室内墙面照度传感器布置方法及照明调光控制系统的研究_百

1、室内墙面照度传感器布置方法及照明调光控 制系统的研究重庆大学硕士学位论文(学术学位学生姓名 指导教 专 :侯贺师:雍静教授 业:电气工程 学科门类:工学重庆大学电气工程学院 二0一二年五月Research on Wall Sensor Placement Method and Indoor Lighting Dimming Control SystemA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theMasterS Degree of EngineeringBvI

2、P"Hon HeSupervised by Prof.Yong JingSpecialty:Electrical E ngineering College of Electrical Engineeringof Chongqing University, Chongqing,ChinaMay,2012重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘 要针对照明负荷对电网产生的压力、及现代人们对照明光环境质量要求的不断 提高,照明系统的节能问题受到越来越多的关注,对照明调光系统节能的研究也 逐渐增多。就目前的照明调光控制系统来看,虽然其在节能方面起到了积极促进 的作用,但是仍然存在着被人忽略的问题,

3、如放置在室内工作面上的照度传感器 易受办公物品、人体活动等遮挡,促使调光系统动作不准确,进而导致电能资源 的浪费,因此就需要寻求合理的室内照度传感器的布置方法。为解决所提出的室 内照明调光控制系统不能使系统准确调光的问题,基于室内墙面与工作面照度之 间的比例关系模型,笔者提出了室内照度变化传递比的概念以及由墙面替代工作 面设置照度传感器的方法,又设计完成照明调光控制系统的硬件及软件组成,并 且在教室中使用了该传感器的布置方法进行仿真研究和实验研究,验证了该方法 的有效性。具体工作如下:基于室内墙面与工作面照度之间的比例关系模型,确定当光通量变化时, 墙面垂直照度与工作面水平照度间的照度变化传递

4、比。通过仿真和实验手段研究 了传感器在墙面上布置时,传感器与被调光源的方位关系对照度变化传递比的影 响,得出了适用于办公和阅览场所调光系统照度传递比的两个约束条件。满足该 约束条件即可获得室内墙面传感器的有效放置位置及所需数量。在墙面传感器布置方法的研究基础上,通过将墙面传感器的布置方法在 普通教室中的仿真研究,确定仅在室内墙面上布置传感器时对人工光源的调光控 制策略,及对调光效果仿真分析,说明该方法在照明空间中的具体应用。根据所提出的墙面传感器的布置方法,利用现有的照明实验室,设计完 成了一个多功能照明调光控制系统,通过对室内空间各区域光源的控制,测量记 录了相应的实验数据,并且与相同实验空

5、间的室内仿真进行对比分析,由实验结 果再次验证了墙面传感器布置方法的可行性,且能有效解决调光系统的误动作问 题。关键词:调光系统,照度变化传递比,照度bL侈,J模型,教室,照度传感器重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ABSRRACTEnergy.saving lighting system draws more andmore attention because the pressure generated by the lighting loads on the grid and the improved requirements ofmodem people to the quality o

6、f the lighting environment,the study on energy。saving lighting dimming system is also gradually increasing.Current lighting dimming control system which acts a positive promoting role on energysaving,however it also exists some inadequacies be neglected.As Office supplies and people may shade illumi

7、nance sensors installed on the table SO that the lighting dimming control system is not able tO act correctly,then lead to a waste of energy resources,SO a rational sensor placement method should be proposed.Inorder tO solve the proposed problem,based on the illuminance ratio model,an index of illum

8、inance.variation transfer ratio and an approach using sensors installed on wall instead of table were proposed,a lighting dimming system also had been designed and finished,and the proposed approachwas applied to a lighting dimming control system in classroom bysimulations and experiments,whichconfi

9、rmed the validity of the proposed approach.Based on the illuminance ratio model,choose an appropriate illnminance-variation transfer ratio between vertical illuminance on wall and horizontalillnminance on table.The effects of the location of sensor and controlled lighting onthe illnminance.variation

10、 transfer ratio were investigated bysimulations and experiments Two constraint conditions are presented for determining the location and number of sensors in an offjice or readingroom.The rational number and location of wallsensor can get by proposed constraint conditions.Based on wall.sensor placem

11、ent method,the proposed approach was applied to a lighting dimming control system in classroom,ensure indoor artificial light dimming control strategy,and analysis to dimming effect simulation,which confirmed the validity of the proposed approach.The specific application of proposed method was expla

12、ined in lightingroom.According to the proposed sensor placement method,a multi-functional lighting dimming system was designed and finished by existed lighting laboratory. Recorded corresponding experimental data by controlling each regional source,and the data were analyzed with indoor simulations

13、in the same experimental space.The validity of the proposed approach wasconfirmed by the experimental results and the IIproblem。f dimming contr。1systemc。uld not act correctly is res。lVedKev words:Dimming system,Transfer ratio,Illuminanceratio model,classroom, Illuminance sensorIII重庆大学硕士学位论文 目录 目录1.4

14、本章总结52.5本章小结.173墙面照度传感器设置方式在教室照明控制中的应用仿真18 3.1引言.18 3.2仿真空间描述.18 3.3墙面照度传感器安装位置及照度变化传递比.21 3.4调光控制策略.25 3.5调光效果仿真.263.6本章小结.284基于墙面布置传感器方法的照明调光控制系统29 4.1引言.29 4.2照明调光系统的控制方案.29重庆大学硕士学位论文 目录4.5本章小结.495结论和后续工作展望.50 5.1论文主要结论.50 5.2后续工作展望.50致谢52参考文献53附录56A.作者在攻读学位期间发表的论文目录:.56B.作者在正文中间无法列出的程序:.56 V重庆大学

15、硕士学位论文 1绪论 1绪论1.1问题的提出及研究意义随着社会文明进步,经济健康持续发展,不可再生能源的逐渐消耗,如今在 我国乃至全世界已经面临严重的资源紧缺现象,能源一直是我们人类赖以生存的 保障,资源面临枯竭理当引起我们广泛的重视。长期以来,保护环境、节约能源 已成为我们全人类共同关注的课题,针对日益增长的能源需求和能源消耗之间存 在的矛盾,各个领域都在寻求行之有效的解决办法。电能与人们的生活密切相关,近几十年,人类物质文明已有很大进步,与此 同时精神文明也快速向前发展,人们对居住、办公、学习环境质量及其舒适度要 求不断提高,建筑室内环境是人们接触最频繁和密切的环境,因此带来巨大的能 源消

16、耗,据统计空调系统的能量消耗一般占据了整个建筑耗电量的40%-50%左右 【11。建筑照明用电量也占很大比重,研究表明,2007年我国的总发电量为32559亿千瓦小时,年照明耗电达3900亿度,占全国电力消费总量的比重已经超过12%, 而且照明用电量平均每年还在以15%左右的速度递增,估计目前照明的用电量应 该占总量的20%30%左右。人们生活不断的奢侈化,室内照明装饰越来越美观, 灯具使用越来越多,给建筑照明也带来很大的压力,假如能够节约10%的照明用 电,按热当量换算,就等于节约152万桶石油,在能源越来越紧缺的情况下,这 是一个相当可观的数字【21。因此,照明的研究在当今社会具有重要意义

17、。众所周知,人们是通过五种器官来感知外部世界的,然后通过大脑做出适当 的反应。据统计,人类的五种感觉器官感知比例分别为:味觉1%,触觉1.5%,嗅 觉3.5%,听觉7%,视觉87%t31。由此可知,良好正常的视觉功能对人类来说是非 常重要的。但是据2004年卫生部、教育部的联合调查显示,我国的小学、初中、 高中学生的近视率分别为32.5%、59.4%、77.3%。我国学生近视患病率达60%, 从1998年的世界排名第四上跃居世界第二,患病人数达6000万,居世界之首, 大学生的近视患病率也显著增高,2002年上海市的中小学生视力不良率为 52.52%【4】引,导致眼睛近视的原因与教室内的照明环

18、境关系密切,室内照度不均匀, 照度水平偏低,室内眩光等因素对人的眼睛有极大的伤害,尤其是学生,正处于 成长时期,更加需要引起社会的关注;不仅教室的照明环境差,我国的大部分办 公建筑还是沿用传统的照明方式,办公室内工作面照度设计普遍偏高【6J,尽管较高 照度能使人们精神振奋,但是人眼作为视觉器官最能适应的是自然光,长期处于 人工照明的环境下不利于人的身心健康,所以人们充分利用自然光资源,当有自 然光强光照射时,就会使室内照度严重不均匀,人眼从明亮处到暗处需要一个视重庆大学硕士学位论文 1绪论觉适应过程,否则会有强烈的不舒适感,如果对自然光能够较好的利用,也会节 约很多电能的开支。考虑目前教室及办

19、公室室内光环境不能满足人们视觉以及身 心健康的需求,通过调节室内人工光源改善工作面照度不均匀、合理利用自然光 的照明研究更加势在必行。目前的照明调光系统中,照度传感器大都放置于工作面上【7131,由于办公文件 以及其他物品遮挡,室内人员走动不可避免,这些因素对传感器造成的影响导致 了调光系统误动作,长此以往,照明调光系统不仅失去了本身节能的意义,而且 增加了资源的浪费,室内照明环境还是没有从根本上得到改善,无法满足人们对 良好舒适工作环境的需求,为解决这样潜在问题,需要寻找一种较好的方法来布 置传感器,以此改善调光系统动作不准确的现象。当前,国内外文献中,在改善 系统误动作问题上及如何确定室内

20、传感器的布置方法上鲜有研究。照明传感器布置方法及室内照明调光系统的研究也充分体现了以人为本的绿 色和可持续照明的理念,可以为人们提供一个更加良好的工作环境,有益于人身 心健康且提高生产效率。在室内引入自然光可以营造一个动态的室内环境,通过 用户预设改变光源光通量,并不需要全部光源光通量都达到100%,在某些时候 有些光源可以是70%、30%、甚至更少,照明调光控制系统的使用不仅能够降低 用户电费支出,也能减轻供电压力,综上所述,研究课题具有良好的学术意义和 实用价值。1.2国内外研究现状电力资源短缺是目前我国面临的重大问题,照明负荷则成为造成电网压力大、 电力供应不足的原因之一。针对照明负荷对

21、电网产生的压力,人们不断的寻求在 不至影响人们正常工作、阅读的情况下能够减少照明用电能耗的有效办法。智能 化已经成为当今建筑发展的主流技术,但是大多数建筑物仍然沿用传统的照明控 制方式,部分智能大厦采用楼宇自控(BA系统来监控照明,但也只能实现简单的 区域照明和定时开关功能14】。智能化技术可以有效的解决照明系统存在的问题, 20世纪90年代的照明控制系统的研究基于现场总线技术,主要有EIB(欧洲安装总 线is】、欧洲业界推出的DALI系统(数字化可寻址调光接口】6_19】、在美国市场 占主导地位的是电力线载波X.10系统20-221、日系企业提出的HBS(家庭总线系统 23-241等,使用总

22、线技术促使照明控制与末端设备之间的布线更为简单或无需布线, 而且灵活、方便。照明调光系统在智能建筑中应用越来越广泛,是照明节能的重要手段。而且 现代办公室照明设计也向着更舒适、安全和节省能源的方向发展,经过十几年的重庆大学硕士学位论文 1绪论研究进展,研究重点己转向如何通过室内自动调光来满足人们心理上对工作环境 照明的需要,近年来,国内外对于照明调光系统的研究中,主要分为以下三个部 分:调光系统的执行机构(调光电子镇流器、控制器(控制策略、检测元件。 对于执行机构,即调光镇流器的研究,通过改善调光电子镇流器来提高光源 的效率,文献f251中提出一种开关占空比的调光方法,在半桥逆变器中,控制两个

23、 开关的占空因数(d来改变负载功率的简单办法,由于直流线路电压很高,开关 将承受高的切换应力,实际最小的占空因数也会限制荧光灯调光的范围。文献26提出通过改变半桥逆变器的开关频率以改变感抗,调节光源的供电频率,使光源 工作电流变化来实现调光。它具有调光效果较好、调光范围宽的优点。但由于需 要较宽的开关频率范围,所以对输入滤波器的要求较高,而且调光过程中,开关 频率的增加明显增加了镇流器的开关损耗和铁心损耗。在文献271128中提出了采 用模拟调光电压来改变电光源的交流供电电压的调光方法,该调光法的调光效果 较好,并且调光功率范围可以做得较大。文献29提出通过使逆变器以恒定的开关 频率操作,改变

24、直流线路电压的调光控制,利用逆变器直流线路电压的可改变性, 能对荧光灯系统提供平稳而理想的调光控制。电压控制法的显著特点是当灯的功 率减小时,总的镇流器损耗降低,与频率调光法相比能更有效的节能。目前,荧 光灯的电子镇流器的调光技术日趋完善,可调光技术的发展为照明调光系统的研 究提供了良好的调光基础【j小如J。对于调光控制器的研究主要是对调光系统控制策略的研究,FRANCISM等人 提出了分时段控制、根据采光量控制等方法36】,这对于白昼期间能够使室内照明 更有效的利用自然光,也有学者提出恒照度控制(保持场所的照度不随目光的变 化而改变、场景控制(根据场景需要投入适量的灯具工作、动静探测控制(根

25、 据人员走动情况对照明灯具进行控制等方法37】,文献38.41研究在室内以天然 采光为主,通过自动调光系统补光的控制策略。文献42】研究利用模糊神经网络控 制建立室内照度和窗帘旋转角度之间数学模型,调整百叶帘的遮阳角度来使工作 面上的照度值达到视觉舒适度要求,当照度仍不能满足设定值要求时,采取照明 补光控制方式,这些控制策略的提出对于节约照明耗电有巨大的作用。照明系统中的执行机构和控制器的研究已经较为成熟,但对于检测元件的使 用与布置方法介绍甚少,用于室内照明控制系统的检测元件主要有光敏电阻、照 度传感器,其中,光敏电阻主要用于工厂、博物馆、图书馆等大型场所,照度传 感器主要用于办公室、教室等

26、场所来检测室内工作面的平均照度,照度传感器是 使用最为广泛的检测元件,可以用于照明控制系统的多级及连续调光控制。若在 理想无人的环境条件下,使用照度传感器的调光系统会得到较好的控制效果,能 够节约电能,反之则不然。重庆大学硕士学位论文 1绪论虽然调光系统的使用起到很好的节能作用,但往往被人忽视的一个问题就是 照度传感器大都放置在工作面上,很容易受办公文件等遮挡,墙面的传感器放置 位置偏低,当室内人员走动时都可能会影响照度传感器的正常工作,这些因素都 会导致室内光环境质量变差,或实验结果不够准确。而在照度传感器受遮挡的情 况下,系统不能正常调光使工作面上的照度水平达到要求,如果长时间处于不理 想

27、的工作光环境中,会给办公人员带来极大的不便,也会导致电能的浪费。文献4849提出以光通传递函数为基础,通过建立光通传递函数矩阵,分别提出基于光通 传递函数矩阵的单光源和多光源照度比例模型,说明密闭空间内任意两点之间照 度成一定比例关系。文献50在照明系统的研究中给出一些光源与传感器的布置原 则:灯具布置需满足工作、生活需求;传感器的分布必须能够真实的反映室 内照度;光源与传感器之间须无障碍,传感器的分布位置在满足前一条件的基 础上可适当调节。这些规则只是从表面上提出一些传感器的布置方法,但在实际 操作中却没有给出具体的传感器布置标准,布置原则比较含糊,不容易把握。 综上所述,目前照明调光控制系

28、统中传感器的布置尚未形成较成熟的布置方 法,并且对系统中普遍存在误动作问题的研究暂未见报道,如何解决以上问题成 为照明调光系统研究的主题之一。重庆大学硕士学位论文 1绪论1.3本文的研究内容基于前述,本论文的总体研究工作是:为满足室内人们正常工作、学习的工作 面照度要求,并且能够避免调光系统的误动作,研究室内墙面照度与工作面照度 的比例关系,提出室内照度变化传递比,研究照度变化传递比的影响因素,以此 分析室内传感器在室内墙面上的布置位置,得到墙面传感器的布置方法,通过对 教室的仿真应用说明该方法的使用及其有效性,再由设计的室内照明调光控制系 统,以实际照明空间作为对象,分析墙面传感器的布置方法

29、的可行性及验证墙面 传感器布置方法能够有效解决调光系统误动作的问题。具体的研究内容包括:以照度比例模型为基础,研究室内工作面与墙面在单个或多个光源同时变 化时任意两点的照度变化比例关系,提出照度变化传递比。实地测量室内照度变化数据,说明照度变化传递比的唯一性。分析室内对照度变化传递比可能产生影响的因素,采用DIALux照明仿真 计算软件建立仿真模型,分别对各影响因素分析,确定室内放置墙面传感器的方 法。应用所提出的室内墙面传感器的布置方法,利用DIALux仿真,建立一教 室仿真空间,说明传感器布置方法在大空间场所的使用方法,研究其调光的控制 策略。搭建完成在墙面上布置传感器(基于墙面布置传感器

30、方法的照明调光控 制系统,并将其应用到实际的照明空间内,再次由仿真及实验来说明传感器布置 方法的实用性,验证其能够有效解决调光系统误动作的问题。1.4本章总结本章首先简要的论述了照明调光系统的研究意义和国内外对照明系统研究及 室内传感器布置方法的研究现状,分析了论文的研究意义,最后对本论文研究的 主要内容做了简要概括。重庆大学硕士学位论文 2墙面照度传感器的布置方法2墙面照度传感器的布置方法2.1引言 .室内照明控制系统主要包括三个部分:即检测元件、控制器和执行机构。目 前对照明系统的控制策略方法及电子镇流器技术的研究颇为广泛,对于检测元件 来说,用于室内照明控制系统的检测元件主要有光敏电阻、

31、照度传感器,其中, 光敏电阻主要用于工厂、博物馆、图书馆等大型场所,照度传感器主要用于办公 室、教室等场所来检测室内工作面的平均照度,照度传感器使用较多,可以用于 照明控制系统的多级或连续调光控制。基于目前的室内照明控制系统来看,照度 传感器大都是放置于工作面上10-13135】【43郴,直接将照明控制目标一一工作面照度 的当前状态输入到控制系统,通过控制器和执行机构达到调整工作面照度至目标 状态的目的,也有将照度传感器布置在墙面上【1¨,检测的照度用于综合评价室内 照度均匀水平,但传感器的放置位置偏低,且并无规则可循。这种照度传感器设 置方式在没有干扰的理想条件下,试验研究结论是正

32、确的,但是,照度传感器是 一种点照度检测元件,在实际工作或生活场所的运用中,当将其置于工作面时, 极易受到附近正常人体活动的影响,照度输出非常敏感,不能正确反映工作面上 照度,从而使得控制系统的控制结果变坏,这也正是这种控制系统在理论上可行, 但不能很好推广应用的原因之一。在照明调光控制系统的研究中,对控制策略、调光电子镇流器的研究已趋近 于成熟,而对于检测元件的布置位置及方法鲜有研究,检测元件位置的好坏直接 关系到照明调光系统的准确性。国内有学者提出了室内的照度比例模型,即在有 人工照明且室内光源位置固定时,任意两点之间的照度值对应成一定比例关系, 基于此,本章提出一种在墙面上设置传感器的方

33、法,通过墙面传感器输出照度值, 以一定比例关系间接反映工作面照度,该比例系数可以由DIALux仿真得到,由于 墙面上合理位置布置传感器受人员活动影响较小,可有效提高控制的准确性。 但是在室内照明空间内,在墙面上布置传感器需要考虑传感器的位置,数量, 如果传感器的放置位置较低,如低于人体的身高,若系统正在工作一一检测照度 以备系统计算调光,此时室内人员活动,必然会使传感器采集的照度值产生严重 影响,无疑与将传感器放置在工作面上效果一样,致使调光系统动作出现误差, 若放置位置距离光源较远,在干扰无法避免的情况下,也不利于系统调光的准确 性,由此可见,寻求一种有效的传感器的布置方法来优化系统调光的效

34、果尤为重 要。重庆大学硕士学位论文 2墙面照度传感器的布置方法2.2照度变化传递比欲以墙面某点的照度来间接反映工作面某点的照度,必须在二者之间建立起 一定的比例关系。在一个密闭空间内,入射到室内各表面上的光,有一部分被吸 收,另一部分被反射。被反射的部分可能会照射到室内的其他表面上,然后在那 里又要被吸收或反射。可以这样认为,这一吸收反射的过程要发生无数次,这种 通过多次反射光反射交换的现象称之为相互反射p¨。由于光线相互反射,室内某一点的照度不仅由光源的直射光产生,还有多次 反射光的贡献。为了研究整个空间中各个面的相互反射影响,需要将这些面分割 成多个小面,每一个小面可以看做是均匀

35、发光体。本节结合Moon.Spencer的相互反射理论和OBrien的光通传递函数【4川,同时 又考虑直射照度和反射照度对照度计算的影响,由基于光通传递函数的照度矩阵 的照明计算方法【48,计算室内各个面的直射照度及各个面之间的相互反射照度。 假设一具有”个平面的闭合空间,各表面均为均匀漫反射面。点J、尼所在平 面么,、么女的位置关系如图2.1所示,其反射率分别为P,、P。岛,图2.1均匀漫反射面A,、A女的位置关系示意of two uniform diffuse reflections点,所对应的微元面4的最终照度弓由两部分组成:直射照度E够和反射照度 即:Ej2E鸯+E吩设微元面彳女的最终

36、照度西,那么么面反射出的光通量为:f弧LkAk=pkEkAk由A的反射并投射到Aj的光通量可根据光通传递理论得:(2.1 (2.2重庆大学硕士学位论文 2墙面照度传感器的布置方法旷峨=P女EkAkF柯=P女EkAkFjk 式中:%刊女到彳,的光通传递系数。叫,到Ak的光通传递系数。由于么女的反射,在么,上产生的平均照度为:%乎:丛竽:屏最啄 fi2彳邓啦一jk又由于各个表面反射,在彳,上产生的平均照度为:(2.3 (2.4 (2.5在足够小的情况下,可将视之为点,的反射点照度。若同时考虑直射照度和反射照度的情况,点,的照度42为:E,=%+%=彳,g,+nE。FJ。(2.6,-1k,=l 厅,

37、 可由矩阵表示为:1一P1E1一岛E。 即:尼=Aeop2互21一仍E2式中,F=A=1一岛五,P1F01一P。E。 一P。E。1 14。4:41彳224, 以:一p2曩21一P2C2E1E2 Er 4, 4:421么224l 么。2一岛E。 一成E。1 1 4。么2。 以。 4。 么2。 Anm 西1西2 或(2.7 E D 。旧嘶II 咖 【王。料哪 =口 E重庆大学硕士学位论文 2墙面照度传感器的布置方法或=设G=F-1彳那么:E=GF吼即:其中:巨 如:Er缉2函,西2GllG12G21G22G,G:1一PlEl一P1E1一P2E21一P2E2岛西2:咳一岛E。 一P。E。114。 4

38、:4, 4:以,4:4。鸣。, 以。(2.8其中E和函为各点照度和光通量构成的矩阵,GF为光通传递函数矩阵,G,t为光 源足对点,的光通传递函数,在光源位置确定的情况下,G欣由室内各点的相对位置唯 一确定,不随光源输出光通量的改变而改变。由上述空间内各目标点的照度E和各光源光通量西可知:当各光源位置不变, 己知各光源的光通量西1、西2、函。时,对于空间内两个点(如墙面上f点和工 作面上,点的照度之比为:K:旦(2.9E,即:K:g!垒±g:垒:±g!垒(2.10G门痧1+G哆+,。 函 。 . /2G由式2.10可知:室内两点的照度值之比可由室内光通传递函数和各光源光通量唯

39、一确定。由上文可知,室内任意两点之间的照度值之比可以计算,但比值与各光源输 出光通量相关,若室内某光源光通量改变,则需要再次计算两点之间的照度比, 在照明调光系统中,需要实时检测各光源的光通量,且预先估计出光通传递函数 值来更新计算此比值,实时检测各光源的光通量不易实现,每次计算该比值也增晰卅卅瓯q;q重庆大学硕士学位论文 2墙面照度传感器的布置方法加了调光控制系统实现的困难,同时也提高了对调光系统精确度的要求。如果通过检测墙面照度变量能得到工作面照度同时变化了多少,如果已知初 始工作面照度,就可以计算该工作面调光后的照度。当室内各光源位置保持不变,但光通量发生变化时,变化量分别为多1、 函2

40、、函。,对于空间内任意两个点(如墙面上i点和工作面上.,点的照度变 化之比可由式2.11表示:耻筹即:K:g!垒竺!±g:2垒竺2:±g坐垒竺。“G,1西1+G,2少2+G,。多。由式2.12可见,如果空间内仅有一个光源g的光通量变化, 照度变化比唯一确定的比值为:(2.11 (2.12 则任意两个点的K,(g=生 (2.13 L,Jg如果空间内有,?个光源同时具有相同的光通量变化,则任意两个点的照度变 化比由光通传递函数唯一确定的比例值:K肌2船1:g!±墅:±亟 (2.14 " 7G门+G,2+G朋因此当室内只有一个光源调光,或有多个光源以

41、相同的光通量变化调光时, 墙面垂直照度变化量E上与光源中心下方工作面上的水平照度变化量E之比(文 中称为照度变化传递比肛E上/AE恒定。所以在此条件下,理论上可以以墙面 设置的传感器代替工作面照度传感器对工作面照度进行调节。由上文理论推导可以得知,在照明调光系统中,可以在室内墙面上放置照度 传感器代替在工作面上放置照度传感器,为了进一步验证该理论推导可行性及照 度传递比的唯一性,利用已有的照明实验室进行实地数据测量。实际测量数据也 证明了当光源光通量变化时,墙面某点P与工作面某点Q的照度变化成固定的比 例关系。实测空间环境平面如图2.2所示,室内空间高2.8m,工作面距地面O.75m,顶 棚及

42、四周墙壁均为大白粉刷(p=0.7,地面为混凝土(p=0.2,均为漫反射材料, 室内布置六套双直管荧光灯,光源为YG2.1简式荧光灯,单管光通量为30001m, 功率为36W,安装高度为2.6m,室内每套光源均配有手动调光设备,可单独自由重庆大学硕士学位论文 2墙面照度传感器的布置方法改变室内各光源的光通量。室内窗由窗帘遮挡,无昼光影响,仅改变一盏灯的光 通量(调光,Q点照度为光源正下方的工作面水平照度,P点照度为距地1.8m 高的墙面垂直照度。墙3bq 25001500L 2500451111 I刊n oN U1口 Nm _.I且l.I卜<一Q NP '一从【 25331267图

43、2.2实测空间平面Q点与P点的初始照度分别为2071x、73.51x,通过改变室内光源的光通量, 使Q点照度每次均匀变化101x,记录P、Q两点照度值及相应的照度变化值,数据如 表2.1所示,计算出的照度变化传递比K也列于该表中。表2.1室内照度变化传递比(K由表2.1中数据我们可以得知:照度变化传递比K并未呈现出唯一确定的值,实 际的测量中也会存在一些因素导致测量结果未达到预期效果,如测量时室内的人 员走动影响及仪器本身的测量误差等的影响,K值会出现一定的波动,尽管有这样 的偏差,但由表中数据来看,K值总体上还是基本恒定的,由此也可以验证室内墙 面放置照度传感器是可行的。重庆大学硕士学位论文

44、 2墙面照度传感器的布置方法2.3影响照度变化传递比的因素当采用墙面照度传感器进行照明调光控制时,照度变化传递比的确定是影响 调光控制有效性和准确度的重要因素,因此准确确定照度变化传递比是很有必要 的。照度变化传递比的准确性有两个条件约束:触发调光指令的墙面传感器照度变化量世上足够大。室内人员正常走动是 不可避免的,当人体活动时,不仅对光源在传感器位置产生的直射照度有影响, 同时也影响着顶棚、地面及其余墙面对该位置产生的反射照度,近光源的点的反 射照度相对于直射照度很小,可近似忽略不计,但由于顶棚及墙面的反射比较高, 所以,靠近顶棚或墙面点的反射照度在其照度值上相对于前者占的比重较大;当 传感

45、器布置在墙面时,若传感器布置的位置低于人体的身高时,则人体活动瞬间 对传感器的影响是极大的,传感器对光的感应是十分灵敏的,由此严重影响调光 系统的准确性。由此分析可知,传感器的布置应极力避免人体活动对光源在传感 器上产生直射照度的影响,即传感器需要放置在墙面上足够高的位置,且用于触 发调光指令的墙面传感器照度变化量E上必须躲过室内人员活动影响造成的传感 器照度波动。照度变化传递比K足够大。由式2.11可知,当墙面传感器照度变化量E上 一定时,K越小就意味着工作面上每次调光的照度变化量E越大。在办公及教学 建筑中人们获取的信息大约87%是来自于视觉器官的,照明光环境的设计当以满 足以人为本的原则

46、,良好的照明环境不仅影响人们的身心健康,而且还能够提高 室内人员的工作及学习效率,故在照明调光系统中,工作面上每次调光的照度变 化率应适当,若照度梯度一次变化过大,会使人眼睛感觉不舒适,影响身心健康, 减缓生产效率。若偏小,则会增加调光系统中照度传感器的检测误差,降低了调 光系统的准确性,因此需要确定合适的照度变化传递比。若视较明显、很明显两个状态所对应的变量不适宜用来调光,同时为保证墙 面的照度变化量足够大,工作面上的照度变化量也不能过小,则由表2.2中数据可 知:照度变量不大于501x时对应的人数比例K接近75%,兼顾以上条件,工作面 照度变化量在30501x以内为宜,将不会对一般的视觉工

47、作造成大的影响,即调光 时其工作面上照度变化率不应超过16%。重庆大学硕士学位论文 2墙面照度传感器的布置方法依据上述分析结果可得出如下照度变化传递比计算公式,即:K些:j生 (2.15 AE/j q%E。且:AEllOlx (2.16 式中:r/%一工作面上的允许照度变化率。E。一工作面要求的平均照度。戈 。溥 二Lj 测 坦 制 世 匪._. 八。 /” V 1Y(a工作面照度变化101x时K的波动范围134321O贫石 n 河羞型迎基制 蜊望; O 12345678组数(b工作面照度变化501x时圈约波动范围图2.3工作面照度变化时K的波动范围在上述实验环境中,若平均照度为3001x,工

48、作面上的允许照度变化率为16%, 用墙面与工作面的照度变化传递比K=0.2(且E上=101x进行调光控制时是有效且 准确的;若以照度变化传递比K=0.36(且E.=101x进行调光,则此时的工作面 照度变化率较为平缓,仅为9.25%。2.4照度变化传递比影响因素的仿真分析由上一节的分析可知,当墙面照度变化量满足要求时,照度变化传递比越大 对工作面调光的平稳性越有利。而照度变化传递比的大小显然又与墙面传感器和 被调光源的相对位置相关,因此下面在DIAlux仿真环境下,对影响照度变化传递 比大小的因素进行分析。仿真环境如图2.2所示平面,为一长、宽、高(7.6m×7.25m×2

49、.8m的空间, 光源布置方式为悬吊安装。分别调整照明器的安装位置,照明器的安装方向分为 平行于窗户和垂直于窗户两种情况,墙面与顶棚为大白粉刷反射比均为0.7,地面 为混凝土反射比为0.2,门反射比为0.6,窗反射比为0.1。321O的安装位置距地面2.5m,工作面距地面0.75m,所以墙面上观测点的高度从距地面 1.0m至12.5m,行间距为0.3m,列间为0.5m。选择额定光通量为60001m,2x36W的 荧光灯光源,余弦配光特性照明器。图2.4墙1的观测点分布仿真时,仅改变光源的光通量,令其余光源光通量保持不变化。当工作点Q 照度变化501x时,可以得到在墙1上各观测点与Q点的照度变化传

50、递比(K的等值 线。不同光源位置条件下的仿真结果如图2.5所示。由图(a.图(d可以看出,K的大小很大程度依赖于照度传感器在墙面 的设置位置,当照度传感器布置在有最大的照度变化传递比的位置时,对于传感 精度是最为有利的。对比图(a、图(C可知,当光源安装高度相同,但各自与墙面距离不 同时,照度变化传递比随着光源与墙面距离的增加而逐渐减小,且最大照度变化 传递比所在区域的分布高度也逐渐降低。对比图(C、图(d可知,当光源与墙面的距离相同,但安装高度不一 致时,照度变化传递比随光源安装高度降低而减小,且最大照度变化传递比所在 区域的分布高度也逐渐降低。由式2.15可计算出当允许工作面照度变化量为5

51、01x时,K=0.2。从上述四种情 况的仿真结果看出,在适当的墙面传感器安装高度,如:1.8m2.0m,及光源光中 心在墙面垂直投影点两侧至少1.2m范围内安装传感器都是有效的。随着允许工作 面照度变化率减小,K必须增大,墙面照度传感器的安装位置也会受到限制。 传感器的布置与照度变化传递比密切相关,照度变化传递比不仅与光源的安 装高度、光源与墙面的距离相关,而且因照明器的配光特性不同,照度变化传递 比也不尽相同。利用Matlab、DIAlux仿真软件,当给定照明环境、照明器的配光特 性和安装位置、空间各表面的反射系数时,即可根据允许工作面照度变化率以及 照明调光系统控制要求仿真得出传感器的安装

52、位置及其数量。距光中心在墙面投影的宽度d/m 燃恒g 目 要蛰距光中心在墙面投影的宽度d./m(b照明器垂直于窗户且距墙面1和工作面分别为1.812m*11.85m时毒魁怄g 目 舞虽距光中心在墙面投影的宽度d/m(c照明器平行于窗户且距墙面1和工作面分别1.2m币11.85m时重庆大学硕士学位论文 2墙面照度传感器的布置方法距光中心在墙面投影的宽度d/m图2.5墙1上与e点的照度变化传递比(K的等值线2.5本章小结本章依据基于光通传递函数的照度比例模型,证明了在照明空间内,仅对单 个或单组照明器调光时,墙面某点与工作面某点的照度变化比恒定,由此定义了 墙面与工作面照度变化传递比K;并且提出了

53、照度变化传递比的影响因素,又通过 DIALux仿真对影响室内照度变化传递比的因素进行分析,研究了照度变化传递比 与传感器在墙面上放置位置之间的关系,为下面进行室内照明调光控制系统的仿 真分析及实验分析奠定了基础。传感器的布置应遵循以下步骤:确定工作面照度的变化率、目标照度值及墙 面照度变化量;计算照度变化传递比;通过仿真得到满足传递比的照度传感器的 布置范围;确定传感器的布置高度,在满足要求的前提下高度可自由调整。传感 器的分布必须能够真实的反映室内照度。在此传感器布置方法的基础上,利用自 然光,实现对室内工作面的光环境进行人工照明补偿。重庆大学硕士学位论文 3墙面照度传感器设置方式在教室照明

54、控制中的应用仿真 3墙面照度传感器设置方式在教室照明控制中的应用仿真3.1引言天然光的利用非常有益于人的身心健康,但是当室内具有较强方向性太阳直 射光入射的时候,在室内靠近窗的物体很容易形成“剪影”,太阳光光强大,窗户 面的亮度高,若直视窗户,会使人产生眩晕眼花的感觉,且强光下的工作环境易 使人疲劳、困倦,从而降低了人们的工作效率,前人的研究中也有通过使用电动 百叶窗控制室内自然光的强度,通过限制太阳直射进入室内的光强,并将其反射 到房间深处,由此减弱太阳光直射的方向性,减少了室内窗子的亮度,提高室内 照度的均匀性,在室内引入自然光可以营造一个良好的室内环境,有益于室内人 员身心健康。针对照明

55、调光系统中,对于工作面上放置传感器容易被遮挡的问题,前文提 出了墙面布置传感器方法,在墙面上布置传感器的方法较为灵活,基于对照度变 化传递比及墙面照度传感器布置方法的探讨,室内引入自然光,利用人工照明对 室内光环境进行人工照明补偿,通过教室照明调光系统中的DIALux仿真,来着重 说明墙面传感器布置方法的使用及其有效性,并且研究室内仅在墙面上布置传感 器时调光控制系统的控制策略及对调光效果进行分析。3.2仿真空间描述选取重庆地区,根据中小学校建筑规范(GBJ 99.86设计一个教室照明空 间,如图3.1所示教室平面:长、宽、高分别为9m、7.2m、和3.6m;窗高2.2m,宽2.5m,窗台距地0.9m,窗地面积比满足1/41/6的要求; 水平工作面距地0.75m,光源距水平工作面2.25m,距高L匕(1/h<1.32满足设 计要求;照明器配光特性为余弦配光,安装高度为3m;两套单管荧光灯为教室黑板照明,安装高度为2.7m。图3.2所示为教室室内仅