受光源及控制元件发展的限制,长期以来电气照明灯具一直沿袭着传统的控制方式,即通过分合照明配电箱中的开关或者触点开关实现对照明灯具的控制。20世纪初,随着白光LED照明技术日趋成熟和人们对生活便利性、舒适度的要求及节能意识的提高,结合新型光源的智能照明控制系统以其灵活性、舒适性、性价比高等性能逐渐走进国内大众的视野。
1 智能照明系统
智能照明控制系统接收外部命令,并将其转化为可在总线上传输的电信号,再传送至各受控元件,通过改变线路的电压、电流等参数来实现电光源控制,其控制目标由传统的启停控制提升到“在确保灯具正常工作条件下,输出最佳照明功率,减少过压所造成的照明眩光,使灯光发出的光线更加柔和,照明分布更加均匀,同时大幅度节省电能”。系统中常见的控制接收元件包括触点开关、场景开关、触控面板、声/光/红外传感装置等。
智能照明系统常用的总线形式有DMX512、Modbus协议为代表的RS-485总线;利用数据包编码代替节点地址编码的CAN总线;基于欧洲安装总线协议的KNX总线;将通信协议封存至单独芯片的LonWorks总线以及利用电力载波技术将配电线路兼作控制信号线的X-10总线等。系统的受控元件一般为接入配电线路的电源驱动器、调光器、带地址编码的照明灯具等。
目前,市场上常见的智能照明品牌有i-bus控制系统,c-bus、莫顿控制系统,爱默尔、爱瑟菲智能照明子品牌以及基于电力线通信(ZPLC)技术的照明控制系统等。
2 办公场所照明方案对比分析
2.1 项目概况
重庆某写字楼X层平面,建筑长宽约为40 m,面积约为1 600 m2,平面功能分区包括接待前台、会议室、开敞办公区、独立办公区、经理、后勤办公室、储藏间、卫生间等。员工作息考虑以正常工作时间为主,包括临时加班和夜间巡检照明设计。某写字楼灯具布置平面如图1所示。
图1 某写字楼灯具布置平面
光源选用尺寸600 mm×600 mm的LED面板灯,与建筑吊顶无缝契合。依照现行规范对办公场所的照度要求以及照明功率密度限定,灯具布置见图1中填充色块所示,天花面板灯使用效果如图2所示。
图2 天花面板灯使用效果
为了同时满足控制的灵活性、照明的舒适性及环保要求的节能,照明控制选用智能控制系统。系统主机利用接待前台处计算机;控制元件及办公照明配电箱设置于楼层电井内;需就地控制的区域就近设置控制面板。
2.2 系统组成
照明系统的搭建由办公照明配电箱到末端灯具的配电线路、接入配电线路中的控制元件和控制元件同主机间的信号线路组成。以下对分别采用i-bus和基于ZPLC技术的照明控制方案进行对比分析。
(1) i-bus控制系统。i-bus控制系统通过在配电线路中串入电源驱动装置来实现回路的通断,从而控制灯具的启停。单台电源驱动器可同时对2～12路配电出线进行控制,控制信号来自现场操作面板或远程控制主机。i-bus照明控制系统如图3所示。
图3 i-bus照明控制系统
针对选取的办公平面灯具布置以及功能划分至少需要32路照明出线,共需8台4路电源驱动器。如需对灯具进行调光控制,还需再配备专用的调光控制器等。
(2) 基于ZPLC技术的控制系统。基于ZPLC技术的系统通过导轨式智能开关/智能照明面板,将控制主机/面板按键传来的控制信号,转换为可在配电线路上传递的电波信号,并发送至灯具自带的信号接收装置,从而实现相应灯具的启停、调光、场景编制等功能。基于ZPLC技术的智能照明控制系统如图4所示。
图4 基于ZPLC技术的智能照明控制系统
由于利用电力载波技术,可以精确到单灯控制,故不需要考虑按功能分区进行配电回路划分,仅需满足规范:每回路照明光源不超过25盏的要求。针对该建筑,拟定划分18路照明出线,且灯具自带信号接收解码装置,自由控制任一灯具的亮度,无需增加调光设备。
(3) 系统对比。
① 可靠性。照明控制系统的可靠性取决于控制主机、控制元件向下级传输信号的稳定性。其中控制元件至末端灯具线路部分;基于ZPLC技术的系统依靠电力线路传输灯具的控制信号,i-bus系统仅需控制线路的通断;控制主机与控制元件间的连接部分:i-bus系统采用KNX总线,基于ZPLC技术的系统采用RS-485总线。两种系统总线形式的各项参数性能对比如表1所示。
表1 两种系统总线形式的各项参数性能对比
由表1可知,KNX总线在数据传输的速度、稳定性及抗干扰性等方面具有明显优势,综合比较i-bus系统可靠性较佳。
② 灵活性。i-bus系统不仅服务于建筑照明,还能监控通风采暖、幕墙门窗开闭等各类控制子系统。因此,选用i-bus系统对业主来说可选的设备种类性能基本就已经固定。而基于ZPLC技术的系统使用的RS-485总线应用广泛,衍生产品名目繁多,拓展性强,且系统可以实现单一灯具的独立控制,对于灯具分组编制十分有利。
③ 经济性。i-bus系统所使用的KNX总线来源于欧洲安装总线(EIB)及欧洲住宅系统(EHS),拥有完备的设计标准,产品均为成套制式设计,价格较高。例如一台4回路电源驱动器售价约为3 500元,而一台RS-485接口的电力载波控制器售价在千元以内。从工程造价的角度考虑,基于ZPLC技术的系统具有明显优势。
综上所述,i-bus系统拥有完善的设计标准和成套产品链,但价格和可选范围不具有优势;基于ZPLC技术的系统结构简单,可选产品多但难免良莠不齐。针对办公照明控制,基于ZPLC技术的系统适用于独立办公空间的智能照明控制;如果是具有楼宇自控系统的高端办公写字楼,需对全楼照明、通风、采暖等子系统进行全面的控制监测,则采用i-bus系统更加方便。
2.3 控制方案
结合i-bus、基于ZPLC技术的智能照明控制系统的功能特性,将从系统如何辅助自然光照、配合使用人员的作息安排及由此带来的节能减排效益等方面进行分析比较。
重庆地处西南内陆,两江交汇,降雨丰富,年平均雾日高达104 d,年日照时数仅有1 000～1 400 h,是我国日照最短的地区之一。自然光照强度分布如图5所示。自然光照时长分布如图6所示。由图5和图6可知,除7、8月份中午时段外,室内均需开启灯具做辅助照明。
因此,配合自然光强对靠窗灯具进行调光控制尤为重要。如采用i-bus系统,需在所有包含靠窗灯具的照明回路上设置调光驱动器,若要按照灯具与外窗距离区分内外两层灯具的调光幅度,则又需增加至少1倍的回路数量。
相较之下,基于ZPLC技术的系统可以在不破坏原有控制回路编组的基础上,再次将灯具按照使用需求任意分组,并进行不同程度的调光。此项优势,在会议室荧幕调光、公共区场景调光等各类有调光功能需求的场所均有体现。
图5 自然光照强度分布
图6 自然光照时长分布
配合办公人员的作息规律,智能照明系统可以设置在上班半小时前自动开启侯梯厅和通向办公区域走道的部分灯具,待到达预设上/下班时间后,再逐步点亮/熄灭全区照明。i-bus系统电源驱动装置控制回路数量有限,仅能对现有编组进行启停控制。基于ZPLC技术的系统配合红外传感器,甚至可以根据提前上班或临时加班人员的行进路线,依次启停通道和工位处的灯具,实现照明的全自动控制。
当全员下班离开后,系统进入休眠模式,一旦感应到巡检人员或返回公司的员工进入,即开启走道部分照明,使整个智能照明系统在为使用者提供便捷服务的前提下尽量节省用电能耗。
根据照明系统配合办公人员工作制的控制描述,将基于ZPLC技术的系统、i-bus系统以及传统照明方式,工作日分时段灯具开启数量占比进行比较。3种照明方式灯具开启时间比较如图7所示。
图7 3种照明方式灯具开启时间比较
由图7可见,午夜到凌晨,3种控制方式的灯具均处于熄灭状态;早晚上下班以及中午休息时段,智能照明可以通过预设程序关闭部分回路,保守估计需开启的灯具数量约为传统照明方式的3/4;上下午工作密集时段,智能照明系统通过降低部分灯具亮度,仍可节约5%左右的电力。其中基于ZPLC技术的系统由于可以精确到单灯控制,节能效果更加显著。
通过比较图7中3种照明方式对应折线与时间轴围成图形的面积可知,智能照明系统比传统控制方式可节省10% ～20%的用电能耗。
2012年国务院发布的能源政策白皮书中将“大力发展绿色建筑,实施建筑节能”和“优化产业结构;加强工业节能;推进交通节能;倡导全民节能”一起列为我国未来能源结构完善的五大发展方向。智能照明系统作为目前最先进的照明控制技术,不仅为绿建节能方案提供技术支持,更是产品研发和产业革新的基础条件。
3 结 语
目前,互联网络技术得到空前的发展,包括办公在内的各类建筑运行数据也在不断充实、完善。未来城市建设的关键是发展通过分析云端数据,为居民提供全自动服务的智慧城市和建筑。智能照明是其中重要的组成部分,尤其与人们生活息息相关。本文仅从办公空间中智能照明技术的应用案例出发,分析目前常见控制系统的功能特点。