基于節能降耗的醫院建筑電氣照明系統設計

羅鴻宇

（四川大學華西醫院，四川成都 610041）

隨著新時代的發展，我國照明技術從最傳統的蠟燭到電氣照明，經歷了一段漫長的演變過程。目前醫院建筑電氣照明系統屬于一體化設計，對于24 h不間斷使用照明的建筑，能源消耗量巨大，且因為醫院的特殊性，要保證醫院建筑內24 h 實時不間斷照明，但是醫院建筑內有些空間不存在醫患人員時，不需要持續照明，傳統的照明系統是整個系統同時照明，造成了大量不必要的能源損耗，能源的過量消耗對于環境以及人體都有很大的損傷[1-2]。

綜上所述，文中在降低照明系統能耗的基礎上，按照生態可持續發展理念，設計一款自動化節能的醫院建筑電氣照明系統，系統可以根據醫院建筑內人員的流動情況，降低能源的損耗。

1 系統硬件設計

基于節能降耗的醫院建筑電氣照明系統硬件結構如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構

1.1 光感器設計

醫院建筑電氣照明系統硬件區域的光感器是節能降耗領域重要的器件之一，此器件的工作任務主要是檢測醫院建筑內移動的人員，然后根據變化的時間點進行合理強度的照明[3-4]。檢測器安裝在每棟建筑內的每個樓層頂上，光感器會設定一定的照明時間，一旦照明時間達到，光感器提前2 s 進行重新識別，如果還存在人員則持續照明，如果不存在立即熄滅，節省建筑的照明能源消耗。光感器的臨界光亮度為80 cd/m2，光感器的有效時間設定為300 s。光感器如圖2 所示。

圖2 光感器示意圖

該硬件系統設計的光感器采用UYHWJK-09 光感器，此光感器的測感有效距離為150 m，通道數量為5 個，其中兩個作為替補通道[5-6]。光感器的通信接口分別為LAN、RS485、RS222，為了使光感器的信息與系統的其他器件進行連接，該文器件選擇的通信協議為TCP/IP協議。電源采用AC220 V/DC 24 V，光感器的每周期消耗為40 W，尺寸為580 mm×470 mm×130 mm。

1.2 控制器設計

對于醫院建筑電氣照明系統來說，精確地識別并執行光感器和脈沖器發送的照明命令也是十分重要的，因此在系統的硬件區域設計一個控制器，完成系統照明的約束。為了達到預期效果，文中選擇EIB 控制系統，控制器主要由總線、控制閥、各種零件以及雙絞線組成。總線采用二進制材料，該材料具備較高的靈敏度，對于任何強度的信號都可以識別并控制。此控制器的輸出模式采用繼電器和NPN晶體管的模式，供電電源為24 V，控制精度可以達到1.0 等級，為了降低各個器件之間工作的磨損，控制器的外殼采用不銹鋼材質，工作功率為2 W，控制頻率為800 次/s，輸出的有效功率為25 W[7-8]，控制器電路圖如圖3 所示。

圖3 控制器電路圖

1.3 電動機設計

電動機是醫院建筑電氣照明系統動力驅動的重要器件，同時也是建筑照明系統能源消耗量最多的器件[9-11]。在保證電動機功能的基礎上，并降低電動機的能源消耗，該文選擇HDI-027 電動機，此電動機的優勢在于輸出轉速，最高為450 r/s。

1.4 脈沖器設計

醫院建筑電氣照明系統硬件區域的脈沖器工作任務是將系統采集到的數據按照系統的規則進行脈沖輸出，保證系統的穩定運行。脈沖器結構如圖4所示。

圖4 脈沖器結構圖

該設計選用的脈沖器為YU-09XI系統的脈沖器，此器件的加熱方式為脈沖式加熱，熱壓精度為Pitch 0.14 mn。此脈沖器的脈寬為300 ps，延遲分辨率為10 ps，工作電阻為50 Ω，可以保證系統的穩定照明[12-14]。

2 系統軟件設計

常見的醫院建筑電氣照明系統節能降耗措施是對光照度進行控制、合理選擇變壓器的位置以及加強對可再生資源的利用。光照控制主要是控制電氣照明的光通量大小，光通量是一種評價正常人視覺亮度的輻射通量，單位為LM。

FTIR-7600傅里葉紅外光譜儀，大連依利特分析儀器有限公司；DJ型電動攪拌器，金壇市順華儀器有限公司；DZF-6020真空干燥箱、HH-S恒溫水浴裝置，鞏義市予華儀器有限責任公司；80 mm布氏漏斗，天津市天玻玻璃儀器有限公司。

通過硬件各區域協作控制建筑電氣照明光通量，同時計算該光通量，達到規定數值后，就可以調用控制器，然后關閉照明開關，在需要時再開啟照明開關，降低醫院建筑電力照明系統的能源消耗[15-16]。

電力照明系統的發電動力來自發電站，為了降低系統的能源損耗，通過縮短變壓器與各個建筑照明系統的運輸距離，采用距離的中間點作為變壓器的位置，降低系統的能源消耗。可再生能源是目前節能降耗領域重點研究的項目，該文將可再生資源進行一定的轉化，降低照明系統的能源消耗。

醫院建筑電氣照明系統在照明過程中不僅僅需要確定照明的時間段，還需要確定建筑照明的空間范圍大小，因此需進一步分析建筑的照明能源消耗量計算。

建筑空間受到門、窗、臺階、擺設等不同形體的影響，導致相同格局的空間需要照明量不同，所以不能根據一種照明程度完成所有建筑的照明，只有計算每個建筑需要照明的強度，然后相應進行光照照明，才既可以達到最佳照明效果，又可以達到節能降耗的目的。計算建筑空間需要照明的強度大小，首先將建筑虛化為一個三維坐標系，將建筑內涉及的墻體、陳設材質、風格等具體屬性按照一定規則進行轉換，統一計算數據的形式，保證照明強度計算的合理性和科學性，具體計算如式（1）所示：

其中，fwp表示光通量；G1、G2和G3分別表示建筑內各個角落與照明工具光源的距離；F表示建筑空間內高度與燈具高度的比值；s表示建筑所占面積。

任何照明工具照明的光束都是以發散的方式呈現的，所以該文計算建筑空間的最低照明光照強度，將空間作為一個半球體，當照明工具發散出的光與折射的光為直角時，空間的照明效率最高，照明強度最大，具體約束公式如式（2）所示：

其中，θ表示照明工具發散出的光與折射的光所呈現的角度；q1、q2、q3和q4分別表示建筑空間內各個角落的位置點。

根據以上醫院建筑電氣照明系統硬件區域器件的性能和軟件區域的功能分析、建筑照明相關消耗量的計算，總結出基于節能降耗的醫院建筑電氣照明系統的工作流程，如圖5所示。

3 實驗分析

通過以上的論述，完成基于節能降耗的醫院建筑電氣照明系統的設計，為了檢驗此系統的功能性是否具有實用意義，文中進行對比實驗加以驗證。

采用傳統的基于BIM 建模的醫院建筑電氣照明系統和基于KNA 節能控制的醫院建筑電氣照明系統完成對比實驗，保證實驗的公平性，避免實驗結果的偶然性。對比實驗的樣本采用四川省某軍區醫院的住院部進行系統測試，為了保證此軍區醫院住院部的照明功能正常運轉，在實驗過程中，后臺會持續接入正常的照明系統，一旦實驗系統出現差錯，立即停止實驗，接入正常的建筑照明系統，降低影響。

采集醫院住院部房間內影響照度的相關參數，將采集到的參數作為實驗樣本，具體實驗樣本值如表1 所示。

表1 影響照度的相關參數樣本值

因為無法保證每次測試階段內照明使用的強度相同，因此每個系統在照明時，樓宇后臺依次接入一個有效的電氣監測器，此監測器監測測試階段內系統無效的照明數據，可作為對比實驗的對照數據。每次系統測試的照明時間為24 h，并且系統的測試順序為抽簽選取，當3 種系統全部完成醫院建筑電氣照明系統測試后，統一計算對比系統的能源損耗情況，得出對比實驗的結論。能源損耗實驗結果如圖6所示。

圖6 能源損耗實驗結果

根據以上的實驗，得出24 h 內3 種系統無效照明累計時間最長的是基于BIM 建模的醫院建筑電氣照明系統，最短的是基于節能降耗的醫院建筑電氣照明系統。3 種系統在規定時間內能源消耗量最小的是基于KNA 節能控制的醫院建筑電氣照明系統，能源消耗量最多的是基于BIM 建模的醫院建筑電氣照明系統。3 種照明系統出現錯誤照明的次數最多的是基于KNA 節能控制的醫院建筑電氣照明系統，最少的是基于節能降耗的醫院建筑電氣照明系統。根據這3組對比實驗的結論，權衡每個實驗結論的影響力，可以得出基于BIM 建模的醫院建筑電氣照明系統不是最佳的醫院建筑電氣照明系統。目前，我國對于醫院建筑照明系統的照明誤差率比消耗的能源量要求更為嚴格，所以權衡以上兩個因素的相關結論，基于節能降耗的醫院建筑電氣照明系統是最佳的醫院建筑電氣照明系統。

得到這一結果關鍵在于該文設計的醫院建筑電氣照明系統硬件區域的光感器和控制器對于醫院建筑內的照明響應靈敏度最高，在降低照明消耗量的基礎上，實現有效間斷的建筑電氣照明。

4 結束語

根據醫院建筑需要照明的特點，在建筑電氣照明系統的硬件區域設計了光感器、控制器、電動機以及脈沖器，構成一個完整的電氣照明光感識別架構。然后列舉目前最有效的節能降耗措施，參照建筑照明的相關計算公式完善醫院建筑電氣照明系統軟件區域的設計，最終通過對比實驗分析表明，文中設計的系統具有降耗功能，可以持續投入應用。