民用建筑電氣數字照明節能控制方法

李苗

（中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510000）

電氣數字照明系統是民用建筑的主要能耗源。據發表在豆丁網上的《淺談建筑照明能耗與環境的公共政策》可知，我國建筑照明能耗占到整個建筑電量能耗的25%～35%，民用建筑電氣數字照明多數以低效照明為主，具有較大的節能潛力。自改革開放以來，建筑行業有了很大的發展，雖然在一定程度上推動了城市化進程，但是也增加了民用建筑能耗，在國內民用建筑中電氣數字照明設備比較多，在當今國家大力號召可持續發展環境背景下，需要優化民用建筑電氣設備照明系統，采取有效的控制手段對其進行節能控制，杜絕電氣數字照明中的能源浪費現象。最初民用建筑中采取的照明節能控制方式為手動方式，由人工定時定點關閉和開啟照明設備開關，這種方式不僅控制效率比較低，而且比較麻煩。隨著信息技術和自動化技術的發展，民用建筑逐漸采取自動化控制方式，將信息技術與電氣數字照明節能控制融合在一起，根據照明需求實時調控照明設備開關和亮度，以此達到節能的目的。由于國內民用建筑電氣數字照明節能自動化控制起步比較晚，現有的技術和理論還不夠成熟。文獻[1]提出基于模糊控制的教室中央空調與照明智能節能系統方法，主要闡述利用圖像處理技術實現中央空調與照明的智能節能控制和使用模糊控制算法實現教室溫度的節能控制。文獻[2]提出基于人眼視覺的隧道照明控制系統方法，設計基于人眼視覺的隧道照明的控制系統，通過地磁傳感器、光敏傳感器等監控設備采集信息并智能化控制燈光的明亮程度，完成對照明節能的控制。但是上述方法在實際應用中仍存在節能效果差、照明用電量高等問題，為此，本文提出民用建筑電氣數字照明節能控制方法，利用亮度檢測器和紅外傳感器采集亮度數據，然后通過總線通信方式將數據傳輸到計算機上，并根據當地日出日落時間等情況，對照明開關時間自適應調整。在上述的照明時間內根據照明亮度需求采用PID控制算法對照明亮度參數進行優化控制。實驗結果表明，本文的方法平均用電量為73．52kWh，具有一定的技術性和實用性。

1 電氣數字照明節能控制方法

1．1 照明環境檢測

電氣數字照明節能控制的最終目的是減少照明用電量，降低照明能耗，電氣數字照明用電量表達式為：

式中：F表示電氣數字照明用電量；W表示單個照明燈具消耗的電功率；T表示照明燈具開啟時間；X表示民用建筑電氣數字照明設計照度；A表示照明總面積；G表示單個照明燈具光束；J表示照明燈具的照明率；K表示單個照明燈具照度；μ表示照明燈具的綜合效率。從上述公式可以看出，要想降低照明用電量，可以從以下兩個方面入手：一是減小公式（1）中的分子值，因式中分子可以改變照明時間，因此通過對照明時間進行控制，可達到降低用電量的目的；二是增大公式（1）中的分母值以提高照明燈具的照明率，由于燈具的照明率與照明燈具的亮度相關，因此可以通過優化燈具的照明亮度提高照明率，從而實現照明節能的目的。通過以上分析，本文提出照明節能控制的思路主要分為兩步，即調控照明開關時間和照明亮度。對照明開關時間和亮度的控制，應以照明需求為前提，因此首先需要檢測照明環境，確定控制區域內實際亮度、區域內人員數量等。在待控制區域內安裝檢測器，用于測量照明環境數據。檢測器主要包括亮度檢測器和紅外傳感器，亮度傳感器主要用于采集環境亮度數據，紅外傳感器主要采集環境內人員和車輛數據。將亮度檢測器安裝在樓梯間、電梯間和室外路燈上方，采集到數據后通過RS161總線通信方式將數據傳輸到計算機上，用于后續的控制和分析。

1．2 開關燈時間自適應調整

白天大多具有太陽光的照射，所以燈具的照明大多是集中在夜間，鑒于此，本文將照明分析與研究的重點放在午夜。通過對照明環境數據的分析，實現對照明燈具開關時間的自適應調整。對于夜間的定義為當日日落到第二日日出，這一時間段為夜間，由于夜間沒有太陽光照射，大多時段需要開啟燈具進行照明。根據民用建筑所在地的地理位置，計算出當地每天日出時間和日落時間，其計算公式為：

式中：T1表示民用建筑所在地每天日出時間；T2表示民用建筑所在地每天日落時間；t表示世紀數；α表示民用建筑所在地的平近點角；β表示民用建筑所在地的地球傾角；γ表示民用建筑所在地的太陽偏角；L表示平黃徑；r表示民用建筑所在地的經度。將當日日落到第二日日出時間段用1表示，將其余時間段用0表示，根據公式（2）的計算值開啟和關閉照明開關，即在其時間段輸入0，關閉照明開關；在當日日落到第二日日出時間段輸入1，開啟照明開關，在這一時間段內如果區域內無人或者無車輛通行，則也不需要開啟照明開關[3]。因此，根據紅外傳感器采集到的圖像數據，將行人和車輛作為識別目標，檢測環境中是否存在目標。當存在行人和車輛時，輸入開關控制指令1，當沒有識別到目標時，則輸入開關控制指令0，以此自適應調整照明開關時間。

1．3 數字照明亮度優化控制

根據上述分析可知，照明亮度越高，照明用電量就越大，因此在開啟照明開關的時間段內，采用PID控制算法對照明亮度數據進行優化控制，模擬PID原理圖如圖1所示。

圖1 模擬PID原理圖

根據亮度需求，對照明亮度數據進行加權的比例、積分、微分運算。PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值t（t）和實際輸出值u（t）計算出控制偏差值r（t）為：

將偏差的比例、積分、微分通過線性組合構成控制量，構建PID調節器的控制律i（t）為：

式中：Lp是比例增益系數，其控制效果是減少響應曲線的上升時間及靜態誤差，但無法消除靜態誤差，Lp增大時，可能會引起系統的不穩定；Yl是積分時間常數；LD是微分增益系數。

根據上述的PID調節器控制律，可實現對照明的控制，其用公式表示為：

式中：e表示優化后的電氣數字照明亮度值；D表示比例增益參數；M表示積分時間參數；d表示照明需求亮度值；P表示微分時間參數；D表示當前亮度值；x表示照明設計亮度值[4]。從上述公式可以看出，PID控制過程中的微分、積分和比例三個參數組合，決定了電氣數字照明的節能控制狀態[5]。根據實際情況以及民用建筑電氣數字照明的實際需求，將三個參數設定為0．6、0．4 和 0．12[6]。在控制過程中，還要根據控制需求，輸出優化亮度值，正常情況下區域內人流量和車流量越小，照明亮度需求越小，將民用建筑照明亮度設計值設定為亮度上限，并根據區域內人流量和車流量對亮度進行折減，其折減系數為：

式中：k表示電氣數字照明亮度折減系數；N表示當前環境內人流量和車流量總和；R表示區域內人流量與車流量最小值；Z表示區域內人流量與車流量最大值；kh、kp分別表示區域內流量超出設計流量上限和下限情況對應的折減系數[7]。根據計算得到的折減系數，確定照明亮度的需求值為：

將數據代入上式，計算得到照明亮度需求，再將其代入到公式（6）中，計算得到照明亮度的優化值，根據計算結果不斷調整照明亮度，以此實現對其的節能控制。

2 實驗論證

為了驗證本文提出的節能控制思路的可行性和可靠性，選取某辦公民用建筑為實驗對象。該民用建筑電氣數字照明系統中共包含24個路燈和25個開關，其中24個獨立開關和1個總開關。在未采取任何節能控制措施的情況下，該民用建筑電氣數字照明日平均用電量為173．56kWh，能耗較高。選取兩個傳統方法設計一組對比實驗，傳統方法分別為基于控制器與基于PLC技術，在下面敘述中用傳統方法A與傳統方法B表示，利用本文設計方法與兩個傳統方法，對該民用建筑電氣數字照明進行節能控制。實驗準備了10臺SJHFH-4641亮度檢測器和SFAGF-1544紅外傳感器。根據該民用建筑實際情況，將兩個檢測設備安裝在樓層過道左上方、室外道路路燈上方等地方，將檢測器的測量范圍設置為0-20000lux，檢測頻率設定為 1．68Hz，檢測周期設定為1．5s，測量角度設定為立體視角20°，實驗共采集到3．62GB亮度數據。按照上述流程通過對數據分析，控制照明設備的開關和亮度。

實驗中電氣數字照明控制時間為7天，以照明用電量作為三種方法控制效果評價指標，使用電子表格記錄每天的照明用電量，三種方法應用下照明用電量如表1所示。

表1 三種方法應用下照明用電量（kWh）

通過對上表中數據的分析可知，采用本文的設計方法，民用建筑電氣數字照明用電量比較小，平均用電量為73．52kWh，相比未采取節能控制節約了將近42%的能耗，而兩種傳統方法的節能控制效果較差，其平均用電量分別為134．16 kWh和138．95kWh，僅分別節約能耗約35kWh和30kWh，均低于本文的設計方法。

3 結論

針對傳統節能控制方法存在的不足和缺陷，本文提出了一種新的民用建筑電氣數字照明節能控制方法，有效解決了照明能耗較高的問題，降低了電氣數字照明用電量。本文的研究對提高電氣數字照明節能控制水平、減少民用建筑用電支出、提高民用建筑節能性等均具有良好的現實意義。