关控制为主，调光控制为辅。在景观泛光照明配电箱内装设智能型断路器，综合考虑作息时间表和季节变化的情况，系统地控制景观照明设备的启闭，19：30开启建筑泛光照明和绿化景观照明，23：00关闭，次日00：00后仅开启必要的通道照明。景观和泛光照明的具体启闭时间可根据季节变化进行调整，亦可设定节假日模式，以区别常规的建筑物外泛光照明。

车库智能照明控制系统同样采用自动控制模式，通过开关、照度传感器等模块化的控制设备，实现不同场景模式的自动切换。地下车库照明采用时间继电器分时段控制灯具的启闭数量，在上下班高峰时段，全部点亮地下车库灯具；在工作时间维持车库正常照明即可，仅需开启33%的照明灯具；22：30后，车库内车流量很小，关闭所有车位照明，车道照明开启10%即可，应急指示照明保持常亮，有效地降低了电能损耗。除了通过时间继电器自动控制车库内的灯具启闭外，在车库进出口管理用房内设置控制开关，以实现手动控制功能。车库智能照明控制系统与智能监控视频系统、空调管理系统等校园智慧网络相联动，实现数字化管理，通过设置红外热感应器，检测到人员移动或者进入区域时，灯光自动开启，2 min内未识别到人员移动，则灯光自动关闭，提高了能源利用效率。