基于DIALux軟件的集控室照度計算及方案優化

別 睿，高 燕，姚 雯

(中南電力設計院，湖北 武漢 430071)

發電廠集控室作為發電廠的生產控制中心，其不間斷工作性質決定了需為值班人員提供優質的照明質量以及舒適愉快的光環境。室內照明設計需要考慮多方面的因素，而達到基本的照度要求需考量多方面的內容，不同的空間形式、不同的燈具配光、室內各表面有效反射率的差異都會影響室內照明一般照度的計算結果。如何快速且科學化地完成照明設計將是設計工作人員所面臨的關鍵問題。

在具體的照明設計中，通常是借助以往設計經驗來估算燈具數量和布置方式，常用的照度計算方法無法對照明設計結果進行檢驗。目前已被建筑行業廣泛應用的DIALux照明設計軟件，可相應地解決上述問題，為實際照明方案提供準確的照明指標，并作出相應的評價。

本文首先對常用照度計算方法進行了分析和比較，然后對DIALux照明計算軟件的特點進行了介紹。并以某2×350MW燃煤機組工程集控室照明設計為例，通過采用DIALux照明計算軟件對三個方案分別進行照度計算，并技術經濟比較后得出最優方案，為同類照明方案的確定和優化提供了參考和借鑒。

1 常用照度計算方法分析

1.1 利用系數法

利用系數法計算比較準確，考慮了由光源直接投射到工作面上的光通量和經過室內表面相互反射后再投射到工作面上的光通量。其計算公式為：

式中：Ec為工作面平均照度(lx)；φ為光源光通量(lm)；N為光源數量；CU為利用系數，取決于室形指數和房間反射情況；K為燈具維護系數；A為工作面面積。

1.2 逐點計算法

逐點計算法是指逐一計算附近各個光源對照度計算點的照度，然后進行疊加，得其總照度的計算方法。

圖1 逐點計算法計算示意圖

逐點計算法利用距離平方反比定律(又稱“照度定律”)：

任意傾斜面上的照度Eδ可以按下式(3)進行計算：

式中：E為照度計算點的水平照度；Iα為燈具照射方向的光強；l為光源與被照射點的距離；α為入射光線與垂直方向的夾角；δ為傾斜面與水平面的夾角；h為光源至水平面上的垂直距離；p為光源在水平面的投影至傾斜面與水平面交線的垂直距離。

1.3 單位容量法

單位容量法的依據也是利用系數法，是一種簡單的計算方法，只適用于方案設計時的近似估算。其中照明光源的比功率值，是指單位面積上照明光源的安裝功率，根據下式(4)進行計算。

還可以根據此方法，計算出燈具的數量，根據下式(5)進行計算：

式中：P0為光源的比功率；N為燈數；PN為每燈的額定功率；E為需求照度；A為受照房間面積；C1,C2為修正系數；φ為照明燈具光通量。

1.4 常用計算方法比較

根據前述對常用照度計算方法的分析，可以得出上述方法之間特點比較如表1所示。根據表中內容可以看出三種方法均有一定局限性：利用系數法及單位容量法無法反映具體照度分布，無法為方案優化提供參考；逐點計算法則只能計算直射照度，且每次只能計算某點照度。這些局限性限制了這些方法的深度應用。對于照明要求較高的場所，亟需一種簡便靈活、準確專業、計算速度和精度均能滿足要求的方法。

表1 常用照明計算方法特點比較

2 仿真案例研究

2.1 主要評價指標

根據DL/T5390－2014《發電廠和變電站照明設計技術規定》相關要求，得到集控室照明評價指標見表2。仿真建模中所設定的工作面為室內空間0.75 m水平面(辦公桌高度)；根據規范中所推薦參數，選取集控室維護系數為0.8。另外，為便于統一判定UGR值，選取值班組人員座位處為眩光值檢測點，方向選擇面對電視機墻。

表2 集控室照明評價指標

2.2 方案特點分析

本文主要采用DIALux照明計算軟件，該軟件使用精確的光度數據庫和先進專業的算法，計算結果十分接近于實際照明效果。以某2×350 MW燃煤機組工程集控室(長19.4 m×寬10.7 m×高4 m)為計算對象；并基于實際光源配光曲線信息，構建仿真環境。提出如下三個照明設計方案進行案例分析：

方案一：選用熒光燈光源(三管格柵燈具)，燈具布置采用圖2布置方式；

方案二：選用LED光源(三管格柵燈具)，燈具布置采用圖2布置方式；

方案三：選用LED光源(二管格柵燈具)，燈具布置采用圖3布置方式。

根據規范中對功率密度的要求以及房間面積大小，通過單位容量法計算初步確定選用表3規格的格柵燈和筒燈，結合室內空間分布特點，最終確定布置方式一的燈具數量見表3。方案一與方案二主要比較相同布置方案下，不同光源對照度分布的影響；方案二與方案三主要比較在光源相同情況下，不同布置方式對照度分布的影響。

圖2 布置方式一

圖3 布置方式二

表3 方案布置及參數

2.3 方案技術比較

2.3.1 方案一

根據前述確定的方案，完成對方案的DIALux照度計算，得到其燈光模擬偽色圖及照度等值線結果分別見圖4和圖5。照明指標計算結果見表4。

圖4 方案一照度偽色結果圖

圖5 方案一照度等值線結果圖

表4 方案一照明指標計算結果

在偽色效果圖上可看出辦公桌方向上有明顯光帶，光帶間照度較弱，部分區域照度明顯集中的情況。從等值線圖可看出工作臺附近的照度在560 lx以上，通道區域照度也在400 lx以上，平均照度為550 lx，滿足規范規定。根據計算結果，均勻度為0.639，統一眩光值以及功率密度值均滿足要求。

2.3.2 方案二

為比較熒光和LED光源效果，采取與方案一相同布置方式，并完成方案二的DIALux照度計算，可得到其燈光模擬偽色圖及照度等值線結果分別見圖6和圖7。室內空間有關照明指標計算結果見表5。

圖6 方案二照度偽色結果圖

圖7 方案二照度等值線結果圖

表5 方案二照明指標計算結果

根據偽色圖發現，由于本方案采用光角更寬的LED燈，照度區域更為柔和，且不存在方案一中部分區域明顯集中的光帶情況。集控室工作面最大照度為583 lx，較方案一其最大照度得到了良好地控制，從等值線分布情況可知整體均勻度更為良好。均勻度U0經過計算為0.664，滿足規范要求；功率密度值僅為方案一的1/2；另外，觀測點1和點2處UGR均為12，滿足規范要求。

由上可知，方案二以方案一功率密度值的1/2，基本上實現了方案一的照度水平，且部分照明指標更為優良。

2.3.3 方案三

為進一步深化比較布置方案對照明的影響，考慮將燈具布置方案調整為縱列布置，單個燈具功率與方案二相同。根據仿真計算，得到方案三燈光偽色結果圖和等值線結果圖見圖8和圖9。室內空間各部分區域的有關照明指標計算結果見表6。

圖8 方案三照度偽色圖

圖9 方案三照度等值線結果圖

表6 方案三照明指標計算結果

根據偽色圖可看出，在集控室內經常辦公的值班員和值長工作臺處，其照度范圍均比較均勻。其控制電視墻上的區域無前述方案的明顯光帶區域，利于值班人員觀測電視機屏幕上相關信息。

根據等值線結果可知，值班人員工作臺照度主要集中在540 lx～640 lx之間。且工作面平均照度為552 lx，較方案二的整體光照有了更好的提升；均勻度、眩光值均滿足要求。功率密度值得到了更好地優化，僅為6.97 W/m2。方案照度分布呈現出自室內中心往四周的環形輻射狀特點。

方案三采用了多縱列的布置方式，使得燈具間距更小，且在格柵燈具之間布置有筒燈補充此部分光照；光照分布相對更為均勻，有助于提升運行人員視覺舒適度。

2.4 方案經濟比較

結合上述三個方案，并綜合燈具及安裝調試費用，進行全壽命周期內經濟性評價比較。經濟評價主要從初期投資費用、后期維護費用以及長期用電費用三方面來進行分析。

2.4.1 初期投資費用分析

集控室的照明初期投資費用主要由選擇的燈具市場價決定，初期投資費用計算結果如表7所示。根據結果可知，方案一與方案二均為三管格柵燈具，燈具單價較為接近，總費用差異不大；而方案三則總費用相對較低。

表7 初期投資費用計算結果

2.4.2 后期維護費用分析

集控室照明在正常使用之后，后續使用中存在后期維護費用。本文僅考慮正常使用過程中，因自然壽命因素所致的燈具或燈管更換所需費用。考慮可能的集控室另外翻新，整體照明方案重新設計，因此評價周期按10年進行分析。集控室工作時間按全年每天24小時不間斷工作考慮，總周期時長87600 h。

方案一均為熒光光源，平均壽命為8000 h；方案二、三為LED光源，平均壽命為40000 h。但LED光源燈具采用的是一體化設計，需整體更換，因此單次維護費用即為單個燈具總費用。得到后期維護費用計算結果見表8。

雖然LED燈具單次更換費用高，但是其壽命更長，在計算評價周期內，其更換次數較熒光燈顯著減小，因此采用LED光源方案較熒光燈多支出的費用已控制在1萬元左右；方案二與方案三費用比較接近。

表8 后期維護費用計算結果

2.4.3 長期用電費用分析

集控室照明用電單價按發電廠上網電價為0.3250元/kWh(發改價格【2015】748號文)計算。為便于分析，總工作時間按計算周期87600 h考慮。長期用電費用計算結果見表9。

根據表中計算結果，全熒光燈的方案一由于功率較高，而方案二和方案三的功率一致且均較低，總用電費用差異明顯。初期投資費用差異較小，而后期維護費用方案間差異在1萬元左右，而用電費用在長周期內影響更大，LED燈的效益優勢明顯。

2.5 綜合分析

結合前述三個方案的技術經濟比較結果，進行綜合性分析，見表10。

表9 長期用電費用計算結果

表10 方案綜合分析比較結果

總地來說，上述三種方案的特點可歸納如下：

(1)方案一采用熒光燈，照度與均勻度滿足規范要求，但部分空間照度過強并存在明顯光帶，視覺舒適度欠佳，且長期用電費用高昂。

(2)方案二以方案一的1/2的功率密度值，實現了更良好的照度分布，雖然初期設備費用及后期維護費用較高，但長期用電費用較方案一具有明顯優勢。

(3)方案三整體照度有了更好的提升，視覺舒適度更優，且初期投資和后期維護費用均更低，具有室內照明整體質量、節能環保特性以及綜合費用多方面的明顯綜合性優勢。

3 結論

(1)常用的照度計算方法，如利用系數法、逐點計算法與單位容量法，不便于設計人員掌握室內空間照明情況。

(2)方案一存在燈下部分空間照度過強并存在明顯光帶，方案二則采用方案一的布置方式，其空間內照度分布更良好，長期用電費用較方案一具有明顯優勢，但方案二初期費用和后期維護費用最高。

(3)方案三整體照度有了更好的提升，視覺舒適度更優，且初期投資和后期維護費用均更低，基本上實現了滿足集控室照明要求前提下，照明質量在兼顧經濟性基礎上最優化。建議選擇方案三作為最終方案。