融合聚光導(dǎo)光與雙模輔助的智能照明系統(tǒng)

蘇彬鋒，林俊鑫，陳湘群，黃培雄，黃樹(shù)忠

（廣東金源光能股份有限公司， 廣東 潮州 521000）

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，城市公共空間越來(lái)越多，作為城市的重要組成部分，公共空間照明系統(tǒng)的健康與安全越來(lái)越受到人們的重視。從城市居民的角度來(lái)看，公共空間照明系統(tǒng)所帶來(lái)的光污染、眩光等問(wèn)題嚴(yán)重影響了居民的日常生活與工作。目前，針對(duì)公共空間場(chǎng)景下的照明系統(tǒng)已有諸多研究，例如：針對(duì)燈桿結(jié)構(gòu)形式存在的視覺(jué)盲區(qū)問(wèn)題，提出了聚光導(dǎo)光技術(shù)；針對(duì)照明系統(tǒng)中的光污染問(wèn)題，提出了雙模控制技術(shù)；針對(duì)照明系統(tǒng)中的光強(qiáng)不均勻問(wèn)題，提出了自適應(yīng)控制技術(shù)。基于聚光導(dǎo)光技術(shù)與雙模輔助控制技術(shù)的智能照明系統(tǒng)，可以對(duì)照明區(qū)域進(jìn)行高精度的空間分區(qū)控制，并能對(duì)照明區(qū)域進(jìn)行光強(qiáng)自適應(yīng)控制，從而提高公共空間照明系統(tǒng)的光環(huán)境質(zhì)量，提升居民的生活質(zhì)量。

1 系統(tǒng)概述

1）該系統(tǒng)包括室內(nèi)照明系統(tǒng)和室外照明系統(tǒng)，二者通過(guò)內(nèi)置的傳感器自動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制。室外照明系統(tǒng)將光線傳遞到室內(nèi)，同時(shí)將室內(nèi)產(chǎn)生的熱輻射傳導(dǎo)至室外，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。

2）該系統(tǒng)利用聚光導(dǎo)光技術(shù)將太陽(yáng)光等天然光源收集后，通過(guò)導(dǎo)光材料將光線傳遞到室內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)照明光線的高效利用。同時(shí)，該系統(tǒng)還可與智能家居聯(lián)動(dòng)，通過(guò)手機(jī)App或智能音箱對(duì)室內(nèi)照明進(jìn)行控制。

3）該系統(tǒng)能根據(jù)用戶需求進(jìn)行光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)和智能控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)照明光線的高效利用。

4）該系統(tǒng)能使用戶在室外活動(dòng)時(shí)避免陽(yáng)光直射，同時(shí)保證室內(nèi)的舒適健康；能根據(jù)室外氣候情況及時(shí)調(diào)整室內(nèi)照明強(qiáng)度和光照時(shí)間，最大程度減少太陽(yáng)輻射對(duì)人體的傷害；能有效減少能量消耗和二氧化碳排放，促進(jìn)人與自然的和諧共處。

5）該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和保障人體健康兩方面均具有重要作用。此外，該系統(tǒng)還能降低因人工光源導(dǎo)致的電磁輻射等，避免對(duì)人體健康產(chǎn)生負(fù)面影響[1]。

2 系統(tǒng)原理

融合聚光導(dǎo)光與雙模輔助的智能照明系統(tǒng)，其工作原理是在室外照明燈具上方安裝多組聚光導(dǎo)光裝置，并通過(guò)導(dǎo)光材料將光源均勻分布在導(dǎo)光板上，從而將光源的輻射能量集中在一處，并通過(guò)導(dǎo)光材料將其轉(zhuǎn)換為均勻的照明光線。當(dāng)光線達(dá)到一定強(qiáng)度后，可以通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)聚光導(dǎo)光裝置進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)照明光線強(qiáng)度的調(diào)節(jié)，同時(shí)可以根據(jù)室外環(huán)境條件的變化自動(dòng)切換到另一種模式（如夜間模式、陰天模式、晴天模式等），可以根據(jù)實(shí)際環(huán)境條件來(lái)改變照明方式，從而滿足人們對(duì)照明的不同需求[2]。根據(jù)光源在導(dǎo)光板上的出射角度和出射光強(qiáng)度，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)光材料來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)照明光線強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)監(jiān)控照明系統(tǒng)，并對(duì)其實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)和控制，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保、舒適健康、智能便捷等效果。

3 系統(tǒng)功能架構(gòu)

融合聚光導(dǎo)光與雙模輔助的智能照明系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖1所示，包括多個(gè)模塊，每個(gè)模塊功能不同，相互配合可實(shí)現(xiàn)更多的功能。

圖1 融合聚光導(dǎo)光與雙模輔助的智能照明系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

1）聚光導(dǎo)光模塊。采用一種新型的聚光導(dǎo)光材料，將太陽(yáng)光等天然光源聚集在一起，通過(guò)導(dǎo)光材料將光線傳遞到室內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明。該系統(tǒng)在不改變現(xiàn)有照明系統(tǒng)的情況下可降低約50%的能耗。

2）LED模塊。采用新型的 LED光源，能有效減少光衰，保證光色一致性和亮度穩(wěn)定性。同時(shí)，該系統(tǒng)可以對(duì) LED光源進(jìn)行分組控制、調(diào)整，從而有效提高LED光源的使用效率和壽命。

3）智能控制模塊。該系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)置的傳感器對(duì)室內(nèi)照明自動(dòng)控制，包括光照強(qiáng)度檢測(cè)、人體感應(yīng)檢測(cè)、光線亮度檢測(cè)和光色變化檢測(cè)等。同時(shí)，該系統(tǒng)還可根據(jù)不同的場(chǎng)景需求調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度、亮度和色溫等參數(shù)。

4）信息管理模塊。該模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)照明系統(tǒng)和室外照明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與控制。該模塊采用一種新型的無(wú)線通信方式，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明系統(tǒng)和室外照明系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換。

5）用戶界面模塊。該模塊可與智能家居或智能手機(jī)等移動(dòng)終端進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)照明和室外照明的智能控制和調(diào)整。

6）控制終端模塊。該模塊用于室內(nèi)照明系統(tǒng)與室外照明系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制，用戶可通過(guò)控制終端對(duì)室內(nèi)照明系統(tǒng)和室外照明系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置、調(diào)整和控制。同時(shí)，該模塊還可與用戶的智能家居聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明系統(tǒng)和室外照明系統(tǒng)的智能控制[3]。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

該系統(tǒng)可應(yīng)用于隧道、休閑廣場(chǎng)、商業(yè)中心等場(chǎng)景，如圖2所示。該系統(tǒng)將直射陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為柔和的漫反射光線，使陽(yáng)光不會(huì)對(duì)人體造成傷害。首先，該系統(tǒng)根據(jù)戶外氣候情況及時(shí)調(diào)整室內(nèi)照明強(qiáng)度和光照時(shí)間，最大程度減少太陽(yáng)輻射對(duì)人體的傷害。其次，用戶可在設(shè)定的時(shí)段內(nèi)通過(guò)手機(jī)App或智能音箱對(duì)室內(nèi)照明進(jìn)行控制，從而最大程度地減少人工光源導(dǎo)致的電磁輻射對(duì)人體健康的影響[4]。最后，該系統(tǒng)可以在多種條件下應(yīng)用。例如，當(dāng)室外天氣較好時(shí)，用戶可以將室內(nèi)照明系統(tǒng)設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，僅開(kāi)啟室外照明系統(tǒng)；當(dāng)室外天氣較差時(shí)，用戶可將室內(nèi)照明系統(tǒng)設(shè)置為開(kāi)啟狀態(tài)，并根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)用戶外出時(shí)可根據(jù)具體情況選擇關(guān)閉或開(kāi)啟室外照明系統(tǒng)。同時(shí)，用戶也可以將室外照明系統(tǒng)設(shè)置為自動(dòng)控制模式，最大程度地減少人工光源所帶來(lái)的負(fù)面影響。

圖2 隧道智能照明構(gòu)建簡(jiǎn)圖

5 系統(tǒng)應(yīng)用

融合聚光導(dǎo)光與雙模輔助的智能照明系統(tǒng)在城市道路照明中已有較多應(yīng)用，如，北京朝陽(yáng)公園北門(mén)的人行通道照明改造工程，改造后的人行通道不僅具備了照明功能，而且實(shí)現(xiàn)了自然光線的高效利用。同時(shí)，融合聚光導(dǎo)光與雙模輔助的智能照明系統(tǒng)在倉(cāng)儲(chǔ)物流、學(xué)校、醫(yī)院等領(lǐng)域也有一定應(yīng)用。

5.1 倉(cāng)儲(chǔ)物流

以某國(guó)際物流公司的物流中心倉(cāng)庫(kù)照明系統(tǒng)改造項(xiàng)目為例，該物流中心倉(cāng)庫(kù)照明系統(tǒng)改造項(xiàng)目中，倉(cāng)庫(kù)改造采用了“智能光環(huán)境控制系統(tǒng)+聚光導(dǎo)光系統(tǒng)”的組合方案。聚光導(dǎo)光系統(tǒng)可以提供照明需求，與智能光環(huán)境控制系統(tǒng)連接，對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)的照明環(huán)境進(jìn)行智能管理。該物流中心倉(cāng)庫(kù)照明系統(tǒng)改造中，在不改變?cè)薪ㄖY(jié)構(gòu)及功能布局的基礎(chǔ)上，對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行智能化管理與控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)自然光線的高效利用，從而提高倉(cāng)庫(kù)的存儲(chǔ)效率，改善作業(yè)環(huán)境，優(yōu)化作業(yè)流程，減少能源消耗，提高員工工作效率[5]。

5.2 學(xué)校

在學(xué)校照明中，由于其特殊的教學(xué)、學(xué)習(xí)環(huán)境，需要通過(guò)人工補(bǔ)光的方式來(lái)達(dá)到理想的照明效果。但人工補(bǔ)光存在光源不穩(wěn)定、能耗較高等問(wèn)題，融合聚光導(dǎo)光與雙模輔助的智能照明系統(tǒng)可以有效解決上述問(wèn)題。

1）舒適健康。由于采用了新型材料和智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅使教室照明環(huán)境更為舒適健康，而且避免了人工補(bǔ)光中存在的眩光問(wèn)題，從而提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，還避免了因人工補(bǔ)光而產(chǎn)生的光照不均勻、亮度不穩(wěn)定等問(wèn)題。

2）節(jié)能環(huán)保。與人工補(bǔ)光相比，該系統(tǒng)將自然光線轉(zhuǎn)化為電能，并通過(guò)智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化的控制，從而大大減少了能耗，同時(shí)該系統(tǒng)采用綠色環(huán)保的新型材料，避免了傳統(tǒng)照明方式中存在的光污染問(wèn)題，為學(xué)生創(chuàng)造了一個(gè)綠色健康的學(xué)習(xí)環(huán)境。

5.3 醫(yī)院

在醫(yī)院，智能照明系統(tǒng)可應(yīng)用于手術(shù)室、重癥監(jiān)護(hù)病房等場(chǎng)所，如北京天壇醫(yī)院的手術(shù)室、重癥監(jiān)護(hù)病房、心臟介入手術(shù)室等[6]。在手術(shù)室的照明系統(tǒng)中，融合聚光導(dǎo)光與雙模輔助的智能照明系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)光能的高效利用，通過(guò) LED光源的自動(dòng)調(diào)光控制，實(shí)現(xiàn)手術(shù)室照度、光色、顯色性等參數(shù)的精準(zhǔn)控制，保證手術(shù)過(guò)程中的照明要求，提高手術(shù)成功率；在重癥監(jiān)護(hù)病房的照明系統(tǒng)中，融合聚光導(dǎo)光與雙模輔助的智能照明系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)照度與光色的精準(zhǔn)控制，通過(guò) LED光源的自動(dòng)調(diào)光控制，保證重癥監(jiān)護(hù)病房患者在術(shù)后得到更好恢復(fù)；在心臟介入手術(shù)室的照明系統(tǒng)中，融合聚光導(dǎo)光與雙模輔助的智能照明系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)區(qū)域照度、光色的精準(zhǔn)控制，通過(guò) LED光源的自動(dòng)調(diào)光控制，保證手術(shù)過(guò)程中所需照度、光色的要求，減少因人工操作誤差而導(dǎo)致的手術(shù)失誤，為患者提供更好的救治服務(wù)。

6 結(jié)論

綜上所述，智能照明系統(tǒng)的應(yīng)用在一定程度上可以解決城市能源危機(jī)，改善城市環(huán)境，提升城市形象，增強(qiáng)城市競(jìng)爭(zhēng)力。其主要作用包括以下幾個(gè)方面：第一，智能照明系統(tǒng)可有效降低照明系統(tǒng)能耗，從而減少電力的消耗和二氧化碳等有害氣體的排放，減少環(huán)境污染。第二，智能照明系統(tǒng)可以有效控制和調(diào)節(jié)室內(nèi)照明系統(tǒng)，提高照明質(zhì)量，滿足人們不同的使用要求。此外，智能照明系統(tǒng)還可以提高室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量。因此，相關(guān)研究者應(yīng)積極探索，加大研究力度，促進(jìn)城市照明智能化發(fā)展。