建筑照明与配电设计

课题8建筑照明与配电设计8.1电气照明的基本知识8.2常用照明电光源8.3照明灯具8.4建筑物内照明配电设计8.5建筑物外照明配电设计8.6照明设计实例8.1电气照明的基本知识现代物理学证实，关于光的本质有两种理论，即电磁理论和量子理论。光的电磁理论认为光是在空间传播的一种电磁波，而电磁波的实质是电磁振荡在空间的传播。光的量子理论则认为光是由辐射源发射的微粒流。8.1.1照明的有关概念8.1.1.1光的基本概念电磁波波谱图如图8.1所示。电磁波的波长范围极其宽广，光只是其中的一个范围。波长小于380nm的电磁辐射叫做紫外线；波长大于780nm的电磁辐射叫做红外线。紫外线和红外线均不能引起人的视觉。从380nm到780nm这个波长范围的光叫做可见光。顾名思义，可见光能引起人的视觉。紫外线、红外线和可见光统称为光。光的量子理论可用来解释光的吸收、散射及光电效应等，而这些现象都无法用电磁理论来解释。总之，电磁理论是从宏观上来研究光，而量子理论则是从微观上来研究光。因此，光的两种理论并不是互相矛盾的。图8.1电磁波波谱图1.色调不同颜色光源所发出的光或者在物体表面反射的光，会直接影响人们的视觉效果。如红、橙、黄、绿、棕色光给人以温暖的感觉，这些光叫做暖色光；蓝、青、绿、紫色光给人以寒冷的感觉，叫做冷色光。光源的这种视觉特性就叫做色调。8.1.1.2光源的主要特性2.显色性不同光谱的光源照射在同一颜色的物体上时所呈现的颜色是不同的，这一特性叫做光源的显色性。3.色温光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射的光色相同时，黑体的温度叫做该光源的色温。据实验，将一具有完全吸收与放射能力的标准黑体加热，温度逐渐升高，光度也随之改变，黑体曲线可显示黑体由红—橙红—黄—黄白—白—蓝白的过程。可见光源发光的颜色与温度有关。4.眩光光由于时间或空间上分布不均，造成人们视觉上的不适，这种光叫做眩光。眩光分为直射眩光和反射眩光。眩光是衡量照明质量的一个重要参数。光通量的实质是通过人的视觉来衡量光的辐射通量。光源在单位时间内向周围空间辐射并引起人的视觉的能量大小，叫做光通量。光通量用符号Φ表示，单位是lm（流明）。光通量的近似计算公式为：8.1.1.3光度量niiii=1=Kme,V()2.发光强度发光强度简称光强，是光源在指定方向上单位立体角内发出的光通量，或叫做光通量的立体角密度。光通量的立体角和发光强度分别如图8.2和图8.3所示。光强用符号I表示，单位是cd(坎德拉)。I=dΦ/dΩ3.照度通常把物体表面所得到的光通量与这个物体表面积的比值叫做照度。照度用符号E表示，单位是lx(勒克斯)。E=Φ/S光通量和光强主要用来表征光源或发光体发射光的强弱，而照度用来表征被照面上接收光的强弱。表8.1（见P234）中列出了各种环境条件下被照面的照度，以便对照度有一个大概的了解。【例8.1】100W白炽灯输出的额定光通量是1250lm,假设光源向四周均匀辐射，求灯下2m处的照度值。【解】根据式（8.3），得E=Φ/S=125/(04π×22)=24.9(lx)故灯下2m处的照度是24.9lx。4.亮度通常把发光面发光的强弱或反光面反光的强弱叫做亮度，用符号L表示，单位是cd/m2。L=I/S一般当亮度超过160000cd/m2时，人眼就感到难以忍受了。几种发光体的亮度值见表8.2（见P235）。图8.2立体角图图8.3发光强度为了限定照明数量，提高照明质量，需制定照度标准。制定照度标准需要考虑视觉功效特性、现场主观感觉和照明经济性等因素。制定照度标准的方法有多种：主观法——根据主观判断制定照度；间接法——根据视觉功能的变化制定照度；直接法——根据劳动生产率及单位产品成本制定照度。具体的制定过程不作叙述。8.1.1.4我国的照明标准随着我国国民经济的发展，各类建筑对照明质量要求越来越高，国家也制定了相关的照度标准，各类建筑的照度标准见表8.3至表8.5（见P235）。在进行建筑电气设计时，除了考虑照度标准外，还需要考虑照明的种类。照明种类按照用途分为工作照明、事故照明、警卫值班照明、障碍照明和装饰照明等。1.工作照明能保证完成正常工作、看清周围物体等的照明，叫做工作照明。工作照明又分为三种方式，即一般照明、局部照明和混合照明。8.1.2照明种类2.事故照明正常的照明出现故障时，为安全疏散人员和保障继续工作的照明，叫做事故照明。下列建筑场所应该装设事故照明：（1）一般建筑的走廊、楼梯和太平门等处。（2）高层民用建筑的疏散楼梯、消防电梯及其前室、配电室、消防控制室、消防水泵房和自备发电机房。值得注意的是，医院的手术室和急救室的事故照明应采用能瞬时可点燃的照明光源，一般采用白炽灯和卤钨灯。3.警卫值班照明一般情况下，把正常照明中能单独控制的一部分或者事故照明的一部分作为警卫值班照明。警卫值班照明是在非生产时间内为了保障建筑及生产的安全，供值班人员使用的照明。4.障碍照明障碍照明应该按交通部门有关规定装设。如在高层建筑物的顶端应该装设飞机飞行用的障碍标志灯；在水上航道两侧建筑物上应该装设水运障碍标志灯。障碍照明灯应采用能透雾的红光灯具，有条件时宜采用闪光照明灯。5.装饰照明为美化和装饰某一特定空间而设置的照明，叫做装饰照明。装饰照明以纯装饰为目的，不兼作工作照明。建筑照明质量主要考虑照度要求、显色性要求、限制眩光等因素。1.照度要求常见民用建筑照度标准见表8.6（见P237）。在进行照明设计时，应该严格遵守照度标准。8.1.3照明质量2.显色性要求显色性一般用显色指数Ra表示，其值越大，表示显色性越好。下面给出不同场所显色指数的一般要求：90～100为优良，用于需要色彩精确对比的场所；80～89用于需要色彩正确判断的场所；60～79用于需要中等显色性的场所；40～59用于对显色性的要求较低，色差较小的场所；20～39用于对显色性无具体要求的场所。3.限制眩光限制照明眩光，除了考虑灯具的特性外，还要考虑灯具主要方位上的亮度分布以及灯具亮度的范围限制。一般直接眩光的质量等级分为三级：（1）Ⅰ级在有特殊要求的高质量照明房间，如计算机房、制图室等，要求无眩光感。（2）Ⅱ级在照明质量要求一般的房间，如办公室和候车室等，允许有轻微眩光。（3）Ⅲ级在照明质量要求不高的房间，如仓库、厨房等，可以放宽到有眩光感。8.2常用照明电光源8.2.1常用电光源的分类热辐射光源是利用某种物质通电加热而辐射发光的原理制成的光源，如白炽灯和卤钨灯等。1.白炽灯白炽灯原理是电流将钨丝加热到白炽状态而发光的。白炽灯的性能特点是显色性较好，启动时间短，光效低。由于钨丝长期发热会使钨蒸发，附着在灯管壁上，这样会大大缩短白炽灯的寿命，因此白炽灯发光寿命短。8.2.1.1热辐射光源2.卤钨灯卤钨灯是在白炽灯的基础上改进制成的，其结构如图8.4所示。卤钨灯外壳大多采用石英玻璃管，灯头一般为陶瓷，灯丝通常做成螺旋形直线状，灯管内充入适量的氩气和微量卤素（碘或溴）。由于钨在蒸发时和卤素形成卤化钨，卤化钨在高温灯丝附近又被分解，使一部分钨重新附着在灯丝上，这样会提高灯丝的工作温度和寿命。图8.4碘钨灯结构气体放电光源是利用汞或钠气体辐射的紫外线激活荧光粉发光的原理制成的光源，如荧光灯、高压汞灯和高压钠灯等。根据气体的压力不同，又分为低压气体放电光源和高压气体放电光源。1.低压气体放电光源低压气体放电光源包括荧光灯和低压钠灯，这类灯中气体压力低。由于原子辐射主要产生的是紫外线辐射，荧光灯管壁上涂有荧光粉，在紫外线辐射作用下形成复合光，主要是可见光。8.2.1.2气体放电光源荧光灯是常用的一种低压气体放电光源，荧光灯的通电发光过程为：接通电源后，电源电压首先加在启辉器两端，双金属片受热膨胀接通，几秒钟后双金属片因为短接电阻为零不再产生热量，收缩断开。启辉器触电断开的瞬间，镇流器产生的瞬时高压和电源电压一起加在灯管两端，激活管内的荧光粉，灯光点亮。荧光灯的结构如图8.5所示。总之，荧光灯的性能特点是启动时间较长，但是光效高，显色性较好，寿命较长。2.高压气体放电光源高压气体放电光源的特点是灯中气压高，原子之间的距离近，相互影响大，因此与低压气体放电光源有较大的区别。高压气体放电光源的负荷一般比较大，所以灯管的表面积也比较大，灯的功率也较大，也叫做高强度气体放电灯。高压汞灯（又叫水银灯）是一种高压气体放电光源，如图8.6所示。高压汞灯通电发光过程为：接通电源后，首先在两个电极之间产生辉光放电，发热管内温度上升，促使汞气化，当汞气化到一定程度时，两电极之间开始弧光放电，灯管正式启燃。再由放电所辐射出来的紫外线激发外壳内壁的荧光粉变成可见光。在灯管点燃的瞬间，放电管内气压较低，随着放电发热管壁温度升高，汞气压增大，经过几分钟后，放电趋向稳定，灯管进入正常工作状态。高压汞灯的发光效率高，寿命长，但是显色性较差，通常用在对色彩分辨不高的街道、公路、施工工地等场合。图8.5荧光灯结构图8.6高压汞灯结构图(a)结构；(b)电路LED（LightingEmittingDiode）即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。随着电子技术的发展，目前这种光源在交通、汽车、建筑领域的应用也越来越广泛。8.2.1.3LED光源在电气照明设计中，为了满足建筑需求，保证照明质量，首先要根据电光源的性能指标，结合建筑环境特点来选择合适的电光源。电光源主要的性能指标是发光效率、寿命、显色性、启燃与再启燃时间、色温等，下面介绍常用光源的特点和应用场所。1.白炽灯白炽灯的特点是结构简单、成本低、显色性好、使用方便、有良好的调光性能。一般用于日常生活照明，工矿企业普通照明，剧场、舞台的布景照明以及应急照明等。8.2.2常用电光源的选择2.卤钨灯卤钨灯的特点是体积小、功率集中、显色性好、使用方便。一般用在电视播放、绘画、摄影照明等场所。3.荧光灯荧光灯的特点是光效高、显色性较好、寿命长。一般用在家庭、学校、研究所、工业、商业、办公室、控制室、设计室、医院、图书馆等场所。4.紧凑型高效节能荧光灯其特点是集白炽灯和荧光灯的优点于一身，光效高、寿命长、显色性好、体积小、使用方便。一般用在家庭、宾馆等场所。5.荧光高压汞灯其特点是光效较白炽灯高、寿命长、耐震性较好。一般用在街道、广场、车站、码头、工地和高大建筑的室内外照明，但不推荐应用。6.金属卤化物其特点是发光效率很高、寿命长、显色性较好。一般用在体育场、展览中心、游乐场所、街道、广场、停车场、车站、码头、工厂等。7.普通高压钠灯其特点是发光效率特别高、寿命很长、透雾性能好。一般用在道路、机场、码头、车站、广场、体育场及工矿企业等场所。8.管型氙灯其特点是功率大、发光效率较高、触发时间短、不需镇流器、使用方便。一般用在广场、港口、机场、体育场等照明和老化试验等要求有一定紫外线辐射的场所。8.3照明灯具在照明设备中，灯具的作用包括：合理布置电光源；固定和保护电光源；使电光源与电源安全可靠的连接；合理分配光输出；装饰、美化环境。可见，照明设备中仅有电光源是不够的。灯具和电光源的组合叫做照明器。有时候也把照明器简称灯具，这样比较通俗易懂。值得注意的是，在工程预算上不要混淆这两种概念，以免造成较大的错误。8.3.1灯具的作用1.相关的术语一般灯具的光强分布用配光特性来表示。(1)配光简单来说，配光就是光的分配，即灯具在各个方向上的光强分布。灯具可以使光源原先的配光发生改变。(2)配光特性将配光用某种方法如数学解析式、表格或曲线等表示，就叫做配光特性。8.3.2灯具的光学特性8.3.2.1光强的空间分布2.配光特性表示方法(1)极坐标表示方法具有旋转对称配光特性的灯具，取一个垂直面，将灯具在这个垂直面上的光强分布画出来，然后将垂直面绕光轴转一周，这样得出灯具配光特性的表示方法就叫做极坐标表示方法，如图8.7所示。