民用建筑电气数字照明节能控制方法

李苗

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510000）

电气数字照明系统是民用建筑的主要能耗源。据发表在豆丁网上的《浅谈建筑照明能耗与环境的公共政策》可知，我国建筑照明能耗占到整个建筑电量能耗的25%～35%，民用建筑电气数字照明多数以低效照明为主，具有较大的节能潜力。自改革开放以来，建筑行业有了很大的发展，虽然在一定程度上推动了城市化进程，但是也增加了民用建筑能耗，在国内民用建筑中电气数字照明设备比较多，在当今国家大力号召可持续发展环境背景下，需要优化民用建筑电气设备照明系统，采取有效的控制手段对其进行节能控制，杜绝电气数字照明中的能源浪费现象。最初民用建筑中采取的照明节能控制方式为手动方式，由人工定时定点关闭和开启照明设备开关，这种方式不仅控制效率比较低，而且比较麻烦。随着信息技术和自动化技术的发展，民用建筑逐渐采取自动化控制方式，将信息技术与电气数字照明节能控制融合在一起，根据照明需求实时调控照明设备开关和亮度，以此达到节能的目的。由于国内民用建筑电气数字照明节能自动化控制起步比较晚，现有的技术和理论还不够成熟。文献[1]提出基于模糊控制的教室中央空调与照明智能节能系统方法，主要阐述利用图像处理技术实现中央空调与照明的智能节能控制和使用模糊控制算法实现教室温度的节能控制。文献[2]提出基于人眼视觉的隧道照明控制系统方法，设计基于人眼视觉的隧道照明的控制系统，通过地磁传感器、光敏传感器等监控设备采集信息并智能化控制灯光的明亮程度，完成对照明节能的控制。但是上述方法在实际应用中仍存在节能效果差、照明用电量高等问题，为此，本文提出民用建筑电气数字照明节能控制方法，利用亮度检测器和红外传感器采集亮度数据，然后通过总线通信方式将数据传输到计算机上，并根据当地日出日落时间等情况，对照明开关时间自适应调整。在上述的照明时间内根据照明亮度需求采用PID控制算法对照明亮度参数进行优化控制。实验结果表明，本文的方法平均用电量为73．52kWh，具有一定的技术性和实用性。

1．1 照明环境检测

电气数字照明节能控制的最终目的是减少照明用电量，降低照明能耗，电气数字照明用电量表达式为：

式中：F表示电气数字照明用电量；
W表示单个照明灯具消耗的电功率；
T表示照明灯具开启时间；
X表示民用建筑电气数字照明设计照度；
A表示照明总面积；
G表示单个照明灯具光束；
J表示照明灯具的照明率；
K表示单个照明灯具照度；
μ表示照明灯具的综合效率。从上述公式可以看出，要想降低照明用电量，可以从以下两个方面入手：一是减小公式（1）中的分子值，因式中分子可以改变照明时间，因此通过对照明时间进行控制，可达到降低用电量的目的；
二是增大公式（1）中的分母值以提高照明灯具的照明率，由于灯具的照明率与照明灯具的亮度相关，因此可以通过优化灯具的照明亮度提高照明率，从而实现照明节能的目的。通过以上分析，本文提出照明节能控制的思路主要分为两步，即调控照明开关时间和照明亮度。对照明开关时间和亮度的控制，应以照明需求为前提，因此首先需要检测照明环境，确定控制区域内实际亮度、区域内人员数量等。在待控制区域内安装检测器，用于测量照明环境数据。检测器主要包括亮度检测器和红外传感器，亮度传感器主要用于采集环境亮度数据，红外传感器主要采集环境内人员和车辆数据。将亮度检测器安装在楼梯间、电梯间和室外路灯上方，采集到数据后通过RS161总线通信方式将数据传输到计算机上，用于后续的控制和分析。

1．2 开关灯时间自适应调整

白天大多具有太阳光的照射，所以灯具的照明大多是集中在夜间，鉴于此，本文将照明分析与研究的重点放在午夜。通过对照明环境数据的分析，实现对照明灯具开关时间的自适应调整。对于夜间的定义为当日日落到第二日日出，这一时间段为夜间，由于夜间没有太阳光照射，大多时段需要开启灯具进行照明。根据民用建筑所在地的地理位置，计算出当地每天日出时间和日落时间，其计算公式为：

式中：T1表示民用建筑所在地每天日出时间；
T2表示民用建筑所在地每天日落时间；
t表示世纪数；
α表示民用建筑所在地的平近点角；
β表示民用建筑所在地的地球倾角；
γ表示民用建筑所在地的太阳偏角；
L表示平黄径；
r表示民用建筑所在地的经度。将当日日落到第二日日出时间段用1表示，将其余时间段用0表示，根据公式（2）的计算值开启和关闭照明开关，即在其时间段输入0，关闭照明开关；
在当日日落到第二日日出时间段输入1，开启照明开关，在这一时间段内如果区域内无人或者无车辆通行，则也不需要开启照明开关[3]。因此，根据红外传感器采集到的图像数据，将行人和车辆作为识别目标，检测环境中是否存在目标。当存在行人和车辆时，输入开关控制指令1，当没有识别到目标时，则输入开关控制指令0，以此自适应调整照明开关时间。

1．3 数字照明亮度优化控制

根据上述分析可知，照明亮度越高，照明用电量就越大，因此在开启照明开关的时间段内，采用PID控制算法对照明亮度数据进行优化控制，模拟PID原理图如图1所示。

图1 模拟PID原理图

根据亮度需求，对照明亮度数据进行加权的比例、积分、微分运算。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值t（t）和实际输出值u（t）计算出控制偏差值r（t）为：

将偏差的比例、积分、微分通过线性组合构成控制量，构建PID调节器的控制律i（t）为：

式中：Lp是比例增益系数，其控制效果是减少响应曲线的上升时间及静态误差，但无法消除静态误差，Lp增大时，可能会引起系统的不稳定；
Yl是积分时间常数；
LD是微分增益系数。

根据上述的PID调节器控制律，可实现对照明的控制，其用公式表示为：

式中：e表示优化后的电气数字照明亮度值；
D表示比例增益参数；
M表示积分时间参数；
d表示照明需求亮度值；
P表示微分时间参数；
D表示当前亮度值；
x表示照明设计亮度值[4]。从上述公式可以看出，PID控制过程中的微分、积分和比例三个参数组合，决定了电气数字照明的节能控制状态[5]。根据实际情况以及民用建筑电气数字照明的实际需求，将三个参数设定为0．6、0．4 和 0．12[6]。在控制过程中，还要根据控制需求，输出优化亮度值，正常情况下区域内人流量和车流量越小，照明亮度需求越小，将民用建筑照明亮度设计值设定为亮度上限，并根据区域内人流量和车流量对亮度进行折减，其折减系数为：

式中：k表示电气数字照明亮度折减系数；
N表示当前环境内人流量和车流量总和；
R表示区域内人流量与车流量最小值；
Z表示区域内人流量与车流量最大值；
kh、kp分别表示区域内流量超出设计流量上限和下限情况对应的折减系数[7]。根据计算得到的折减系数，确定照明亮度的需求值为：

将数据代入上式，计算得到照明亮度需求，再将其代入到公式（6）中，计算得到照明亮度的优化值，根据计算结果不断调整照明亮度，以此实现对其的节能控制。

为了验证本文提出的节能控制思路的可行性和可靠性，选取某办公民用建筑为实验对象。该民用建筑电气数字照明系统中共包含24个路灯和25个开关，其中24个独立开关和1个总开关。在未采取任何节能控制措施的情况下，该民用建筑电气数字照明日平均用电量为173．56kWh，能耗较高。选取两个传统方法设计一组对比实验，传统方法分别为基于控制器与基于PLC技术，在下面叙述中用传统方法A与传统方法B表示，利用本文设计方法与两个传统方法，对该民用建筑电气数字照明进行节能控制。实验准备了10台SJHFH-4641亮度检测器和SFAGF-1544红外传感器。根据该民用建筑实际情况，将两个检测设备安装在楼层过道左上方、室外道路路灯上方等地方，将检测器的测量范围设置为0-20000lux，检测频率设定为 1．68Hz，检测周期设定为1．5s，测量角度设定为立体视角20°，实验共采集到3．62GB亮度数据。按照上述流程通过对数据分析，控制照明设备的开关和亮度。

实验中电气数字照明控制时间为7天，以照明用电量作为三种方法控制效果评价指标，使用电子表格记录每天的照明用电量，三种方法应用下照明用电量如表1所示。

表1 三种方法应用下照明用电量（kWh）

通过对上表中数据的分析可知，采用本文的设计方法，民用建筑电气数字照明用电量比较小，平均用电量为73．52kWh，相比未采取节能控制节约了将近42%的能耗，而两种传统方法的节能控制效果较差，其平均用电量分别为134．16 kWh和138．95kWh，仅分别节约能耗约35kWh和30kWh，均低于本文的设计方法。

针对传统节能控制方法存在的不足和缺陷，本文提出了一种新的民用建筑电气数字照明节能控制方法，有效解决了照明能耗较高的问题，降低了电气数字照明用电量。本文的研究对提高电气数字照明节能控制水平、减少民用建筑用电支出、提高民用建筑节能性等均具有良好的现实意义。

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