飞机库照明设计浅析

2023-01-11贾周顶马潞潞

照明工程学报 2022年6期

朱华,杜磊,贾周顶,马潞潞,王川

(1.93204部队，北京 100068；2.龙盾智能科技有限公司，江苏南京 210001)

引言

飞机库是一种用来停放及维护飞机等航空器的封闭建筑，机库的存在让维护人员能方便舒适地对飞机进行维护，也可保护飞机降低因外在因素而受损的可能。

早期飞机体形较小，多停放于砖混结构或砖木结构的仓库中，电气化照明发展也处于萌芽阶段，所以彼时机库照明多以煤油灯/煤气灯作为主要照明灯具。随着飞机尺寸不断增大，现代飞机库多以框架结构为主，以梁柱作为主承重体系，屋面多采用平板网架或排架形式，以减轻屋顶重量、增加机库跨度。随着电气化发展，机库照明经历了热辐射光源时代及气体放电光源时代，随着发光二极管的普及，机库照明正逐步走向半导体固态光源时代。

1 飞机库照明需求分析

机库的照明设计是机库电气设计的重要组成部分，也是机库内部满足使用功能的重要组成部分之一。机库照明设计应能保证机库相关工作能够安全、高效和不间断地进行，保证为库内人员保持足够高的劳动效率，降低工作作业的差错和误差率，提供必要的照明环境。

1.1 飞机库的空间因素

飞机种类、用途得到了飞速发展，动力飞机中尺寸差异较大，大飞机有翼展88.4 m的An-225、翼展79.8 m的A380-800等，小飞机有翼展4.9 m的蟋蟀飞机、翼展12 m的零式、翼展13.87 m的剑鱼等。本文仅对翼展大于5 m的飞机进行分析讨论。表1为一些常见的中大型飞机的尺寸。

表1 一些常见的中大型飞机的尺寸

飞机可根据翼展分为6个级别，见表2。从照明设计角度，我们依照经验参考《民用机场飞行区技术标准》(MHT 5001—2021)[1]并根据飞机停放区域面积，将机库分为大、中、小、微四种，见表3。

表2 根据飞行区指标确定机型大小[1]

表3 不同类型机库可停放飞行器关系表

一般来说微型机库多停放A、B类机型，小型机库多停放B、C类机型，中型机库多停放C、D类机型，D类及以上机型多停放在大型机库中。由此可知，一般机库都需同时兼顾多机型飞机停放作业，由于飞机停放区域面积较大、层高较高，在照明设计中对灯具选型、布置、控制及安装方式等有较高的要求，并要求设计者选择合理的照明灯具及照明方式，对于照度、照明均匀度、眩光、显色性等各项指标要求较高。

1.2 飞机库的用途因素

根据飞机库的用途，一般飞机库可分为停机库及修理机库。停机库主要用于飞机停放和简单的保养作业，没有检修维护等需求，对照明要求较低，对于照度、照明均匀度、眩光、显色性等指标要求较低。修理机库主要用于飞机的定检、维修作业，此时机库的照明应为机务人员提供较好的视觉环境，满足机务人员的检修要求。具体照明要求如表4所示。

表4 不同用途机库对机库照明的要求

1.3 相关标准/规范要求

现阶段尚无相关国标规范对飞机库的机库大厅照明做详细要求。仅能参考相关行业及通用技术标准/规范，详见表5。

鉴于目前尚无详细标准，考虑到机务人员的作业需求并参考高大空间的工厂及仓库取值，最终飞机停放区域照度停机库取300 lx，修理机库取500 lx，疏散用应急照明地面照度取1.0 lx。

2 飞机库照明设计要点

2.1 光源选择

根据飞机库的高度及使用特点，可用于飞机库照明的光源主要有荧光灯、金属卤化物灯、钠灯和LED等。

(1)荧光灯。荧光灯应用广泛，有结构简单、光效高、发光柔和、寿命长等特点，属高效节能光源。T5荧光灯光效可达80～100 lm/W，显色指数Ra可达85，色温可达2 700～6 500 K，寿命可达24 000 h。由于荧光灯安装高度一般为2.0～3.0 m，可用于多种停放机库的微、小型机库。

表5 规范条文对照表

(2)金属卤化物灯。金属卤化物灯是在高压汞灯基础上添加各种金属卤化物制成的光源。它的光效可达65～140 lm/W。由于金属卤化物灯的光谱是在连续光谱的基础上叠加了密集的线状光谱，显色性Ra可达95，大功率金属卤化物灯寿命可达6 000～12 000 h。另外，金属卤化物灯的色温高，可达5 000～6 000 K，专用投影机灯可达7 000～20 000 K。金属卤化物灯具有光效高、寿命长、显色性好等特点[6]。在机库中金属卤化物灯的安装高度一般为4.0～9.0 m，可用于多种停放或检修维护等用机库的大、中、小型机库。

(3)钠灯。钠灯分为高压钠灯和低压钠灯，高压钠灯又分普通高压钠灯、中显色高压钠灯和高显色高压钠灯。高压钠灯是一种高压钠蒸汽放电灯泡，其放电管采用抗钠腐蚀的半透明多晶氧化铝陶瓷制成，工作时发出金白色光。光效可达120～140 lm/W，寿命可达16 000～32 000 h。高压钠灯色温较低为2 000～2 150 K，色彩还原性较差，Ra为20～25。中显色高压钠灯和高显色高压钠灯是在普通高压钠灯的基础上，适当提高电弧管内的钠蒸气气压，从而提高高压钠灯的色温度，改善显色性。中显色高压钠灯色温为2 200 K，显色指数Ra提高至60；高显色高压钠灯相关色温为2 500 K，平均显色指数Ra提高至85[6]。高压钠灯安装高度一般为4.0～9.0 m，可用于多种停放机库的大、中型机库。

低压钠灯是气体放电灯中光效较高的种类，光效可达140～200 lm/W，光色柔和、眩光小、透雾能力极强。但低压钠灯敷设近乎单色黄光，分辨颜色的能力差。因低压钠灯具有穿透性强、光效高等特性[6]，更适合机库外侧对库前坪的泛光照明。

(4)LED光源。LED光源的发光原理与气体放电灯的发光原理不同，它的能量转化效率非常高，光效可达60～120 lm/W。LED光源其本身不含有毒有害物质，没有干扰辐射，色域宽、色彩饱和度高，工作时产生热量较大，响应速度快同时光源的使用寿命可长达25 000～50 000 h。

典型的LED光源的光谱范围都比较窄，可以随意进行多样化的搭配组合，组合后的LED光源鲜艳饱和、纯正，无需滤光镜，可用红绿蓝三色元素调成各种不同的颜色，实现多变、逐变、混光效果，显色效果佳，平均显色指数Ra可达90；可实现亮度连续可调，色彩纯度高，可实现色彩动态变换和数字化控制[7]。目前LED光源的灯具种类多样，适用于各类型的机库，可用于多种停放或检修维护等用机库的大、中、小、微型机库。

2.2 灯具选择与安装

照明灯具型号选型和安装方式密不可分，根据灯具安装方式主要分为吸顶式、嵌入式、悬吊式和壁式灯具，详见表6。

小型机库由于层高较低，照明设计时和仓库类似，机库大厅照明灯具多采用吸顶式灯具。大型机库多为高大空间的网架结构，因高大空间内灯具光通量除了被工作面利用，还会被天花板和墙壁利用。因此，找到工作面与天花板、墙壁的相应关系即可得到工作面上的光通量利用程度(图1)[9]。

表6 按灯具的安装方式分类和选型[8]

图1 房间空间的划分Fig.1 Segmentation of room space

大型机库层高较高、面积大，由于库内通风需要，其供照明反射的墙壁较少。一般而言，室空间比值均较大，灯具利用系数较小。天花板上的照度对生产活动帮助不大，属于需要节约的部分。控制灯具的配光曲线，一般可以有效地减少灯具用于天花板上的光通量。我们假定天花板照度为0，即灯具贡献的所有光通量都投射在墙壁和工作面上[9]。

一般灯具按照辐射光通量在空间分布特性比例分为直接型、半直接型、直接间接(均匀扩散)型、半间接型和间接型照明等五种方式，见表7。

表7 光通量在上下半球空间分配比例表[8]

根据表7及高大空间的特点，高大空间照明多采用光通量较高直接型灯具。如同为高大空间建的航站楼、候车大厅等多采用直接照明方式。直接型灯具效率较高，灯具布置时对比其他类型灯具可减少部分灯具数量，由于灯具需安装在建筑顶部，对灯具的眩光控制、安装及维修都有一定的难度。

间接照明是利用顶棚或其他结构装饰物反射来照亮整个空间，有时为了保证地面照度达到国家标准，顶部的照度值会更大才能满足地面照度的要求，此种设计方案虽然可以保证较好的美观性和舒适性，但是需要的灯具数量及功率需求将会很大，效率较低、能耗较大[10]。所以采用直接型灯具悬吊式安装是机库大厅照明灯具选型最好的选择。

针对层高较低的小型机库一般采用吸顶式灯具，灯具直接安装于屋顶结构上，安装方式简单、技术成熟，与库内检修桁吊等设备发生空间位置冲突概率很低。

大型机库由于层高、空间等因素一般采用网架结构，照明多安装在屋顶网架结构上。为避免与库内桁吊发生空间冲突，灯具安装一般有两种方式：

(1)一般采用焊接在屋顶网架上弦球的支架链吊灯具。

(2)通过焊接在屋顶网架上弦球的支架吊链或管吊灯具，灯具安装位置与下弦球持平。

两种安装方式均对结构专业影响较小，但对灯具布置方案限制较多。方式一吊装架结构相对复杂，但灯具吊链较短无过多摆动。方式二因为屋顶网架上下两层间距一般较大，故灯具与球节点直线距离一般较长易产生相对摆动。

综上所述灯具安装方式采用第一种方式，通过焊接在屋顶网架下弦球的支架链吊灯具。

一般小型机库内净高较小，机库大厅停机区域较小。灯具安装位置可以根据停放机型种类“量身订制”，即尽量避开飞机停放位的投影区域，这样也能避免因灯具自发热对飞机的“烘烤”。

2.3 灯具的防坠落

在飞机库的照明设计中，无法避免的是灯具及其附属部件在使用过程中的防坠落问题。尤其在中大型机库中，库内多为高大空间，停放飞机种类存在多样性。停机大厅内可能存在多种类机型混合停放的情况。此时灯具布置多跟随屋顶结构进行均匀布置，因为库内净高较高，此时不用考虑灯具自身发热对飞机的“烘烤”。

机库内停放的飞机往往造价高昂，为防止高空坠物，在灯具选型设计中对固定牢固可靠性要求凸显而出。现行规范对于机库内灯具选型安装要求较少，在《飞机喷漆库设计规范》(GB 50671—2011)[3]中有“9.2.3飞机喷漆区的照明应具有防止灯具及其碎片坠落的防护措施”要求。对此条文解释为“飞机喷漆机库为高大空间，灯具悬挂高度通常为十几米甚至二三十米，任何坠落物都可能对人员或飞机造成很大的伤害。”

根据上述条文及相关解释引申思考，参考同样为高大空间的民用建筑场馆照明相关规范的《体育场馆照明设计及检测标准》(JGJ153—2016)[11]中提到“5.2.12场地照明用金属卤化物灯不应采用敞开式灯具”，“5.2.13灯具及其附件应有防坠落措施”，飞机库照明灯具的防坠落措施在飞机库照明设计中起着至关重要的作用。

通过对市面上几个主流特种灯具生产厂家的灯具产品对比后可知，市面上高大空间用灯具产品已基本普及轻量化设计理念，并且通过增加防坠链等措施已达到防止灯具整体坠落，见表8。

表8 灯具厂家调研比选表

对于灯具反射玻璃罩的防坠落措施，厂家有两种方式：(1)增加金属网防止玻璃坠落；(2)通过强化玻璃材质做玻璃不碎裂。通过强化玻璃仅能保证玻璃不炸裂，但是无法保证玻璃不整体坠落。

2.4 照明控制

机库的照明控制通常采用有线布控的方式(图2)，即通过照明控制开关，在人员出入口设置控制开关点位，对于小型机库，这种控制方式可以便捷地完成照明区域控制。对于大型机库，则可能会出现每一次开关灯具都如同百米赛跑一般的“大水漫灌”式照明，若一个大型修理机库可同时提供多架飞机共同检修作业，有时甚至出现只对一架飞机进行检修时也需要打开全场灯光的情况，无法完成对照明的精准控制。

图2 传统有线布控多点位照明灯具电气控制原理图Fig.2 Schematic diagram of electrical control of traditional wired and controlled multi-point lighting fixtures

现阶段一些大型机库根据机库规模及库内照明灯具类型多采用“接触器+控制按钮箱”(图3)与“智能照明控制系统”对机库照明进行分区域控制。对于可同时停放2架C类飞机的I修理机库，可以通过对照明灯具的供电回路与控制相结合的方式对飞机库照明完成区域控制。

图3 “接触器+按钮箱”控制示意图Fig.3 Schematic diagram of “contactor and button box”

智能照明控制就是将“接触器+控制按钮箱”的控制形式小型化，将多重模块集成化(图4)。智能照明控制面板和普通照明控制面板大小相近，结合机库内部综合管理系统可以实现远程控制、授权控制等功能，也可根据不同使用情景对不同人员进行权限管理，控制灯具开启数量及范围。

图4 智能照明控制示意图Fig.4 Schematic diagram of smart lighting control

图5 “新一代”智能照明控制拓扑示意图Fig.5 Topology schematic of “new generation” smart lighting control

面对可以同时对数架D类及D类以上飞机进行维修作业的修理机库，则可以采用更为方便的无线智能控制方式(图5)。可以停放D类及以上飞机的机库往往层高较高，甚至可能达到30 m以上，屋顶网架结构复杂，防火分区较多，很可能存在停放和维护检修作业同时进行的需求，对灯具照度、控制精度都达到了新的高度。

2.5 照明维护

在飞机库照明设计时应同时考虑后期设备维护，对层高较高的大型机库尤为重要。大型机库一般分为有检修马道和没有检修马道两种情况，有检修马道的机库依托检修马道；没有检修马道时可在灯具采购时加装升降机构，使灯具高度可下降至正常工作面进行维护，此种方式结构复杂、对屋顶网架结构影响较大，需额外增加升降机构配电；还可以使用升降平台对机库灯具进行检修，此种方式对结构无影响，无需额外配电，可快速完成灯具维护保养工作。

因LED灯具结构与其他光源灯具结构及发光原理往往不同，在灯具维修或更换光源时往往由于高度集成化需要整灯具更换，其他光源的灯具只需更换受损部位即可。虽然LED灯具寿命长，但后期维修成本要高于其他光源灯具。

LED灯具启动和关闭均可做到瞬时，启动电流大。相比金属卤化物灯、钠灯等气体放电灯则开启及关闭时存在延时、启动电流较小、谐波污染等问题。由于LED灯具具备独有的发光原理，相比气体放电灯，LED灯具可通过软硬件配合精确地实现色温、照度调节，以实现更为精准的“分组控制”。

2.6 照明节能

在飞机库的照明设计阶段，应该主要注意处理好照明节能与照度水平、照明质量、装饰美观、建筑投资四者之间的关系。

特别要注意为保证照明质量，设计中应明确规定光源的色温、显色指数，应在保证照明质量的前提条件下，合理选用高效光源、灯具和相应附件。在做照明系统的初始投资与后期运行成本的经济分析中，应按满足照明指标前提下进行对比、分析，或按全寿命周期进行经济分析。做照明系统的方案比选时，应将照明初建投资费用和全寿命期内耗电能的费用统筹考虑。

确定照度标准时应注意以下问题：

1)根据规范确定合理的照度标准；

2)控制设计照度与照度标准的偏差不超过±10%，避免设计过高的照度计算值；

3)作业面临近区、非作业面、通道的照度要求(图6)。

图6 作业面邻近区域的关系、照度值示例图[5]Fig.6 Schematic diagram of relationships of adjacent working areas and illuminance

作业面邻近区为作业面外0.5 m的范围内，其照度可低于作业面的照度，一般允许降低一级(但不低于200 lx)。通道和作业区的照明可以降低到作业面临近周围照度的1/3，可以显著地降低实际功率密度值。

在确定照度标准后应合理选择照明方式。为达到所需的照度及光效，飞机库停机大厅照明一般采用分区控制，以此实现对照明的精准控制。

在照明器材的选择上，选用高效、优质的照明器材，淘汰和限制低效光源的应用。选用高光通维持率的灯具，避免使用过程中灯具光通量下降。灯具选择应注意灯具的配光曲线与房间室形相适应。房间的室形指数(RI)较大时，宜选用宽配光灯具；室形指数较小时，宜选用中配光或窄配光灯具[12]。

对自然光应合理利用，可以配合建筑专业通过采光窗、门将自然光引入室内。有条件时可利用导光管等装置将自然光引入室内以达到节能要求。在室内可设置照度传感器配合可调照度的灯具及智能照明控制器，实现机库的恒照度控制。

2.7 应急照明

根据《飞机库防火规范》(GB 50284—2008)，飞机库内应设置疏散照明，且照度不应低于1.0 lx[13]。机库大厅多属于高大空间，飞机库工作区域的作业人员多为专业人员，作业位置距离安全出口普遍较远，疏散路线具有灵活多样的特点。在发生紧急情况下，无法采用疏散指示的方式对人员进行高效率的疏导。机库大厅的疏散照明一般采用在安全出口设置安全出口指示灯与机库大厅设置大功率LED灯具组的方式。LED灯具可实现在高大空间照明中完成瞬时点亮，并迅速达到最大量输出[14]。

需特别注意的是，根据《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》(GB 51309—2018)要求，应急照明安装高度小于等于8 m时应采用A型灯具，即主电源和蓄电池电源额定工作电压均不大于DC36 V的照明灯具；当应急照明安装高度大于8 m时可采用B型灯具[15]。机库大厅应急照明灯具安装方式一般与厅内普通照明灯具相同。

3 飞机库照明的方案示例

某机库群中一修理机库可同时对两架C类飞机进行维护检修作业，机库大厅长×宽为95 m×60 m，网架下弦球标高21 m，网架下弦球中心间距5.0 m，设计照度500 lx。在进行照明方案设计时，综合考虑金属卤化物光源及LED光源两套照明方案。

根据大空间照明设计原则，照明灯具选用高天棚灯，灯具参数见表9～表11。

表9 高天棚灯参数

表10 发光强度值

表11 利用系数表

分别使用金属卤化物光源、LED光源对机库大厅设计了两套布置方案，具体如下：

方案一：机库大厅内布置60套单灯功率为1 000 W、80 000 lm的高天棚灯。灯具安装间距10 m(图7)。

图7 方案一机库大厅照明灯具布置示意图Fig.7 Schematic diagram of light fixtures arrangement in hangar hall of option one

方案二：机库大厅内布置198套单灯功率为250 W、24 200 lm的高天棚灯，灯具间距5 m(图8)。因LED灯具特殊的发光原理导致发热量较大，大功率LED灯具通常配置有较大的散热片及驱动电源，灯具重量较传统灯具重1.5倍左右。目前使用大功率LED光源作为机库照明的相关案例较少，故选用250 W的LED灯具。

两套方案中，疏散照明均选用15套、250 W LED照明灯具已满足发生事故时疏散照明使用。机库裙房照明属于普通工作区域照明方案不做详细描述。

图8 方案二机库大厅照明灯具布置示意图Fig.8 Schematic diagram of light fixtures arrangement in hangar hall of option two

由表12可知，照明方案一均匀布置60套灯具，平均95 m2设置一套灯具，总装机功率63 kW，计算照度值533.56 lx，功率密度计算值为10.53 W/m2。总体来说，灯具数量较少，配电控制及后期维护相对简单，初装成本较低，但总装机功率大，运营成本相对较高。

照明方案二均匀布置198套灯具，平均29 m2设置一套灯具，总装机功率52.07 kW，计算照度值532.62 lx，功率密度计算值8.68 W/m2。总体来说，总装机功率较小，运营成本相对较低，但灯具数量较多，配电控制及后期维护相对复杂，初装成本较高。

综合上述两方案，结合图9和图10做出如下分析：

(1)方案二从照明均匀度、平均照度具有相对优势，结合灯具寿命在后期运营能耗上具有一定优势，若考虑机库长期满负荷工作(灯具全开)状态下，方案二从能耗角度具有绝对优势。

(2)从建设成本上来说，市场上LED灯具造价一般高于金属卤化物灯具1至3倍不等。安装灯具数量方案二远大于方案一，方案二的照明配电系统远远复杂于方案一。

表12 照明方案照度计算表

图9 方案一等照度曲线平面图Fig.9 Plan of ISO Lux curves of option one

图10 方案二等照度曲线平面图Fig.10 Plan of ISO Lux curves of option two

(3)从使用角度来说，机库长期满负荷工作概率较低，若只是保证机库大厅一半或三分之一的区域达到500 lx照度，方案二能耗上只具备相对优势。

(4)方案二因灯具安装数量较多，基本上每一个球节点都要安装照明灯具，按照每个灯具重量为7 kg计算，机库网架内安装电气设备仅在198套灯具一项就达到了1 386 kg，这还不包括支撑灯具的钢结构部件及为灯具供电的线缆的重量。相对于方案一较少的灯具数量，方案二对于结构专业网架设计所产生的影响可想而知。

(5)飞机库不同于其他高大空间库房。库内停放飞机一般都价值不菲，对飞机维护的机务人员也需较长周期的专业培训。从库内照明灯具对库内停放的飞机及机务人员造成潜在的风险的角度来看，方案二库内照明灯具发生坠落概率远大于方案一。

在设计阶段对机库内灯具防坠落要求主要体现在大厅顶灯安装示意图和设计说明中。设计说明里一般是在备注条目里注明“机库大厅灯具应具备防坠落措施”。大厅灯具安装示意如图11所示。