照明節能設計探討

▲中國中元國際工程公司 劉宗東

引言

節能減排就是節約能源、降低能源消耗、減少污染物排放。隨著工業化、城鎮化進程加快和消費結構持續升級，我國能源需求呈剛性增長，受國內資源保障能力和環境容量制約以及全球性能源安全和應對氣候變化影響，資源環境約束日趨強化。因此，政府把節能減排作為調整經濟結構、轉變經濟發展方式、推動科學發展的重要抓手和突破口。《國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》提出了到2015年單位國內生產總值能耗比2010年降低16%，主要污染物排放總量減少10%左右的約束性指標。

建筑領域是能源和資源高消耗領域，據測算，建筑在建材生產環節耗能約占20%，建造環節耗能約占1.5%，建筑使用過程耗能約占28%。建筑領域節能減排對于建設低碳社會，實現可持續發展顯得尤為重要。

住房與城鄉建設部作為行業行政主管部門，對節能減排工作非常重視，每年都會開展全國建設領域節能減排監督檢查，選派建筑、暖通、供熱、照明、污水處理及垃圾處理等方面專家組成督查組，由部委辦領導親自帶隊前往全國各地，通過聽取匯報、查閱資料、抽調施工圖設計文件和工程現場實地檢查等方式，對建筑節能、供熱計量、城市照明、城鎮污水處理及生活垃圾處理等方面進行監督檢查。民用建筑項目的檢查按公共建筑和居住建筑兩大類分別進行，檢查的工程從在建和竣工項目中隨機抽取。督查組在檢查審閱施工圖設計文件的時候，相關的設計人員、專業負責人及施工圖審查人員需到場，以便接受督查專家的質詢。督查專家根據住房與城鄉建設部統一制定的“節能設計文件檢查表”，逐項逐條地進行評價打分，最后得出綜合評價，指出存在的問題和不足，必要時下發行政執法通知書。

作為首都建筑設計行業的行政主管部門，北京市規劃委員會勘察設計管理辦公室每年會不定期地組織建筑節能施工圖設計文件專項抽查。由建筑、暖通及電氣三個專業的設計專家組成抽查小組，從本市已經通過施工圖設計文件審查并取得合格書的房屋建筑設計項目中隨機抽取。以民用建筑為主，按公共建筑和居住建筑兩大類分別抽查，內容包括建筑節能設計是否符合國家及地方節能設計方面的規范、標準；是否嚴格執行市規發〔2008〕112號“《北京市建筑節能設計計算文件編制要求》的通知”。各有關的設計單位及施工圖審查機構對節能專項抽查的初步意見進行核實，并提出反饋意見。審查小組經認真研究形成抽查最終意見，相關設計人員應按最終意見對施工圖設計文件進行整改并送施工圖審查機構確認。

對于電氣專業，建筑節能設計檢查主要是圍繞著照明節能。下面就照明節能設計檢查中經常遇到的問題進行探討。

1 光源選擇

檢查中發現，有的設計文件將1 200mm直管熒光燈的功率標注為40W，容易被認為采用了粗管徑的T12熒光燈；點光源的功率標注為40W或60W，可能會被認為采用了普通照明用白熾燈。

光源選擇的原則是：高光效、壽命長、顯色性好。雖然價格可能較高，造成一次投資增加，但使用數量減少、運行維護費用降低，技術經濟綜合評價還是合理的。

各種電光源的光效、顯色指數、色溫和平均壽命等技術指標見表1。

1.1 白熾燈

普通照明白熾燈雖然具有瞬時啟動、安裝維護簡便、顯色性好及價格低廉等優點，但其光效低、且壽命短。因此，《建筑照明設計標準》GB 50034-2004第3.2.3條規定“一般情況下，室內外照明不應采用普通照明白熾燈；在特殊情況下需采用時，其額定功率不應超過100W。”采用緊湊型熒光燈替代普通照明白熾燈光效可提高4～6倍。

2011年11月1日，國家發展改革委、商務部、海關總署、國家工商總局、國家質檢總局聯合印發《關于逐步禁止進口和銷售普通照明白熾燈的公告》（以下簡稱《公告》），決定從2012年10月1日起，按功率大小分階段逐步禁止進口和銷售普通照明白熾燈。逐步淘汰白熾燈的進程分為五個階段：2011年11月1日至2012年9月30日為過渡期；2012年10月1日起禁止進口和銷售100W及以上普通照明白熾燈；2014年10月1日起禁止進口和銷售60W及以上普通照明白熾燈；2015年10月1日至2016年9月30日為中期評估期；2016年10月1日起禁止進口和銷售15W及以上普通照明白熾燈，或視中期評估結果進行調整。

表1 各種電光源的技術指標

表2 粗、細管徑熒光燈技術對比

1.2 熒光燈

《建筑照明設計標準》GB 50034-2004第

3.2.3 條規定，高度較低的房間及場所宜采用細管徑直管形熒光燈。細管徑是指管徑≤26mm的直管形熒光燈，如T8、T5熒光燈等；粗管徑是指熒光燈管徑為38mm以上的熒光燈，如T12熒光燈等。細管徑熒光燈的光效提高，汞用量減小，有利于環保；并且細管徑更易于使用三基色熒光粉。表2給出了粗、細管徑熒光燈的技術對比。

熒光燈玻管內壁涂敷的熒光粉是熒光燈的關鍵材料之一，其好壞直接關系到熒光燈的光效、光通維持率、色溫及顯色性等。熒光粉通常分為鹵磷酸鈣（簡稱鹵粉）和稀土三基色兩種。稀土三基色熒光粉的光效高，比鹵粉提高約17%～30%；顯色性好，從鹵粉的60～72提高到80～98；壽命長，約提高50%～100%，并且抗短波紫外線的能力強。雖然三基色熒光燈價格比鹵粉熒光燈貴，但在相同照度條件下，使用燈管數量減少，從而使建設投資降低，運行費用減少。因此，用三基色熒光粉取代傳統的鹵磷酸鈣熒光粉，是提高熒光燈光效的重要措施。京建發[2010]326號文“發布《北京市推廣、限制和禁止使用禁止材料目錄（2010年版）》的通知”的規定：除頻繁啟動場所外禁止使用白熾燈和鹵素燈；禁止使用鹵粉熒光燈及熒光燈類一般型電感鎮流器。

選擇熒光燈時應盡量采用不小于4ft（1.2m）長的直管形熒光燈。2ft（0.6m）18W的T8直管形熒光燈比36W的T8直管形熒光燈多耗電31%（配電子鎮流器）～45%（配節能型電感鎮流器），而且初建費要增加30%～60%，另外25W以下熒光燈所配電子鎮流器的3次諧波含量也很大。

1.3 金屬鹵化物燈

高大空間場所使用金屬鹵化物燈，應選用陶瓷內管金屬鹵化物燈，與石英金屬鹵化物燈相比，顯色性從65提高到85，光效提高8%～20%，壽命延長10%～15%。

2 鎮流器選擇

檢查中發現，有的設計文件電感鎮流器未注明采用“節能型”，鎮流器未注明“應符合該產品的國家能效標準”。

《建筑照明設計標準》GB 50034-2004第3.3.5條規定：自鎮流熒光燈應配用電子鎮流器；直管形熒光燈應配用電子鎮流器或節能型電感鎮流器；高壓鈉燈、金屬鹵化物燈應配用節能型電感鎮流器，功率較小者可配用電子鎮流器。

熒光燈和高強氣體放電燈的鎮流器分為電感式和電子式兩大類，電感式包括普通型和節能型。傳統普通型電感鎮流器雖然結構簡單、安全系數高、堅固耐用、價格低廉，但噪聲高、功耗大（自身功耗占光源功率的10%～11%），已不符合照明節能的要求。隨著鐵芯材料質量、生產工藝技術、工裝設備的提高和完善，使得工頻電感鎮流器的能效和質量全面提升。尤其E型、環形、補償性電感鎮流器由傳統普通型到節能型，自身功耗大大減少，節能約40%以上，已接近電子鎮流器的水平。節能型鎮流器具有溫升小、耐瞬間過電壓沖擊、浪涌電流小，過載能力強、波峰比好、安全可靠、穩定性好、光效比高等優點。

熒光燈用電子鎮流器一般使用20～60kHz頻率供給燈管，使燈管光效比工頻提高約10%（按長度為4ft的燈管），且自身功耗低，使燈的總輸入功率下降約20%，具有更好的節能效果。電子鎮流器消除了頻閃和噪聲，發光穩定，有利于提高視覺分辨率，降低連續作業的視覺疲勞，保護視力。對于需要調光的場所，采用配可調光電子鎮流器的高效熒光燈替代白熾燈或鹵鎢燈，可實現2%～100%的大范圍調光。

熒光燈的管徑越細，啟輝點燃電壓越高，電感鎮流器不能可靠啟動T5燈管。對于功率≤150W的金屬鹵化物燈和高壓鈉燈配用電子鎮流器，可以節能。但功率≥250W時，采用高頻點燈不僅沒有使高強度氣體放電燈的光效有所提高，反而有所下降，未必節能。實際使用中，往往會因為種種原因需要把鎮流器安裝在遠離光源的地方。電感鎮流器只要導線截面積足夠，導線電阻約占鎮流器等效阻抗的0.5%以下時，幾乎不會影響光源的正常工作，這一距離一般可達50m左右。而電子鎮流器由于是高頻輸出，輸出導線的高頻感抗較大，當燈與鎮流器距離達到5m時，因導線高頻阻抗較大會使光源的輸出功率明顯下降約3%～8%，并且電子鎮流器輸出導線的加長還會使對外干擾（EMI）明顯上升并超過標準限值。

選擇電子鎮流器應特別注重其諧波含量。《管形熒光燈用交流電子鎮流器性能要求》GB/ T 15144-2009已經取消了94年版對電子鎮流器的分級（L級和H級）的規定，其諧波限值應符合《電磁兼容限值 諧波電流發射限值》GB17625.1-2003（設備每相輸入電流≤16A）。該標準第7.3條給出了C類設備（照明設備）的諧波電流限值，如表3所示。

表3 C類設備（照明）的諧波電流限值（燈的有功功率大于25W）

設計中應注意表3注中25W及以下燈管的諧波限值非常寬松，如果一個建筑物內大量采用這種小功率熒光燈（包括長度2ft的T8、T5燈管和緊湊型熒光燈），將導致嚴重的波形畸變，中性線電流過大以及線路功率因數降低等不良后果。

鎮流器能效標準應符合《管形熒光燈鎮流器能效限定值及能效等級》GB 17896-2012、《高壓鈉燈用鎮流器能效限定值及節能評價值》GB 19574-2004、 《金屬鹵化物燈用鎮流器能效限定值及能效等級》GB 20053-2006。其中能效是強制性的，凡不滿足限定值要求的均為不合格產品。

3 燈具選擇

檢查中發現，有的設計文件沒有明確燈具的效率。

燈具除了具有固定保護光源、裝飾環境、將光源及其附件與電源可靠連接的功能外，還擔任著對光源產生的光通量進行重新分配、定向控制及防止眩光等重要作用。

燈具效率（燈具光輸出比）是指在規定條件下，工作面或參考面上測得的燈具所發射的光通量值與燈具內所有光源發出的光通量測定值之和的比值。它反映了燈具對光的利用程度，效率越高，光源光通量的利用率就越高。《建筑照明設計標準》GB 50034-2004第3.3.2條規定，在滿足眩光限制和配光要求條件下，應選用效率高的燈具。并且，從節能考慮對熒光燈燈具和高強度氣體放電燈燈具的效率規定了下限值，見表4、表5。

4 照度及照明功率密度

檢查中發現，有的設計文件沒有照度計算值或照度計算值超出規范標準值的±10%；照明安裝功率只考慮了光源功率，遺漏鎮流器或其他光源附屬裝置的功率或功耗取值偏大；照明面積按房間軸線面積計算而未按凈面積計算，造成照明功率密度計算值超出規范限定值。

表4 熒光燈燈具的效率下限值

表5 高強度氣體放電燈燈具的效率下限值

4.1 照度計算

照度是照明的數量指標，《建筑照明設計標準》GB 50034-2004中所規定的照度標準值均為作業面或參考平面上的維持平均照度值，它等于照明裝置新裝時的平均照度乘上維護系數（又稱為減光系數，室內取80%、70%或60%）。實際設計中，除了滿足規范第4.1.3條和4.1.4條時可按照度標準值分級提高或降低一級以外，不能隨意選用、更改其他分級的照度標準值，或規范照度標準值分級中未規定的某一照度值，如260lx、400lx等。

平均照度的常用計算方法是利用系數法，它適用于燈具均勻布置、墻和天棚反射系數較高、空間無大型設備遮擋的室內一般照明。新裝時作業面或參考平面上的平均照度等于單位受照面積上的全部光源的總光通量乘以利用系數。

利用系數法是投射到工作面或參考面上的光通量與從全部光源發射出的光通量之比，其數值與下列因素有關：

1）燈具的型式、光效及配光特性。

2）燈具的懸掛高度。懸掛越高，反射光通量越多，利用系數也越高。

3）房間的面積及形狀。房間面積越大，越接近于正方形，則直射光通量越多，利用系數也越高。

表6 照明節能設計判定表

4） 墻壁、天棚及地板的顏色和潔污狀況。顏色越淺，表面越潔凈，反射的光通量越多，利用系數也越高。

利用系數是燈具光強分布、燈具效率、房間形狀、室內表面反射比的函數，計算比較復雜。通常，由燈具生產廠家提供的光度數據表查表獲得。

照度計算時考慮到布燈的需要、光源功率和光通量不是連續變化的實際情況，規范對于10個燈具以上的照明場所，照度設計值與標準值允許有±10%的偏差；當燈具小于10個時，允許適當超過此偏差。

4.2 照度功率密度計算

一般照明的照明功率密度值（W／m2）是建筑照明節能的評價指標，它是單位面積上照明安裝功率（包括光源、鎮流器或變壓器），對提高照明能效，節約能源有重大的意義。

《建筑照明設計標準》第6章規定了七類建筑中85種最常用、量大面廣的房間或場所的照明功率密度值（LPD）上限值，除居住建筑外，其他建筑的照明功率密度值均為強制性的，實際設計中不得突破。

對于根據《建筑照明設計標準》GB 50034-2004第4.1.3條和4.1.4條提高或降低一級照度標準值的情況，照明功率密度值應隨之改為調整后的照度分級所對應的數值；對于裝飾性燈具，只將其總功率的一半計入照明功率密度值的計算；設有重點照明的商店營業廳樓層，其照明功率密度值可每平方米增加5W。北京市的公共建筑項目，還應按《公共建筑節能設計標準》DB11／687-2009第6.2.1條的要求，在設計文件中以照明節能設計判定表的形式，見表6，對國家強制性條文規定的房間或場所的實際LPD值進行驗算。

通過推導，照明功率密度值與維護平均照度存在如下關系：

式中：LPD ——照明功率密度；

Eav——維護平均照度；

K ——維護系數；

U ——利用系數；

ηS——光源光效、光源光通量與其安裝功率（包括光源、鎮流器或變壓器的功率總和）之比。

由⑴式可知，一旦房間或場所選定，Eav和K便確定了，若要降低LPD值就應從光源光效ηS和利用系數U入手。首先提高光源的光效，包括降低鎮流器或變壓器的功耗；另外提高利用系數，包括選用高效率燈具、選擇與房間相適應的燈具配光，合理提高房間墻面、天棚和地面的反射比。

5 結語

我國照明用電約占全社會用電量的12%左右，節能減排潛力巨大。照明節能設計作為建筑節能設計的重要組成部分，需要不斷深入研究，充分理解領會規范標準的節能要求，并在實際設計中嚴格貫徹執行。

以上是筆者的粗淺認識，不當之處敬請廣大同行批評指正、不吝賜教。

[1]中國建筑科學研究院. GB 50034－2004 建筑照明設計標準[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2004.

[2]中國建筑科學研究院. JGJ／T 119－2008 建筑照明術語標準[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2008.

[3]中國建筑東北設計研究院. JGJ 16－2008 民用建筑電氣設計規范[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2008.

[4]中國建筑標準設計研究院. 全國民用建筑工程設計技術措施－電氣節能專篇[M]. 北京：中國計劃出版社，2007.

[5]北京市建筑設計研究院. DB11/ 687－2009 公共建筑節能設計標準[S]. 北京：北京市建筑設計標準化辦公室，2010.

[6]北京照明學會照明設計專業委員會. 照明設計手冊[M]. （2版）北京：中國電力出版社，2006.