基于DIALUX的绿色工业建筑照明设计在铝行业的应用

蒋小铭,张 斌

(沈阳铝镁设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110001)

中国绿色照明工程自从1993年由国家经济贸易委员会启动以来,迄今已有近三十年的历史。绿色照明在产品开发、工程设计、运行维护等方面广泛大力开展,提高了能源效率。统计数据显示,2020年中国现有铝行业建筑面积约为三千万平方米。照明能耗与铝行业生产企业的建筑面积和工作时间成正比。照明用电占铝厂总耗电量的相当大比例。假设实现绿色照明,照明功率密度降低2 W/m2,且工作时间为每年3760 h,每年铝行业建筑照明可节电1.66亿kWh。因此,绿色照明设计是铝厂节能需要考虑的重要因素之一。运用高效和精细化的照明设计策略,可以提供适当水平的照明并降低成本和能耗。本文旨在借助绿色工业建筑照明设计理念,运用DIALUX模拟仿真软件,为铝工业设计高效的照明系统。

1 绿色工业建筑与绿色照明

绿色工业建筑是指在建筑的整个生命周期内,为生产和人员提供适宜、健康、安全和高效的空间利用,同时最大限度地减少资源消耗和污染以保护环境的建筑。绿色工业建筑是由节约土地和可持续场地、节能、节水、节约材料、室外环境和污染控制、室内环境和职业健康,以及运行和管理组成的系统解决方案。完成绿色工业建筑设计在技术上具有挑战性,因为设计既要考虑工艺特点,又要考虑绿色建筑的要求。

绿色照明的概念最早由美国环境保护署于1991年提出,并迅速赢得了联合国支持,以及众多发达国家和发展中国家的重视。绿色照明旨在节约能源、保护环境、提供舒适的光环境,以便提高工作效率和生活质量。对于铝行业来说,最重要的是可靠性,因而铝工业照明应该为工业生产环境提供安全可靠的照明。鉴于工业建筑的绿色照明涉及到工艺特点、建筑特点、投资、光源和灯具,因此不同于其他建筑照明。工业照明设计应首先关注照明必须满足工艺生产的功能要求;其次,还须考虑建筑的具体条件。设计师需要制定系统、可行的方案,以满足绿色照明、可靠性、运行和管理的要求。

根据铝行业生产的工艺特征,在诸如原材料、过程质量检验、产品验收等过程中,光源的选择可能会影响色彩呈现,进而影响检验的准确性。因此根据显色要求,所选光源应符合当前国家能效和能效等级的最低允许值,并满足工艺生产对光源显色的要求。设计者可以选择要求普通、作业密度低的混合照明,以及照明要求不同的局部照明。铝行业照明不仅要考虑车间、工艺工段和工艺组,还要考虑工作班次。

自然光有利于身心健康,可提高生产效率和产品质量。室内可以用高顶灯照明屋顶天窗或采用带状采光装置。由于价格低廉、施工简单,工业建筑普遍采用屋顶天窗。设计师应该充分利用自然光,它不仅可以节省照明用电,也能够实现了人与自然的和谐共处。房间室形指数(RI)是决定灯具选择的另一项因素,设计师将通过公式(1)计算房间室形指数。根据RI值,设计师应选择不同的灯具配光曲线,这对于绿色照明设计而言非常重要。

(1)

式中:L——长度,m;

W——宽度,m;

h——高度,m。

2 DIALUX照明设计软件

DIALUX是德国开发的带有3D模拟照明设计的专业照明软件,支持光源数据(IES、CIE、CIBSE、ULD、PDF等),并逐渐与飞利浦、BEGA、THORN、ERCO、欧司朗、BJB、迈耶、路易·鲍尔森等世界知名照明厂商合作,与这些主流照明厂商的数据库能够友好兼容,可以轻松实现对照明设计的精确模拟和计算,目前应用日益广泛。DIALUX4.9版本在引入DIALUX evo版本后,软件界面和操作方式都得到了简化,增加了更多的自动化操作,并可提供三维仿真灯具模型、DWG导入导出、3D渲染、光迹追踪、功耗和精确的照度值,确定是否符合照明标准,让照明设计变得更加直观和智能。

快速准确的光环境模拟,需要精确的模型和正确输入的实际参数。本次研究选用的DIALUX evo软件具有类似于三维软件的基本功能。首先,引入简化的CAD图纸,根据图纸尺寸利用辅助线建立Building模型,设置地板的高度,然后切入房间空间,添加必要的门窗、设备等构件;其次,针对空间指定材质,使用照明厂商提供的灯具库组件放置灯,初始光源照明,计算空间照明的参数,生成并导出计算报告。

3 铝厂绿色建筑照明设计

铝厂的主要工艺流程包括氧化铝、电解铝和碳素,下面以某铝厂氢氧化铝焙烧车间为例,该车间厂房长56 m,宽48 m,层高6.5 m,水平立柱的间距约为8 m。照明系统提供工艺设备的局部照明和通道的照明。

关于照明灯具的选择,根据中国建筑照明设计标准和工厂条件,整个过程的照度标准水平为100 lx。考虑到价格、颜色指数和发光效率,选择低功率高色LED光源,包括70W LED泛光灯,既实现了更好的显色性,又以更低的维护成本达到了绿色设计的目的。从DIALUX的产品目录中发现,飞利浦HPI-P70W-BU的发光效率在80 lm以上。

考虑到这个过程,为了便于计算房间室形指数,车间分为4个区域,各分区的房间室形指数可计算为RI1#≈3.1、RI2#≈ 3.3、RI3#≈2.4、RI4#≈3.0,因此分区的灯具应该是宽光分布曲线。简而言之,灯具可以是相同的类型。为了匹配光源,我们可以选择使用DIALUX插件的高效灯具。根据DIALUX的照明设备位置,计算器在计算机中建立建筑三维模型后,DIALUX自动计算并确定照明设备应安装的具体位置,以提高照明质量。快速准确的光环境模拟需要精确的模型和正确输入的实际参数。本次研究选用的DIALUX evo软件具有类似于三维软件的基本功能。首先,引入简化的CAD图纸,根据图纸尺寸利用辅助线建立建筑模型,设置平台的高度,然后切入工作空间,添加必要的门窗、设备等构件;其次,针对空间指定材质,使用照明厂商提供的外挂式放置灯,初始光源照明,计算空间照明的参数,生成并导出计算报告。接下来优化每个照明区域,使等值线与照明区域的形状相似。工厂的最终仿真三维模型如图1所示。通过将仿真结果导出到计算机辅助设计文件,可以使用AutoCAD测量每个设备位置。

图1 焙烧车间照明仿真模型

设计能效车间照明面积为8135 m2,照明负荷为26,927 W,照明功率密度为3.31 W/m2。功率密度电流值为5 W/m2,由此降低了33%的能耗。工作区的平均照度为56 lx,车间的点照度值图参见图2。

图2 焙烧车间点照度值图

4 基于DIALUX evo软件的灯光测试与优化

本次测试使用的灯具为飞利浦和欧普两个品牌,包括PHILIP HPK038型70 W大功率单头泛光灯具、OPPLE WH-35型35 W灯具,地面用灰色油漆,顶部和立柱用黑色油漆。通过软件测试报告可以看到,该车间工作表面的平均照度值为56 lx,照明密度限值为2.65 W/m2,照度均匀度为0.32,颜色为83。参照规范要求,照明密度限值和显色性均达到了工作照明要求,但照度均匀度仅为0.32,明显低于规范要求的0.6,而从输入的iso那边图也可以看出,部分区域照度达到200 lx,但工作区域的区域照度值只有50 lx,这明显说明空间照度分布不均匀,在实际使用中非常容易产生阴影区域和视觉疲劳,同时也带来不必要的功耗损失。

鉴于此,对于软件测试反映出的照度分布问题,需要从以下两个方面进行调整:一是根据区域的空间定位来调整灯具数量,比如电机区域就应该增加灯具,因为这个区域不仅在模型空间有明确的功能要求,也是生产流程的重要区域。因此,照度要适当提高,但要考虑到周围立柱上方的射灯照明。而车间的外侧和走道应适当减少灯的数量,入口处的照明不能超过户外的亮度,否则无法满足生产操作的需求。车间边缘的照明应适当减少,既要符合法规要求又能达到节能的目的;二是调整灯位,泵区主要安装有工艺设备和控制箱,灯光要让操作者清晰观察到所有设备的运行情况。如果照度分布不均且对比度大,则无法体现设备工作状态,这就需要调整灯位,使照度分布达到平衡。

优化后的DIALUX evo使用测试结果显示:工作区的照度从之前的56 lx增加到117 lx,边缘区域和走台的照度从之前的67 lx减少到50 lx,泵区的照度从75 lx增加到120 lx,基本符合预期目标。但是,区域照度在增加的同时,平均照度从之前的56 lx增加到86 lx,略高于规范要求,这样会增加能耗数量,但是考虑到测试场景并未放置工艺设备,材质与实际设计不完整一致,因此可以基本确定测试结果有效。

5 结 语

运用DIALUX软件进行铝行业的建筑照明设计,首先改变了对照明设计效果不可控的现状;其次,使用最少的灯具满足照明需要, 实现节能且经济环保。同时,也提升了运维人员使用的舒适度。这种设计精准化的趋势,已经成为当前照明设计的主要方向。在绿色工业建筑设计中,照明设计应结合铝行业的工艺及建筑特点。设计人员应在充分了解工艺和建筑等要求的情况下,合理布局,选择合适的照明产品,优化照明设计,实现最大限度地节约能源。