照度（Eav）、照明功率密度（LPD）簡易計算法

2010-08-08 11:57:24胥正祥中國建筑設(shè)計研究院北京100044

智能建筑電氣技術(shù) 2010年4期

胥正祥（中國建筑設(shè)計研究院，北京 100044）

1 引言

節(jié)約能源與保護環(huán)境是當(dāng)今世界各國政府普遍關(guān)注的重大問題，它關(guān)系到人類社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，而照明節(jié)能在節(jié)約能源中有重要地位和舉足輕重的作用。在當(dāng)前我國對建筑節(jié)能要求越來越高的發(fā)展趨勢下，建筑的照明節(jié)能就顯得尤為重要。

目前圖紙審查單位，對施工圖紙審查時，要求在照明設(shè)計中，根據(jù)工程性質(zhì)，按照GB50034-2004《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的有關(guān)規(guī)定，確定主要房間及場所的標(biāo)準(zhǔn)照度值和功率密度值進行計算，將計算結(jié)果列表。為此，本文就照明光源、附件以及最基本的利用系數(shù)法計算平均照度，演變成簡易計算法進行介紹。

2 照明器具

2.1 熒光燈

熒光燈是應(yīng)用最廣泛、用量最大的氣體放電光源。它具有結(jié)構(gòu)簡單、光效高（90lm/W～109lm/W）、發(fā)光柔和顯色性好（Ra為82～95）、壽命長（1.2萬h～4.6萬h）等優(yōu)點。熒光燈的發(fā)光效率是白熾燈的4～5倍，壽命是白熾燈的3～8倍，是高效節(jié)能光源,已成為機關(guān)、學(xué)校、圖書館、科研院校、寫字樓等辦公場所的主要光源。

熒光燈按其陰極工作型式可分為熱陰極和冷陰極兩類。絕大多數(shù)普通照明熒光燈是熱陰極型；冷陰極型熒光燈多為裝飾照明用。

熒光燈按其外形又可分為雙端熒光燈和單端熒光燈。雙端熒光燈絕大多數(shù)是直管形，兩端各有一個燈頭；單端熒光燈外形眾多，如H形、U形、雙U形、環(huán)形、球形、螺旋形等，燈頭均在一端。

根據(jù)燈管的直徑不同，預(yù)熱式直管熒光燈有T12、T8、T6、T5等幾種。熒光燈的T是指管徑，T為1/8英寸，即1英分，合3.175mm。因此T12熒光燈的標(biāo)準(zhǔn)管徑為Φ38mm, T8熒光燈的標(biāo)準(zhǔn)管徑為Φ26mm, T6熒光燈的標(biāo)準(zhǔn)管徑為Φ19mm, T5熒光燈的標(biāo)準(zhǔn)管徑為Φ16mm。T12燈、T8燈可配電感式或高頻電子鎮(zhèn)流器；T6燈、T5燈采用電子鎮(zhèn)流器。推薦燈管：T8,T5,熒光燈管技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 熒光燈管技術(shù)參數(shù)

2.2 鎮(zhèn)流器

氣體放電燈的鎮(zhèn)流器主要分兩大類，電感鎮(zhèn)流器和電子鎮(zhèn)流器，電感式鎮(zhèn)流器包括普通型和節(jié)能型。熒光燈用的交流鎮(zhèn)流器包括可控式電子鎮(zhèn)流器和應(yīng)急照明用交流/直流電子鎮(zhèn)流器。

直管熒光燈鎮(zhèn)流器的選用：依GB50034-2004《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：“直管熒光燈應(yīng)配電子鎮(zhèn)流器或節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器”。不應(yīng)選用普通電感鎮(zhèn)流器。

電子鎮(zhèn)流器的應(yīng)用：適用于連續(xù)緊張作業(yè)場所、視覺條件要求高、特別安靜的場所，如：設(shè)計、教室、閱覽、病房、診室等。在需要調(diào)光的場所設(shè)置三基色熒光燈配可調(diào)光數(shù)字式鎮(zhèn)流器。

應(yīng)采取有效措施限制小于25W（包括T8、T5燈管和緊湊型熒光燈）鎮(zhèn)流器的諧波含量。25W以下燈管的諧波限制非常寬松，在建筑物內(nèi)大量應(yīng)用，將導(dǎo)致嚴重的波形畸變、中性線電流過大以及功率因數(shù)降低的不良后果。

節(jié)能型電感鎮(zhèn)流器的應(yīng)用：通過優(yōu)化鐵芯材料和改進工藝等措施，降低自身功耗，一般可降低20%～50%，燈具總的功率之和可降5%～10%。

燈具補償：由于電感鎮(zhèn)流器自然功率因數(shù)低，要考慮單燈末端補償措施。包括單燈補償或線路集中補償?shù)确绞健?/p>

表2 熒光燈鎮(zhèn)流器性能對比

3 照度、照明功率密度的計算

3.1 照度計算

照明設(shè)計時，應(yīng)逐個房間或場所按使用條件確定照度標(biāo)準(zhǔn)，選擇光源、燈具、鎮(zhèn)流器類型、規(guī)格、計算平均照度，使之符合規(guī)定的照度標(biāo)準(zhǔn)值，并使計算照度偏差不超過±10%的規(guī)定。最常用，也是最基本的利用系統(tǒng)法計算平均照度計算公式如下：

式中：

Eav— 工作面上的平均照度（lx）；

φ — 光源光通量（lm）；

N — 光源數(shù)量；

U — 利用系數(shù)，其值見廠商樣本資料，一般取0.4～0.6；也可參照民用建筑不同功能房間和常用燈具對應(yīng)的值（利用系數(shù)），見表3；

K — 燈具的維護系數(shù)，其值見《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50034-2004，表4.1.6 ；

A — 房間面積（m2）。

表3 民用建筑不同功能房間和常用燈具對應(yīng)的值（利用系數(shù)）

公式（1）是當(dāng)布置了燈具后，計算房間的照度。但開始時往往是需要確定房間中究竟需要多少個燈具，可以采用公式（2）進行計算。

對于房間中燈具數(shù)量的確定，經(jīng)常會遇到在公式（2）計算的基礎(chǔ)上再作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。例如計算出來某房間要布置11個燈具，具體布置時，無論橫豎怎么布置，總是無法使其有一定規(guī)律，因此可能要調(diào)整為12個燈具。當(dāng)進行適當(dāng)調(diào)整后，就與原來所計算的結(jié)果不相同，為此需要再利用公式（1）進行驗算，看其照度值是多少，是否超出規(guī)定照度值的±10%。上述是指手工計算的方式。

在日常的設(shè)計中，一般是采用計算機軟件進行計算。目前市場上計算機軟件主要有兩大類：一類是通常用來繪圖的計算機軟件，主要有博超、浩辰、天正等軟件公司的計算軟件；另一類是專業(yè)照明燈具廠商的計算軟件。前者通用性較強，而后者主要是廠商根據(jù)自己的產(chǎn)品進行計算，尤其是在大型公共建筑照明空間計算時顯得更為突出，如體育場館的照明計算、立面照明的照度計算、眩光值計算、等照度曲線繪制等。

3.2 照明功率密度（LPD）的計算

《建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB50034-2004規(guī)定6.1.1條居住建筑、6.1.2條辦公建筑、6.1.3條商業(yè)建筑、6.1.4條旅館建筑、6.1.5條醫(yī)院建筑、6.1.6條學(xué)校建筑、6.1.7條工業(yè)建筑為強制性條文。

照明功率密度（LPD），是指單位面積上的照明安裝功率（包括光源、鎮(zhèn)流器或變壓器），單位為W/m2。

LPD限制是規(guī)定一個房間或場所的照明功率密度最大允許值，設(shè)計中實際計算的LPD值不應(yīng)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，計算式如下：

式中：

P — 單個光源的輸入功率（含配套鎮(zhèn)流器或變壓器功耗）（W）；

PL — 單個光源的額定功率（W）；

PB — 光源配套鎮(zhèn)流器或變壓器的功耗（W）；

A — 房間或場所面積（m2）。

光源的光效ηs(含鎮(zhèn)流器)為：

從（5）式可知，要降低LPD值應(yīng)采取以下措施：

·提高光源的光效ηs，包括降低鎮(zhèn)流器功耗；

·提高利用系數(shù)U，就是要選用效率高的燈具，以及與房間室形相適應(yīng)的燈具配光，并注意合理提高房間頂棚、墻壁的反射比；

·合理確定照度標(biāo)準(zhǔn)值，設(shè)計中，計算照度應(yīng)盡量控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，并使計算照度偏差不超過標(biāo)準(zhǔn)值±10%。

只要精心設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計方案，定能實現(xiàn)規(guī)定的LPD指標(biāo)，從而達到節(jié)能的目的。有的設(shè)計人員沒有按照設(shè)計的先后順序，而是圖省事，即不作照度計算，而是將規(guī)定的LPD值（現(xiàn)行值）當(dāng)作單位面積安裝功率，用倒推法算出光源的數(shù)量，這是不對的。如普通辦公室標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的LPD現(xiàn)行值為11W/m2，若取小于此值如9 W/m2，然而倒推到房間的總功率，倒推到所需的燈具數(shù)量，永遠也不會違反強制性條文，布置省時省力，但由于沒有對照度進行詳細計算，雖然符合LPD值，但卻不知道照度是多少。有兩種極端情況出現(xiàn)：一是選用的光源等器材效率低，照度達不到標(biāo)準(zhǔn)，因沒有采用高光效的光源、高效率的燈具和附件，該房間的實際計算照度可能只有200lx。從表面上看是不違反強制性條文，但是如果把它換算到照度標(biāo)準(zhǔn)300lx時，該房間的LPD值為13.5 W/m2，超過現(xiàn)行值11W/m2，實際上它是違反了強制性條文了。

另一種情況是，選用了高效光源及附件，如果用倒推法取用的LPD值接近于現(xiàn)行值，則房間的實際計算照度要比標(biāo)準(zhǔn)值大得多，如普通辦公室的實際照度將達到近500lx，大大超過了標(biāo)準(zhǔn)值300lx，造成電能消耗。

LPD值指標(biāo)只是規(guī)定了一個最高的現(xiàn)行值，并非要大家用足LPD現(xiàn)行值，而是在達到相同的標(biāo)準(zhǔn)值，要求設(shè)計人員在相似的照明質(zhì)量的前提下，力求使LPD值的指標(biāo)越低越好，這才是節(jié)能的本意。

4 照度（Eav）、照明功率密度（LPD）簡易計算法

照度（Eav）、照明功率密度（LPD）簡易計算，是將常規(guī)的利用系數(shù)法計算平均照度繁瑣的過程簡化。為便于計算，將光通量Φ、利用系數(shù)U、維護系數(shù)K統(tǒng)一成有效光通量F=Φ·U·K列入表中；將光效ηs、利用系數(shù)U、維護系數(shù)K,統(tǒng)一以模糊系數(shù)M=ηs·U ·K 列入表中。如果知道屬于那類建筑的房間、建筑面積，查出標(biāo)準(zhǔn)照度值和功率密度值，擬選用光源的功率、光通量，即可由簡易計算表中查出有效光通量F和模糊系數(shù)M值，通過簡易計算法可算出光源數(shù)量、照度、照明功率密度值。照度（Eav）、照明功率密度（LPD）簡易計算法見表4。

表4 照度（Eav）、照明功率密度（LPD）簡易計算法表

注：

1）光源光效（含鎮(zhèn)流器）為ηs=φ/P，其中P為光源功率加電子鎮(zhèn)流器以4W計。

2）有效光通量F=φ·U·K；模糊系數(shù)M=ηs·U·K。

3）利用系數(shù)法計算平均照度公式Eav=φ·N·U·K/A=N·F/A，計算照度偏差不超過10%。

4）求燈數(shù)量N＝E·F/A；求照明功率密度LPD=Eav/M；其中：

Eav——照度計算值；E——規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)照度值。

5）辦公、學(xué)校類——包括辦公、會議室、文檔、閱覽、教室、實驗室、控制室等。

6）醫(yī)療、候車廳類——包括治療室、診室、病房、候車室等。

7）商業(yè)、售票廳、走道類——包括商店營業(yè)廳、候車室、影劇院、體育館、公共走道等。

8）上表是按格柵熒光燈，校正系數(shù)K=1.0，當(dāng)采用不用燈具類型時，應(yīng)乘以校正系數(shù)K。

表5 不同燈具類型的校正系數(shù)K

電子節(jié)能燈系列參數(shù)見表6；電子節(jié)能燈照度（Eav）、照明功率密度（LPD）簡易計算法見表7。

表6 電子節(jié)能燈系列技術(shù)參數(shù)

102700/4300/6400 >83500 12134.4578 Φ12132700/4300/6400 >83650 14134.4598 Φ12182700/4300/6400 >831100 15734.45114 Φ12（2針） 262700/4300/6400 >831500174.634.45131 Φ12102700/4300/6400 >83550 12134.4578 Φ12132700/4300/6400 >83800 14134.4598 Φ12182700/4300/6400 >83980 15734.45114 Φ12（4針） 262700/4300/6400 >831500174.634.45131 Φ12362700/4300/6400 >832100 410 43.7380 Φ17402700/4300/6400 >832510 535 43.7505 Φ17（H型）管徑(mm) 環(huán)管外徑(mm)22 6500 >821250 Φ16 Φ11828 6500 >821750 Φ16 Φ11832 6500 >822000 Φ16 Φ11840 6500 >822650 Φ16 Φ118插拔式節(jié)能燈插拔式節(jié)能燈T5三基色環(huán)型熒光燈插拔式節(jié)能燈國產(chǎn)

注：

1）電子節(jié)能燈性能：節(jié)能燈管采用三基色熒光粉，發(fā)光效率高、亮度有保證，壽命長，節(jié)能燈工作時無交流噪聲。無頻閃現(xiàn)象，保護視力。三次諧波含量低、對電網(wǎng)及其它用電設(shè)備無干擾。

2）色溫2700K可用在臥室及商場的蔬菜、食品、首飾、冬季服裝的照明、營造溫馨氛圍，最大限度地表現(xiàn)新鮮誘人的色澤；

3)色溫6400K適用于公共場所的辦公室、會議室、大廳、走道等場所，營造寧靜、清新的氛圍；

4)色溫4300K可廣泛用于各種場所，營造自然舒適的環(huán)境。

表7 電子節(jié)能燈照度（Eav）、照明功率密度（LPD）簡易計算法

注：

1）電子節(jié)能燈照度（Eav）、照明功率密度（LPD）簡易計算法中，有效光通量F=Ф·U·K，模糊系數(shù)M=ηs·U·K仍與前述做法相同，求Eav、N、LPD的方法也與前述相同。

2）辦公、學(xué)校類—包括辦公、會議室、教室、文檔、閱覽等，采用筒燈。利用系數(shù)U取0.6；維護系數(shù)取0.8。

3）醫(yī)療、候車廳類—包括治療室、診室、病房、候車室等，采用吸頂燈。利用系數(shù)U取0.5；維護系數(shù)取0.8。

4）商業(yè)、售票廳、走道類—包括商店、超市、展廳、專賣店、走道等，采用懸掛燈及筒燈。利用系數(shù)U取0.55；維護系數(shù)取0.7。

5） T5三基色環(huán)型熒光燈—適用于臥室、客廳、陽臺、樓道等。利用系數(shù)U取0.6；維護系數(shù)取0.8。

5 簡易計算法應(yīng)用舉例

1）一普通辦公室，長9m，寬5m，建筑面積為45m2，擬選用9根T8型36W直管型熒光燈（帶格柵熒光燈具，效率為60%），光通量為3350lm，均配電子鎮(zhèn) 流器，功耗為4W，U 取0.59，K 取0.8， ηs=3350/(36+4)=83.75，計算平均照度和LPD值。

按普通辦公室照度標(biāo)準(zhǔn)為300lx，經(jīng)上述計算結(jié)果為316lx，符合計算照度偏差10%的規(guī)定，滿足要求。計算LPD值為8≤11，滿足現(xiàn)行值要求。

如果上述教室條件不變，選用光通量為2750lm（國產(chǎn)），結(jié)果如何？

ηs=2750/(36+4)=68.75，計算平均照度和LPD值。

Eav=φ.U.K/A=9×2750×0.59×0.8/45=3259.6Lx

LPD=Eav/(ηs.U.K)=259.6/(68.75×0.59×0.8)=8

經(jīng)上述計算，平均照度為259.6lx，不符合照度偏差規(guī)定，LPD值為8，滿足現(xiàn)行值要求。

2）若上述教室條件不變，按照度、照明功率密度簡易計算法，結(jié)果如何？

取表中光源功率為36W，光通量為3350lm，按照辦公、學(xué)校類，表4查出F為1581，M為39.53，

經(jīng)計算照度滿足偏差10%規(guī)定；LPD值滿足現(xiàn)行值要求。

同理，取表中光源功率為36W，光通量為2750lm，按辦公、學(xué)校類，表4查出F為1298，M為32.452，

則Eav=N.F/A=9×1298/45=259.6lx；。

LPD=Eav/M=259.6/38.452=8。

3）普通中學(xué)的門廳、長7.2m、寬4m，面積為28.8m2。標(biāo)準(zhǔn)照度為200lx,擬選用18W螺旋管電子節(jié)能燈，燈具為筒燈。試計算燈具數(shù)量、照度和LPD值。查表6，螺旋管電子節(jié)能燈18W，Ф為980lm；查表7，螺旋管電子節(jié)能燈18W，ηs為54.444。

N=E·A/(Ф·U·K)=200×28.8/(980×0.6×0.8)=12.24燈具數(shù)目取12。

Eav=Ф ·N ·U ·K/A=980×12×0.6×0.8/28.8=196lx

LPD=Eav/(ηs·U ·K)=196/(54.444×0.6×0.8)=7.5

計算平均照度為196lx，符合計算照度偏差10%的規(guī)定，滿足要求。計算LPD值為7.5，滿足現(xiàn)行值要求。

4）若上述條件不變，按照度、照明功率密度簡易計算法，結(jié)果如何？

螺旋管電子節(jié)能燈18W，按表7辦公、學(xué)校類，查出F為470.4；M為26.133。

N=E ·A/F=200×28.8/470.4=12.24. 燈具數(shù)目取12

Eav=N ·F/A=12×470.4/28.8=196 lx。

LPD=Eav/M=196/26.133=7.5

計算照度、LPD值與上述相同。

5）某酒店走廊，長20m、寬1.8m，面積為36m2。標(biāo)準(zhǔn)照度為50lx，擬選用13W插拔式節(jié)能燈（4針），燈具為筒燈。試計算燈具數(shù)量、照度和LPD值。查表5，插拔式節(jié)能燈（4針）13W中，Ф為800lm；查表7，插拔式節(jié)能燈（4針）13W，ηs為61.538。

N=E·A/（Ф·U·K）=50×36/(800×0.55×0.7)=5.84燈具數(shù)目取6。

Eav=Ф ·N ·U ·K/A=800×6×0.55×0.7/36=51.3lx

LPD=Eav/（ηs·U·K）=51.3/(61.538×0.55×0.7)=2.16

計算平均照度為51.3Lx，符合計算照度偏差10%的規(guī)定，滿足要求。計算LPD值為2.16，滿足現(xiàn)行值要求。

6）若上述條件不變，按照度，照明功率密度簡易計算法，結(jié)果如何？

插拔式節(jié)能燈13W，按表7商業(yè)、售票廳、走道類，查出F為308；M為23.692。

N=E ·A/F=50×36/308=5.84.取6 只燈。

Eav=N ·F/A=6×308/36=51.3lx

LPD=Eav/M=51.3/23.692=2.16