建筑物夜景照明電氣設(shè)計(jì)

王 統(tǒng)

（福建省新廣廈工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，福州 350014）

建筑物夜景照明在城市景觀設(shè)計(jì)中扮演著重要的角色，不僅提供了城市夜間的美麗景觀，還為人們創(chuàng)造了安全、舒適的夜間環(huán)境。夜景照明的電氣設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)建筑物夜景效果的關(guān)鍵要素之一，涉及照明設(shè)備的選擇、布局和控制等方面，直接影響到夜景照明效果的質(zhì)量和節(jié)能性能。夜景照明電氣設(shè)計(jì)是確保照明系統(tǒng)高效、安全和可持續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一[1]。

目前，建筑物夜景照明電氣設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些重要的研究成果和進(jìn)展。研究人員對(duì)夜景照明的光學(xué)特性、照明設(shè)備的性能和控制系統(tǒng)的優(yōu)化等方面進(jìn)行了深入研究。一些新興的技術(shù)和方法，如LED照明、智能控制系統(tǒng)和光污染控制等，已經(jīng)被應(yīng)用于建筑物夜景照明電氣設(shè)計(jì)中，取得了顯著效果。然而，當(dāng)前的研究還存在一些挑戰(zhàn)和問題。例如，如何在保證夜景照明效果的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，如何解決光污染和視覺疲勞等問題，如何提高照明設(shè)備的可靠性和壽命等。因此，進(jìn)一步的研究仍然是必要的，以完善建筑物夜景照明電氣設(shè)計(jì)的理論和實(shí)踐。

建筑物夜景照明電氣設(shè)計(jì)包括線纜選型與布局、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳感器集成、云連接和遠(yuǎn)程管理、智能場(chǎng)景模式以及故障診斷和報(bào)警系統(tǒng)[2]。通過正確的線纜選型、智能化的控制系統(tǒng)和傳感器技術(shù)的巧妙應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)夜景照明系統(tǒng)的高度自適應(yīng)性，以滿足不同環(huán)境條件和需求。此外，云連接和遠(yuǎn)程管理使系統(tǒng)維護(hù)更加便捷，故障診斷和報(bào)警系統(tǒng)有助于確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[3]。因此，將詳細(xì)介紹每個(gè)方面的設(shè)計(jì)原理和最佳實(shí)踐，同時(shí)結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目案例，展示建筑物夜景照明電氣設(shè)計(jì)在現(xiàn)代城市照明中的關(guān)鍵作用。

1 夜景照明系統(tǒng)線纜選型與布局

1.1 線纜選型

夜景照明工程采用的線纜線型應(yīng)盡量保持與原主體電氣專業(yè)選用的非消防線纜線型一致[4]。不應(yīng)刻意降低線纜耐火阻燃及燃燒性能要求。因?yàn)橐咕罢彰鞴こ讨姓彰飨洹Ⅱ?qū)動(dòng)電源、配電線路等大都敷設(shè)在建筑物內(nèi)部，個(gè)別敷設(shè)在建筑物外立面上[5]。其整個(gè)配電系統(tǒng)仍屬于建筑物內(nèi)的配電系統(tǒng)，不能按照室外敷設(shè)情況來選擇線纜。

1.2 夜景照明配電箱至驅(qū)動(dòng)電源的線纜截面選擇

此段線纜截面取決于兩個(gè)因素，一是應(yīng)與前端保護(hù)開關(guān)整定值相匹配，二是應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)的輸入端壓降要求。常見的夜景照明配電系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 夜景照明配電系統(tǒng)圖

圖1中每回路所接電源驅(qū)動(dòng)的個(gè)數(shù)決定了前端小型C曲線斷路器的整定電流大小。由于LED燈具的驅(qū)動(dòng)電源中存在濾波電容，電容器充放電存在瞬時(shí)尖峰電流，故一般考慮啟動(dòng)電流為額定電流的10～12倍[6]。故應(yīng)滿足

式中：In為斷路器整定電流，Ic為開關(guān)驅(qū)動(dòng)電源的額定電流。

簡(jiǎn)單計(jì)算可知，5個(gè)350 W的驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)配置至少C20的小型斷路器。而小型斷路器C曲線20 A整定電流決定了線纜的最小截面積為4 mm2。

2 夜景照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 多傳感器集成

建筑物夜景照明智能自動(dòng)化系統(tǒng)中的傳感器起著至關(guān)重要的作用，充當(dāng)了系統(tǒng)的“感知器官”，通過監(jiān)測(cè)環(huán)境因素，如光強(qiáng)、溫度、運(yùn)動(dòng)、聲音等數(shù)據(jù)，智能控制系統(tǒng)的自適應(yīng)功能，自動(dòng)調(diào)整照明效果。

1）運(yùn)動(dòng)感應(yīng)器（PIR傳感器）。通過被動(dòng)紅外感應(yīng)技術(shù)，PIR傳感器可以檢測(cè)到周圍環(huán)境中的熱量變化，特別是人體運(yùn)動(dòng)。這些傳感器在建筑物周圍的關(guān)鍵位置安裝，以便檢測(cè)到人員的活動(dòng)。一旦運(yùn)動(dòng)被檢測(cè)到，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)定的策略和場(chǎng)景自動(dòng)調(diào)整照明亮度和顏色。

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2）光敏感應(yīng)器（光敏電阻器或光敏二極管）。光敏感應(yīng)器能感知周圍環(huán)境的光強(qiáng)度。這些傳感器用于調(diào)整照明系統(tǒng)的亮度水平，以確保在光線足夠的情況下照明保持最低程度。在夜間或光線較暗的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)增加照明強(qiáng)度，以滿足安全和舒適性的要求。

3）溫度傳感器。溫度傳感器用于監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度。傳感器可以在溫度變化較大時(shí)調(diào)整照明系統(tǒng)，以提供更舒適的照明環(huán)境。例如，在天氣較冷時(shí)，系統(tǒng)可以增加照明亮度來提供額外的熱量。

4）環(huán)境光傳感器。環(huán)境光傳感器測(cè)量周圍環(huán)境中的光強(qiáng)度和光譜分布。這些數(shù)據(jù)可用于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)照明，根據(jù)日出、日落和自然光變化來調(diào)整照明效果，最大程度地模仿自然光。

傳感器在建筑物夜景照明電氣設(shè)計(jì)中起著重要的作用。通過集成傳感器，建筑物夜景照明系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境條件和需求進(jìn)行智能調(diào)整，提供更高效、舒適和節(jié)能的照明效果。傳感器數(shù)據(jù)可以與控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)，提升夜景照明的質(zhì)量和用戶體驗(yàn)。

2.2 控制器設(shè)計(jì)

建筑物夜景照明智能自動(dòng)化系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)包括以下關(guān)鍵組成部分。

1）微控制單元（MCU）。系統(tǒng)的核心控制單元是一款高性能的微控制器，負(fù)責(zé)接收和處理來自各種傳感器的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，如光強(qiáng)、溫度、運(yùn)動(dòng)、聲音等。MCU使用嵌入式程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行決策，并生成相應(yīng)的控制信號(hào)。

2）通信模塊。控制器配備通信模塊，通常采用Ethernet、Wi-Fi或者其他無線通信協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)與云平臺(tái)和遠(yuǎn)程監(jiān)控的連接。應(yīng)用通信模塊，管理員可以遠(yuǎn)程訪問系統(tǒng)，監(jiān)控性能、更新設(shè)置并接收警報(bào)通知。

3）時(shí)鐘和日歷模塊。為實(shí)現(xiàn)按時(shí)間調(diào)整照明效果的功能，系統(tǒng)集成了精確的時(shí)鐘和日歷模塊，以跟蹤時(shí)間、日期和季節(jié)。因此，系統(tǒng)可以根據(jù)日出、日落時(shí)間自動(dòng)切換照明場(chǎng)景。

2.3 云連接和遠(yuǎn)程管理

1）云連接。云連接是建筑物夜景照明系統(tǒng)與云服務(wù)器實(shí)時(shí)通信的關(guān)鍵部分，允許管理員和系統(tǒng)運(yùn)維人員從任何具有互聯(lián)網(wǎng)連接的位置監(jiān)控照明系統(tǒng)。云連接包括以下幾方面：

傳感器數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)中的傳感器不斷采集環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸。采集的數(shù)據(jù)通過本地控制器處理，并通過安全的通信協(xié)議（通常是HTTPS或MQTT）加密傳輸?shù)皆品?wù)器；云服務(wù)器。云服務(wù)器位于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)接收、存儲(chǔ)和處理來自建筑物夜景照明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

2）遠(yuǎn)程管理。云連接為遠(yuǎn)程管理提供了平臺(tái)，管理員和系統(tǒng)運(yùn)維人員可以通過Web界面或?qū)Ｓ脩?yīng)用程序執(zhí)行以下操作：遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)照明系統(tǒng)的性能，包括亮度、顏色、能源消耗等。這可以通過數(shù)據(jù)可視化圖表、實(shí)時(shí)儀表盤和警報(bào)通知實(shí)現(xiàn)；遠(yuǎn)程控制。遠(yuǎn)程調(diào)整照明設(shè)置，包括亮度、顏色和場(chǎng)景模式。管理員可以根據(jù)需要靈活地改變照明效果；定時(shí)和計(jì)劃。設(shè)置定時(shí)任務(wù)和計(jì)劃，以自動(dòng)調(diào)整照明，例如，根據(jù)日出和日落時(shí)間自動(dòng)切換場(chǎng)景，或在特定時(shí)間關(guān)閉照明以節(jié)省能源；警報(bào)和故障管理。接收實(shí)時(shí)警報(bào)通知，以便及時(shí)處理故障、燈具損壞或異常情況；安全性。云連接和遠(yuǎn)程管理的關(guān)鍵方面之一是確保數(shù)據(jù)安全和隱私。這可以通過使用加密通信、身份驗(yàn)證和授權(quán)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)，以確保只有授權(quán)人員能訪問和控制照明系統(tǒng)。

2.4 智能場(chǎng)景模式

研究設(shè)計(jì)的建筑物夜景照明智能系統(tǒng)主要有4種模式：

1）正常工作模式。正常工作模式是建筑物夜景照明系統(tǒng)的默認(rèn)模式，自動(dòng)根據(jù)日出和日落時(shí)間來調(diào)整照明設(shè)置。在這種模式下，系統(tǒng)根據(jù)自然光線的變化智能地調(diào)整LED燈具的亮度和色溫，以維持室內(nèi)環(huán)境的舒適度和能源效率。這意味著在白天照明較亮的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)降低亮度和色溫，而在夜晚或昏暗的環(huán)境中，會(huì)增加亮度和改變色溫，以確保最佳的視覺體驗(yàn)。

2）活動(dòng)模式。活動(dòng)模式是一種手動(dòng)或根據(jù)特殊活動(dòng)的時(shí)間表激活的模式。在這個(gè)模式下，系統(tǒng)提供特殊的照明效果，如顏色的變化、閃爍、漸變等，以增強(qiáng)活動(dòng)的氛圍和吸引力。這可以用于特殊場(chǎng)合，如派對(duì)、慶典或演出，以創(chuàng)造令人難忘的照明效果。

3）安全模式。安全模式是一種手動(dòng)或根據(jù)安全警報(bào)激活的模式。當(dāng)安全模式激活時(shí)，系統(tǒng)會(huì)突出顯示關(guān)鍵區(qū)域的照明，如緊急出口、安全通道等，以提高建筑物的安全性。這個(gè)模式可用于緊急情況或需要額外安全措施的情況，確保人員的安全。

4）節(jié)能模式。節(jié)能模式是一種手動(dòng)或根據(jù)時(shí)間表激活的模式，旨在最小化照明亮度和能源消耗。在這個(gè)模式下，系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉不必要的燈具，降低亮度，節(jié)省電能。

2.5 故障診斷和報(bào)警

建筑物夜景照明智能系統(tǒng)的故障診斷和報(bào)警通過多種傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境和設(shè)備參數(shù)。傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析和比對(duì)，如果發(fā)現(xiàn)異常或超出設(shè)定范圍的情況，系統(tǒng)將診斷潛在故障并觸發(fā)報(bào)警。報(bào)警可以通過多種方式通知管理員，包括聲音、燈光、電子郵件或短信。故障診斷和報(bào)警系統(tǒng)是保障夜景照明系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。智能系統(tǒng)中故障診斷的數(shù)據(jù)流圖如圖2所示。

圖2 智能系統(tǒng)中故障診斷的數(shù)據(jù)流圖

這一夜景照明控制系統(tǒng)方案綜合運(yùn)用了多傳感器集成，包括運(yùn)動(dòng)感應(yīng)器、光敏感應(yīng)器、溫度傳感器和環(huán)境光傳感器，以實(shí)現(xiàn)智能照明調(diào)整。控制器設(shè)計(jì)以微控制單元（MCU）為核心，具備通信模塊和時(shí)鐘日歷模塊，支持云連接和遠(yuǎn)程管理，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制和節(jié)能調(diào)整。此外，智能場(chǎng)景模式包括正常工作、活動(dòng)、安全和節(jié)能模式，可根據(jù)需求自動(dòng)切換照明效果。系統(tǒng)還提供故障診斷和報(bào)警功能，通過多傳感器監(jiān)測(cè)和多種通知方式，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。這一綜合方案旨在提供高效、舒適、安全和節(jié)能的夜景照明體驗(yàn)。

3 案例研究

城市文化中心夜景照明升級(jí)項(xiàng)目為一個(gè)典型的實(shí)際案例，展示了建筑物夜景照明電氣智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。控制器設(shè)計(jì)方面，該系統(tǒng)采用了先進(jìn)的控制器，具備亮度和顏色調(diào)節(jié)功能，通過生成PWM信號(hào)來精確控制LED燈具的亮度，并根據(jù)RGB LED的色彩模型生成各種顏色效果，可以根據(jù)不同活動(dòng)的需求創(chuàng)造出多彩多樣的照明效果。系統(tǒng)還配備了故障診斷和報(bào)警功能，傳感器定期監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境條件，如果發(fā)現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)將立即觸發(fā)報(bào)警，并通過電子郵件通知維護(hù)團(tuán)隊(duì)，有助于快速解決問題，保證文化中心的正常運(yùn)營(yíng)。同時(shí)，該系統(tǒng)還支持云連接和遠(yuǎn)程管理，管理員可以通過智能手機(jī)或計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理照明系統(tǒng)。其智能系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 城市文化中心夜景照明智能系統(tǒng)

夜景照明電氣智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和升級(jí)，在城市文化中心建設(shè)中取得了顯著成效，不僅改善了夜景效果，還提高了能源效率和系統(tǒng)管理的便捷性。夜間活動(dòng)的吸引力得到了提升，不僅提高了市民和游客的體驗(yàn)，還吸引了更多的文化活動(dòng)和演出，同時(shí)也節(jié)約了20%的能源開支，有助于減少環(huán)境影響。

4 結(jié)論

文章深入探討了建筑物夜景照明電氣設(shè)計(jì)的多個(gè)關(guān)鍵方面，強(qiáng)調(diào)了其在現(xiàn)代城市和建筑設(shè)計(jì)中的重要性。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和傳感器集成使照明系統(tǒng)能更智能地適應(yīng)環(huán)境和需求變化，提高了用戶體驗(yàn)和能源利用效率。云連接和遠(yuǎn)程管理的引入為系統(tǒng)的監(jiān)控和維護(hù)帶來了更大的便利，同時(shí)故障診斷和報(bào)警系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的可靠性和可用性。城市文化中心的成功案例展示了電氣智能系統(tǒng)在提高夜景效果、能源效率和系統(tǒng)管理便捷性方面的作用，為城市的文化和藝術(shù)活動(dòng)增色不少。