岭南历史建筑改造中的照明节能技术

?

岭南历史建筑改造中的照明节能技术

俞　洋，陈华坚

(华南理工大学建筑设计研究院，广东 广州　510640)

摘　要：阐述了岭南历史建筑照明现状，提出了照明节能存在的主要问题，从光源、灯具及附件、配电线路及控制方式、维护与管理等方面进行分析，并结合案例进行分析，探讨电气照明节能的主要措施。

关键词：岭南；历史建筑；电气改造；节能；照明设计

引言

在经济高速发展的今天，节约能源已经成为保证社会、经济、生态可持续发展的必要趋势之一，而建筑照明节能是社会节能的核心组成部分之一。长期以来，岭南建筑照明一味强调使用效果，却忽视了节能问题。但是随着能源日益短缺，照明节能的作用越来越重要。据统计，我国照明用电量约占全社会总用电量的12%，在岭南建筑中，照明能耗更是占了整个楼宇电力消耗的30%以上，照明能耗之大成为不可否认的事实。因此，照明节能潜力巨大，照明节能设计迫在眉睫。《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)中提出照明功率密度(简称LPD)作为照明节能的评价指标，照明节能在电气节能中举足轻重[1]。

本研究中的岭南历史建筑是指宽泛的历史建筑，即在岭南地区湿热条件下的有良好的地域适应性的传统建筑、近代建筑和现代建筑，既包括了已公布法定的历史建筑，也包括了部分被公布为文物保护单位或登记为不可移动文物的建筑物、构筑物，还包括尚未公布为文物保护单位、不可移动文物和历史建筑的传统建筑[2]。

1　岭南历史建筑照明存在的主要问题

随着节能意识日益深入人心，如今我国岭南建筑照明节能的应用已经取得了一定的成效与突破，但是在岭南历史建筑中往往在节能措施上不尽人意，主要存在以下问题。

1.1　照明光源

纵观众多岭南历史建筑，大部分采用了白炽灯、粗管荧光灯、大功率卤素灯等光源，而此类光源光效低、寿命短、耗材多。

1.2　照明灯具

大多数岭南历史建筑中，大量选用了以下灯具类型：半直接型、全漫射型、半间接型及间接型，而此四种类型灯具向上向下的光通量依次约60%~90%、40%~60%、10%~40%、10% 以下，光通利用率低，浪费能源。

1.3　照明灯具附件

大部分岭南历史建筑中，绝大多数灯具采用了电感式镇流器。电感式镇流器由于有频闪，耗电量大，多次启动易损坏阴极，缩短灯管寿命，频繁维修，易损坏灯具。

1.4 　照明配电线路及控制方式

据了解，众多岭南历史建筑中，照明配电线路路径过长、迂回过多，造成电压降较大，浪费能源。况且，照明配电线路多数采用了穿管明敷甚至不穿管明敷，存在着严重的安全隐患。同时，岭南历史建筑中往往一个翘板开关控制一连串大量的灯具，不能结合具体场所进行选择合理的控制方式。如：走廊、门厅等公共区域不能进行分组分区控制；课室、办公室等不能结合具体朝向充分利用自然光而进行分组控制；会议室、报告厅等场所不能进行智能调光控制。

1.5　照明的维护与管理

岭南历史建筑中，照明光源、灯具、附件及线路等未能得到定期的检查、维护，由于线路的老化、灰尘的覆盖等造成灯具效率大大降低，且存在着严重的安全隐患。

2　解决方法

建筑照明节能，主要是提高系统(光源、灯具、启动设备)的总效率，照明控制方式，天然光利用以及加强维护管理等方面综合考虑。

2.1　选用高效节能光源

推广使用高光效光源。各种照明光源的电能转换中，高压钠灯的光效为最高，而荧光灯和金属卤化物次之，高压汞灯较低，而白炽灯为最低。各常用光源特点及适用场合详见表1。

表1　常用光源特点及适用场合[3-7]

Table 1　The features and applicability of the common light source

发光效率/(lm/W)特点适用场合白炽灯10~15具有光源小、便宜、通用性大、彩色品种多、显色性好、可调光等优点;而光效最低、能耗大、寿命短适用于需要调光、要求显色性高、迅速点燃、频繁开关及需要避免对测试设备产生高频干扰的地方和屏蔽室等;还适用于艺术照明、装饰照明、橱窗展示照明和美术馆陈列照明等。除以上特殊需要外,不应采用细管荧光灯(?16)和紧凑型荧光灯50~120具有寿命长、光效高、显色性好、体积小、重量轻、安装维修便利等优点,但生产过程和报废后对环境有污染,主要是汞污染办公室、教室、车库等场所高压汞灯35~50光效较低,寿命较白炽灯长,启动时间长,二次启动要待灯体冷了之后才能点亮属淘汰产品,不应使用高压钠灯可达80以上具有发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强和不诱虫等优点,但显色性差广泛应用于道路、高速公路、机场、码头、船坞、车站、广场等金属卤化物灯80~120具有光效高、显色指数高、色温高等优点,但由于材料、工艺的限制,目前国产金属卤化物灯寿命在8000h体育场馆、展览中心、游乐场所、商业街、广场、机场、停车场、工厂等LED灯100以上具有低电压驱动,体积小,重量轻,显色性好,调光性能好,寿命长,不用镇流器,通断电响应时间很短,耗材少等优点,但价格偏高。因此,发展前景很好。商场、娱乐场所、博物馆、咖啡厅、地下车库、建筑物外观照明、景观照明、标识与指示性照明、娱乐场所及舞台照明等

总之，从光源的七大要素(光效、显色性、色温、使用寿命、启动性能、装饰性、单位比价)出发，在满足场所功能需求的前提下，综合分析选择光源。

2.2　选用高效节能灯具

灯具按光通量在上下空间分布的比例分为五类：直接型、半直接型、全漫射型、半间接型和间接型。其光通量及特点见表2。

表2　各种类型灯具光通量及其特点对比表[4-5]

Table 2　Luminous flux and feature comparison

table of different types of lamp

光通量分布的比例/%特点直接型90~100灯具的光通量的利用率最高半直接型60~90少部分射向上方,射向上方的分量将减少照明环境所产生的阴影的硬度并改善其各表面的亮度比全漫射型40~60最常见的是乳白玻璃球形灯罩,其他各种形状漫射透光的封闭灯罩也有类似的配光。这种灯具将光线均匀地投向四面八方,因此光通利用率较低半间接型10~40它的向下分量往往只用来产生与天棚相称的亮度,此分量过多或分配不适当也会产生直接或间接眩光等一些缺陷间接型10以下灯具的光通量的利用率最低

根据以上灯具的光通量及特点，为节约电能，在满足眩光限制要求下，应优先选择直接型灯具。此类灯具效率大于90%，由于灯具上半球光有一定的比例，室内空间亮度高，光环境亮度对比小，舒适而不易于疲劳，宜用于室内各面反射率较高的场所，如办公室、商店、公共场所等。

2.3　选用功率损耗低、性能稳定的灯用附件

镇流器，作为最为常用的附件之一，一般分为电感镇流器和电子镇流器两大类，其特点见表3。

根据以上灯用附件特点的对比，为节约电能，合理选择灯用附件的主要措施如下：

1)在连续紧张的视觉作业场所和视觉条件要求高的场所、在要求特别安静的场所及青少年视看场所等应优先采用电子镇流器。

2)在需要调光的场所，可以用三基色荧光灯配可调光数字式镇流器，取代白炽灯或卤素灯，能大大提高能效。

3)选用的镇流器的流明系数(μ)不应低于0.95。

表3　不同类型镇流器特点对比表[4-5]

Table 3　Feature comparison table of different types of ballast

电感式镇流器普通电子镇流器标准型电子镇流器温升最高达+120℃+50℃+10℃~20℃功率因数0.460.7~0.950.97平均寿命≥50000h5000~8000h≥30000h保护功能无一般不具备具有灯管短路、异常、防潮、防雷、抗电磁干扰等功能特点缺点:有频闪;耗电量大;电压或温度偏低不能一次启动,多次启动易损坏阴极,缩短灯管寿命;启辉器寿命短,需常更换,频繁维修,易损坏灯具。优点:相对可靠。慢慢地被电子镇流器所取代缺点:易损坏,寿命较短;流明系数较低;电磁辐射强,影响周围用电设备的正常使用。优点:无频闪,耗电较电感式小优点:高品质、高可靠、长寿命;自身功耗小,省电30%;减少电能损耗,自身温升低;灯管出现异常时自动切断电源;具有过压保护,防止短时间电压冲击和临时性电压过高;具有更好的防火性能,灯管保持在低温下工作;电磁辐射低,基本不影响周围用电设备正常工作。缺点:价格偏高适用范围高压钠灯、金属卤化物灯在连续紧张的视觉作业场所和视觉条件要求高的场所(如设计、绘图、打字等),在要求特别安静的场所(病房、诊室等)及青少年视看场所(教室、阅览室等)在连续紧张的视觉作业场所和视觉条件要求高的场所(如设计、绘图、打字等),在要求特别安静的场所(病房、诊室等)及青少年视看场所(教室、阅览室等)应优先采用

2.4　合理选用照明控制方式

合理的照明控制方式，不仅能给人类带来方便，还能达到节能的效果。

1)手动控制。一个开关控制的灯数不宜过多，如小型办公室宜每灯一开关，开关位置要合适，以便随手控制开关；根据不同功能场所设置开关，如按班组设开关，体育设施按不同运动项目分区设开关；靠窗一侧的灯具进行单独控制。

2)自动控制。采用调光、定时、光控、红外等开关进行自动控制，限制照明使用时间、调节照度等实现节电。如：定时开关可用于住宅楼梯照明、广告照明、标志灯、值班照明等；办公楼走廊区域的照明控制可采用红外传感器控制，达到人来灯亮人走灯灭的节能效果。

3)智能照明控制。智能照明系统主要由工作站、智能照明编程器、可编程开关控制器、控制面板、遥控器、手持式编程器及网络设备等部件组成。系统采用分布式照明控制系统，模块化结构，分散布置。该系统采用设置照明工作状态的方式，按时进行自动开、关照明，通过智能化管理使系统能最大限度地节约能源。如：办公楼中的会议室、报告厅、走廊、门厅等场所可优先考虑智能照明控制，以达到节能效果。

3　节能改造设计案例

3.1　项目概况

本项目为华南理工大学建筑设计研究院大楼改造，地处广州，太阳高度角大，日照较小，太阳辐射强烈。主要功能为办公，总建筑面积约3480m2。地上为3层，地下2层，为多层建筑。

3.2　光源的选择

1)展览厅、门厅、走廊、卫生间、接见室、休息厅、会议室、楼梯选用了LED光源。

2)办公室、网络机房、UPS房、打图室、茶水间、司机休息室、资料室、会议室选用了T5直管荧光灯和紧凑型荧光灯。

3.3　灯具的选择

1)展览厅、门厅、走廊、卫生间、接见室、休息厅、会议室、楼梯选用了保护罩灯具。

2)办公室、网络机房、UPS房、打图室、茶水间、司机休息室、资料室、会议室选用格栅灯具。

3.4　灯具附件的选择

本工程灯具附件选用了标准型3AAA牌电子镇流器。

3.5　控制方式的选择

1)本工程各楼梯照明采用了声光控制方式。

2)本工程小型办公室、秘书室、卫生间、强弱电间、打图室等场所采用翘板开关手动控制方式进行控制。

3)本工程新增了智能照明控制系统，主要控制区域分别有：大堂、公共区域、会议室、VlP会客室、较高档的办公室、总工室、展厅等。在主控室做集中管理与监控，达到节省用电又实现最佳的照明效果的目的，实现真正的智能管理。

3.6　智能照明区域控制功能详述

3.6.1　大堂

大堂(见图1)的照明控制采用了照度控制、调光控制、 中央控制及定时控制。可以根据外界自然光来控制靠窗的回路照明，在采光效果好并且比较隐蔽的地方配置照度传感器，用于自动感应控制外界的灯光。通过照度传感器感光控制靠近室外的照明回路，根据外界自然光的亮度自动开关控制。同时配合时钟控制模块对大堂的灯光进行场景切换，来取得最佳的照明效果。

图1　大堂智能照明效果图
Fig.1　The design sketch of intelligent lighting in the lobly

3.6.2　公共区域

走廊区域(见图2)的照明控制采用了红外传感器控制、调光控制，定时控制，中央控制。

通过时钟控制方式来控制走道的灯光，设置白天、傍晚、晚上、下半夜、高峰期等多个场景模式。同时走廊区域开启红外设备感应，实现人来灯亮人走灯灭的节能效果。

图2　走廊智能照明效果图
Fig.2　The design sketch of intelligent lighting in the corrider

3.6.3　会议室

会议室(见图3)的照明控制采用了面板控制、红外传感器控制、调光控制、空调、投影、窗帘控制的控制方式。

图3　会议室智能照明效果图
Fig.3　The design sketch of intelligent lighting in the meeting room

在会议室的入门处安装红外感应器，当感应器感应到有人推开会议室的门或走进会议室，就会向系统发送对应的场景打开空调，打开靠墙的槽灯， 方便使用人员寻找到安装在会议室门口位置的触摸屏。

工作人员可以根据需要手动选择会议模式、演讲模式、报告模式等等，也可以通过会议室里面的触摸屏，发送不同的模式来控制会议室内的灯光、投影幕的升降和窗帘的开关控制及空调的的开关控制。且会议室的灯光控制系统可以和窗帘、投影仪设备进行联动。

3.6.4　VIP会客室

VIP会客室(见图4)的照明控制采用了触摸屏控制、红外传感器控制、调光控制、空调控制。当红外感应器感应到人员来临，欢迎模式打开，空调打开，会议模式开启，这个时候红外感应设备会自动屏蔽。

图4　VIP会客室智能照明效果图
Fig.4　The design sketch of intelligent lighting in the VIP reception room

工作人员也可以根据需要手动选择场景。触摸屏安装在会议室门口位置，工作人员可以去按触摸屏而达到所需的模式，比如会议模式、演讲模式、报告模式等等。

3.6.5　较高档的办公室

此类办公室(见图5)的照明控制采用了红外传感器控制、空调控制、桌面蓝牙控制。

图5　领导办公室智能照明效果图
Fig.5　The design sketch of intelligent lighting in the leador’s office

当人员进入办公室，通过门口的的红外测距感应技术和进入办公室内红外探头感应到后，系统会自动开启室内的灯光、空调等设备；

进入办公室后，手机蓝牙会自动与桌面蓝牙相互匹配，匹配成功后，无线蓝牙会发送打开办公桌上灯光。当人员下班离开办公室或中途离开办公室时，手机蓝牙与桌面蓝牙链接断开，系统会自动关闭灯光和空调。

当没有蓝牙时，可通过座位一侧的红外测距探头来开启座位上灯光。

3.6.6　总工室

总工室(见图6)的照明控制采用了红外传感器控制、桌面蓝牙控制、空调控制。总工室门口安装红外测距设备进行感应控制。当人员进入，公共区域的灯光会自动打开；当人员走近办公桌时，桌面蓝牙发生感应， 桌面上灯光自动开启；当一名人员离开办公室，手机蓝牙与桌面蓝牙链接断开，他所在的办公区域灯光熄灭；当所有人员离开总工室，系统关闭所有灯光；当没有蓝牙时，可通过座位一侧的红外测距探头来开启座位上灯光。

图6　总工室智能照明效果图
Fig.6　The design sketch of intelligent lighting in the chief engineer office

3.6.7　展厅

展厅(见图7)的照明控制采用了红外传感器控制、 调光控制、集中控制。

参观人员进入展厅时，展厅开启欢迎模式，随着室内灯光逐渐亮起。

当人员靠近展台时，红外设备启动，展台的投射灯亮起；当人员离开展台时，灯光会自动熄灭。

图7　展厅智能照明效果图
Fig.7　The design sketch of intelligent lighting in the exhibition room

4　总结

通过以上对光源、灯具及附件、配电线路及控制方式、维护与管理等方面优缺点的综合比较，并结合岭南地区实际工程案例进行分析，在岭南历史建筑照明改造中，应在考虑最初投资与长期运行的综合经济效益的前提下，有以下建议：

1)优先选用高效节能光源；

2)优先选用高效节能灯具；

3)优先选用功率损耗低、性能稳定的灯用附件；

4)合理选用照明控制方式；

5)应定期的检查、维护照明光源、灯具、附件及线路。

参考文献

[1] 黄跃辉. 我国城市照明节能工作的思考和建议[J]. 建设科技，2012，16(5)：22.

[2] 中国城市规划设计研究院.历史文化名城保护规划规范(第2部分)术语：GB 50357—2005[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2005.

[3] 高光义. 照明光源的发展动态[J]. 建筑电气，2008，27(8)：26-28.

[4] 中国建筑科学研究院. 建筑照明设计标准：GB 50034—2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[5] 中国建筑东北设计研究院. 民用建筑电气设计规范：JGJ 16—2008[J].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[6] 广东省建筑科学研究院. 公共建筑节能设计标准(广东省实施细则)：DBJ15-51—2007[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[7] 刘兵. 民用建筑照明节能改造中LED节能效果分析[J].建筑电气，2013，32(7)：62-64.

Lighting Energy Saving Technology in the Reconstruction of Historical

Buildings in South of the Five Ridges

Yu Yang，Chen Huajian

(Architectural Design & Research Inst.， South China University of Technology, Guangzhou 510640，China)

Abstract：The paper elaborates the south of the Five Ridges historical architecture lighting situation, and puts forward the main problems of lighting energy saving. It carries on the analysis from various aspects, including the light source, lamps and accessories, power circuit and control mode, maintenance and management and other aspects. It combines with case analysis to explore the main measures for energy saving of electrical lighting.

Key words:the south of the Five Ridges; historical architecture；electric transformation；energy-saving; illumination design

基金项目：广东省重大科技专项历史建筑绿色智慧节能改造的技术集成与示范项目(2012A010800028)

中图分类号：TM923

文献标识码：A　　

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2016.01.008