書架照明的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

李　媛，王書曉，羅　濤

(中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京　100013)

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書架照明的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

李媛，王書曉，羅濤

(中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京100013)

摘要：圖書館建筑書架照明不僅要滿足《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50034—2013對(duì)照明數(shù)量、質(zhì)量的要求，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)節(jié)能。本文選取7款不同的燈具配光應(yīng)用在典型行道寬度的書架照明中，通過模擬計(jì)算比較研究了不同行道寬度時(shí)燈具配光的三個(gè)指標(biāo)——光束角θ、光強(qiáng)比Imax/I30、區(qū)域光通比η4,5,6與光通利用率U的關(guān)系，最終提出書架照明節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)燈具配光選型的建議，以及燈具光通量參考值和書架垂直面照明功率密度參考值。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)節(jié)能；光通利用率；燈具配光；書架照明；LED 平面燈具

引言

根據(jù)2012年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)共有縣級(jí)以上公共圖書館3076個(gè)，高校系統(tǒng)圖書館1100多個(gè)，科研專業(yè)圖書館8000多個(gè)，其中公共圖書館有85%建于1995年以前[1]，建設(shè)年代久，照明設(shè)施陳舊，光環(huán)境質(zhì)量下降,照明能耗過高。在這些大型公共圖書館中，藏書區(qū)使用面積比例占30～35%[2]，且照明安裝功率通常很大，蘊(yùn)藏著較大的節(jié)能潛力。據(jù)相關(guān)研究[3]測(cè)量與調(diào)查結(jié)果可知，書庫照明能耗過高，基本書庫LPD范圍為9～36W/m2，輔助書庫LPD范圍為8～37 W/m2。主要原因有：技術(shù)落后、光源光效低(光源多采用鹵粉T8熒光燈)；垂直面照度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)；布燈方式未考慮書架排列，光通利用率低；采用的燈具配光選型不合理。在確定合理的照明數(shù)量質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并且采用能效更高的燈具的前提下，光通利用率越高，LPD 越低，節(jié)能效果越好。一方面布燈方式和燈具配光是直接影響照明系統(tǒng)光通利用率(利用系數(shù))的因素。另一方面光通利用率與室形指數(shù)密切相關(guān)，書架照明反映室形指數(shù)的指標(biāo)是書架間行道寬度，這不僅直接關(guān)系到書庫的LPD(行道窄LPD高)，而且與不同燈具配光組合還會(huì)影響書架垂直面的照度和均勻度。

另一方面，半導(dǎo)體照明技術(shù)在顏色科學(xué)、光學(xué)、能效、調(diào)光、數(shù)字控制幾個(gè)技術(shù)層面的突破促進(jìn)了LED燈在室內(nèi)照明應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展，結(jié)合LED照明產(chǎn)品特征，實(shí)現(xiàn)照明設(shè)計(jì)的創(chuàng)新是今后的發(fā)展趨勢(shì)。LED燈具和傳統(tǒng)燈具在配光設(shè)計(jì)上存在區(qū)別，因此有必要對(duì)各種在主流光源為熒光燈的技術(shù)背景下提出設(shè)計(jì)方法重新進(jìn)行審視。

本文選取7種不同配光的LED平面燈應(yīng)用于幾種典型行道寬度的書架照明，通過模擬計(jì)算，分析討論了燈具配光與照明數(shù)量、質(zhì)量、光通利用率的關(guān)系，最終提出燈具配光選型技術(shù)要求、提出燈具光通量參考值；提出書架照明功率密度參考值，為同類型建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1研究現(xiàn)狀

1.1照明標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

表1　國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的書庫、書架照度標(biāo)準(zhǔn)值比較[4]

表2　圖書館建筑書庫、書架照明標(biāo)準(zhǔn)值[5]

1.2設(shè)計(jì)方法現(xiàn)狀

國(guó)外關(guān)于書架照明設(shè)計(jì)研究的關(guān)注點(diǎn)多為智能開關(guān)或調(diào)光與節(jié)能，而關(guān)于燈具配光選擇的相關(guān)研究鮮見。對(duì)于普通書庫照明，一般采用平行行道方向布燈，將書架照明用燈安裝在書架間行道上空。基于平行行道的這種布燈方式，相關(guān)設(shè)計(jì)導(dǎo)則[6]建議：書架間行道照明的專用燈具宜具有窄配光光強(qiáng)分布特性。燈具在橫向(A-A方向)應(yīng)盡量減少30°～60°區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)分布，提高下部書架的垂直照度，一般宜滿足

(1)

式中：I0為燈具在0°方向上的光強(qiáng)值(最大值)；I30為燈具在30°方向上的光強(qiáng)值。

該設(shè)計(jì)方法以提高書架下部照度為目的，提出了描述書架照明推薦燈具光強(qiáng)分布特性的三個(gè)指標(biāo)——光束角θ、光強(qiáng)比I0/I30(Imax/I30)和區(qū)域光通量Φ4,5,6的建議。依據(jù)北美照明設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)區(qū)域光通比[7]的定義，本文采用η4,5,6這一指標(biāo)進(jìn)行研究，該指標(biāo)是指燈具發(fā)射到30°～60°區(qū)域內(nèi)的光通量與燈具發(fā)出的總光通量之比，按式(2)計(jì)算。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：η4,5,6燈具在30°～60°錐角范圍內(nèi)的區(qū)域光通比；ΦN為燈具在第N個(gè)區(qū)域錐角范圍內(nèi)的區(qū)域光通量。北美照明設(shè)計(jì)手冊(cè)將燈具光強(qiáng)分布從最低點(diǎn)到頂點(diǎn)按每10°劃分，定義了18個(gè)圓錐立體角；IθN為燈具第N個(gè)區(qū)域的光強(qiáng)；θN,θN+1為燈具第N或第N+1個(gè)區(qū)域邊界的錐角；Iθ為某一錐角的平均光強(qiáng)；Iθ,0°、Iθ,45°、Iθ,90°為某一錐角在0°、45°、90°三個(gè)方向上的光強(qiáng)值。

該設(shè)計(jì)方法是在主流光源為熒光燈的技術(shù)背景下提出的，LED和熒光燈在燈具配光設(shè)計(jì)上存在區(qū)別，隨著LED照明技術(shù)及其在室內(nèi)照明應(yīng)用中的發(fā)展，有必要對(duì)該設(shè)計(jì)方法重新進(jìn)行審視。

2節(jié)能優(yōu)化研究方案

2.1研究方法

其中，光通利用率是按下式計(jì)算得到的：

(6)

(7)

2.2書架模型

本文根據(jù)圖書館建筑相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定[8]，參考《圖書館建筑設(shè)計(jì)手冊(cè)》，另一方面考慮到我國(guó)圖書館目前由閉架管理向開架管理發(fā)展，行道加寬的趨勢(shì)，分別建立7種典型行道寬度的書架模型，如圖1所示。書庫凈高3m，頂棚、墻面和地面的反射比分別取0.7、0.5、0.3。開架書庫書架高度取1.8m，閉架書庫書架高度取2.1m。燈具安裝位置應(yīng)滿足安全、防火的要求，燈具與文獻(xiàn)藏品等易燃物的垂直距離不應(yīng)小于0.5m[7]，因此燈具安裝高度根據(jù)書架高度確定。燈具安裝間距應(yīng)滿足均勻度和節(jié)能要求的最大允許距高比。

2.3燈具模型

本文選取7種燈具配光的 LED平面燈進(jìn)行比較研究，根據(jù)IES文件計(jì)算得到反映燈具光強(qiáng)分布特征的三個(gè)指標(biāo)：垂直書架方向上的光束角θ、光強(qiáng)比Imax/I30、立體角30°～60°范圍內(nèi)的環(huán)狀光通比η4,5,6。在構(gòu)建燈具模型時(shí)還考慮了最大光強(qiáng)的夾角和對(duì)稱一側(cè)的光束角，所有配光特征指標(biāo)見表3。

表3　7種燈具的配光特征指標(biāo)

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1燈具配光與書架照明數(shù)量質(zhì)量及光通利用率

根據(jù)表4的條件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析得到：

表4　計(jì)算條件

圖2　不同行道寬度燈具配光與書架下部垂直照度的關(guān)系(燈具最大光強(qiáng)夾角≤40°)Fig.2　The relation between distribution of luminous intensity and vertical illuminarce at the bottomof book stack for different aisle width(燈具最大光強(qiáng)夾角≤40°)

2)光強(qiáng)比Imax/I30、區(qū)域光通比η4,5,6與光通利用率U：

圖3　不同行道寬度燈具配光與書架下部垂直照度的關(guān)系(燈具最大光強(qiáng)夾角>40°)Fig.3　The relation between distribution of luminous intensity and vertical illuminarce at the bottomof book stack for different aisle width(燈具最大光強(qiáng)夾角>40°)

圖4　不同行道寬度燈具區(qū)域光通比與光通利用率的關(guān)系Fig.4　The relation between proportion of flux and utilance for different aisle width

圖5　不同室形指數(shù)燈具配光與光通利用率Fig.5　The relation between distribution of luminous intensity and utilance for different aisle width

將兩類燈具分析結(jié)果綜合，并結(jié)合3.1節(jié)，在滿足標(biāo)準(zhǔn)值要求的前提下，行道寬度≤1.2m時(shí)為保證較高光通利用率燈具的光強(qiáng)比應(yīng)滿足1≤Imax/I30<1.5；且不同行道寬度為達(dá)到較高光通利用率η4,5,6應(yīng)取不同值。

3)燈具光束角θ：

如圖6所示，隨著燈具光束角增加，配光類型由窄配光變?yōu)橹械扰涔猓鞣N行道寬度的書架垂直面照度均勻度均有不同程度的下降，且由于光束角與行道寬度適宜程度不同，照度均勻度與標(biāo)準(zhǔn)值0.4的接近程度也不同。同時(shí)，如圖7所示，在本文所選的窄配光和中等配光的光束角范圍內(nèi)，行道較寬時(shí)，書架垂直面光通利用率隨光束角增大均逐漸提高；行道較窄時(shí)，光通利用率隨光束角增大有小幅提高，然后逐漸降低。

圖6　光束角與照度均勻度的關(guān)系Fig.6　The relation between beam angle and uniformity ratio of illuminance

圖7　光束角與光通利用率的關(guān)系Fig.7　The relation between beam angle and utilance

大于1m的幾種行道寬度也存在同上的問題，即中等配光時(shí)光通利用率高但照度均勻度不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，因此采用中等配光的燈具需提高對(duì)稱一側(cè)配光的光束角(36°)來提高均勻度。

3.2書架照明燈具光通量

行道寬度/m書架高度/m0.75～11.8～2.1光通量參考值/lm1500、2000

按照燈具效能95lm/W進(jìn)行計(jì)算, 如圖9所示。隨著光通利用率的提高，書架、書庫LPD均能得到不同程度的降低。達(dá)到同一光通利用率時(shí)，行道1m寬的書架LPD略高于行道窄的情況；如按書庫計(jì)算LPD，則達(dá)到同一光通利用率時(shí)，行道0.75m的閉架書庫LPD高與行道寬的開架書庫，這僅是由于書架排列決定的燈具數(shù)量造成的。滿足標(biāo)準(zhǔn)要求基礎(chǔ)上，本文模擬可達(dá)到的光通利用率最高值時(shí)，行道寬1m，高1.8m書架的LPD和行道寬0.75m，高2.1m書架的LPD均可做到1.5W/m2。將書架垂直面的LPD折算為書庫LPD，隨光通利用率不同，開架書庫LPD在4～6W/m2，閉架書庫LPD在6～8W/m2，與現(xiàn)狀(9～36W/m2，8～37 W/m2)相比有大幅降低。

圖9　書庫、書架照明功率密度Fig.9　Book stack lighting power density

一方面由于書庫LPD除與設(shè)計(jì)相關(guān)，還與書架排列、行道間距等因素相關(guān)；另一方面，書架照明標(biāo)準(zhǔn)以書架立面垂直照度及均勻度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此建議以書架垂直面的照明功率密度進(jìn)行書庫照明的設(shè)計(jì)節(jié)能評(píng)價(jià)。

4結(jié)語

書庫照明標(biāo)準(zhǔn)值(50lx和0.4)是對(duì)照明數(shù)量質(zhì)量的最低要求，僅滿足該值不能保證書架垂直面具有較高的光通利用率，需進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1)關(guān)于書架照明燈具配光。已有研究為提高書架下部照度提出了θ、Imax/I30和η4,5,6三個(gè)指標(biāo)，本文在此基礎(chǔ)上，本文從滿足標(biāo)準(zhǔn)要求和提高光通

利用率降低LPD兩個(gè)角度，進(jìn)一步明確了已有研究的適用范圍；從節(jié)能優(yōu)化角度優(yōu)化了燈具配光指標(biāo)Imax/I30、η4,5,6的取值；補(bǔ)充了配光類型。依據(jù)行道寬度提出的選擇燈具配光參數(shù)的建議值見表6。存在問題：1)原設(shè)計(jì)方法的適用條件是較窄行道采用最大光強(qiáng)夾角為0°的燈具；2)以提高光通利用率為目的進(jìn)行燈具配光選型仍采用Imax/I30、η4,5,6并不恰當(dāng)；3)書架照明可選擇中等配光，條件是最大光強(qiáng)夾角>0°，并根據(jù)行道寬度和燈具安裝高度確定該夾角的角度，且采用中等配光時(shí)需增加對(duì)稱一側(cè)的光束角的技術(shù)要求。書架照明進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)僅依據(jù)這三個(gè)指標(biāo)選燈還不夠全面，尚需補(bǔ)充描述燈具配光的技術(shù)指標(biāo)，例如最大光強(qiáng)夾角>0°的這類燈具對(duì)稱配光一側(cè)的光束角及布燈影響書架垂直面的照度均勻度，應(yīng)進(jìn)一步研究。

表6　典型行道寬度書架照明燈具選型的配光參考值

2)本文根據(jù)典型的書架高度和行道寬度，給出燈具光通量推薦值。

3)建議以書架垂直面的照明功率密度進(jìn)行書庫照明的設(shè)計(jì)節(jié)能評(píng)價(jià)。

參考文獻(xiàn)

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Research on Energy-saving Design of Book Stacks Lighting

Li Yuan，Wang Shuxiao,Luo Tao

(ChinaAcademyofBuildingResearch，Beijing100013，China)

Abstract：Lighting for book shelf is not only evaluated with the lighting quantity, quality requirements on Libraries in GB 50034—2013Standardsforlightingdesignofbuildings, but also should be energy efficient lighting.7 different types of IES photometric data are chosen with application in the shelf lighting with typical aisle width.This paper concentrates on the relationships between the three parameters of optical performance—beam angleθ, the ratio of Imax/I30, proportion of flux in the solid angle zones of 30°～60°widthη4,5,6, and utilanceU. The reference value of optical performance，the luminous flux, LPD is proposed eventually for energy-saving optimization design.

Key words:energy-saving; utilance； distribution of luminous intensity; book shelf lighting; LED panel luminaire

基金項(xiàng)目：國(guó)家863課題“智能化半導(dǎo)體照明產(chǎn)品開發(fā)及其在節(jié)能建筑中的應(yīng)用”(2013AA03A111)

中圖分類號(hào)：TM923

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.002