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改进后的单位容量法在工程设计中应用的探讨
吕春光
曲秀英
兰州石化公司工程公司设计分公司
甘肃兰州
730060
摘要：照度计算是实现建筑光环境设计总体构想的重要手段。对单位容量法计算进行改进,能较好平衡准确度与简便度,为照度计算的实际运用加大了可操作性。
关键词：照度计算
单位容量法
可操作性
1
引言
电气照明设计，是工厂供电设计中一个重要的组成部分，它对人们的生产活动有着极为重要的影响，人们为了维持正常的生活、生产都需要电气照明装置，特别是随着我国工业的高速发展，灯具的照明在石油、化工等行业中的作用显得更加尤为突出。而照度计算是照明设计的重要内容,照度计算的目的是根据所需要的照度值,结合其它已知条件(如照明器型式及布置、房间各个面的反射条件及污染情况等)来决定灯泡的容量或灯的数量。
2
照明设计中应考虑的因素
电气照明是一门综合性的技术。它不仅应用光学和电学方面的知识，还涉及建筑学、生理学和美学等方面。在照明设计时，应根据视觉要求、工作性质和环境条件，使工作区获得良好的视觉效果、合理的照度和显色性，以及适宜的亮度分布；在确定照明方案时，应考虑不同建筑对照明的不同要求，处理好电气照明与天然采光、建设投资及能源消耗与照度效果的关系。照明设计应重视清晰度，消除阴影，控制光热，限制眩光。与此同时照明设计时，应合理选择照明方式和控制方式，以降低电能消耗指标。
3
照度计算基本方法简介及比较
照度计算方法常用的有单位容量法、利用系数法和逐点计算法三种,现将这三种计算方法的特点及使用范围对比如下:
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序号 |
计算方法 |
计算特点 |
使用范围 |
局限性 |
|
1 |
传统的单位容量
法 |
计算简单，但比较粗略，且只计算水平照度 |
适用于方案设计和基础设计的计算，且只能计算均匀布置灯具的水平照度 |
计算公式N≥p0S/PN；设计手册表格中仅有几种灯具p0值，新型光源及灯具p0值无处可查，故应用局限性很大。 |
|
2 |
利用系数法 |
计算略麻烦，但比较准确，仅适合计算水平照度 |
适用于均匀布置灯具的一般照明，只计算水平照度 |
计算公式；
灯具的利用系数u需根据灯具型式与光源功率及受照房间的ρc,
ρw，ρf和RCR确定，但设计表格中仅有几种光源的u值，新型光源的u值无处可查，而且减光系数的分类较粗糙，致所获得的利用系数不太准确，应用受到局限 |
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3 |
逐点计算法 |
计算较麻烦，但能较准确的计算任一指定点的任一倾斜面的照度 |
适用于任一布置灯具的任一倾斜面照度计算和局部照明的照度计算 |
作为工厂照明计算太烦琐，手册中可查的等照度曲线也有限
|
|
注：Eav—标准所规定的平均照度；p0—照明灯具的单位面积安装容量；S—受照房间的面积；
N—灯具盏数；PN—每盏灯的光源额定容量；Φ照明灯具光通量；u灯具利用系数；k减光系数；
ρc, ρw, ρf顶棚，墙面，地板的反射率； |
随着照明技术的发展、电子计算机的应用,照度计算已被人们广泛关注并为科学工作者所研究。从研究动向来看,照明计算主要向两个方面发展,其一是力求简单迅速,经常是将计算好的在各种可能条件下的结果编制成图表、曲线供设计人员查用,其二是力求准确。由于各种参数的不精确,计算结果有+20%至-10%的误差是允许的。针对非研究场合及一般施工设计,真正实用的方法应该是简便易算且有较高准确度的,比较而言，传统的单位容量法比较简单，但由于其手册中现用表格局限性较大，应用面比较狭窄，查阅相关书籍和数据现推荐一种改进后的单位容量法。
4
改进后单位容量计算法的概念及步骤
传统的单位容量法它主要计算每单位被照面积所需的灯具安装功率:
W=P/S 即P=WS
W-单位面积功率；P-全部灯具安装功率（W）；
S-被照面积（m2）
也可用另一种方式表示：
Nφ= Eav*S*φ0*C1*C2
或直接计算灯具数量：
N=Eav*S*φ0*C1*C2/φ
注：灯具盏数N，照明灯具光通量φ,需求照度Eav,
被照面积S，单位面积每LX光通量φ0,修正系数C1、C2,照明灯具光通量φ
可见单位容量W对应取决于下列各种因素:
Eav,φ0,C1,C2。
本文讨论的改进后的单位容量法是通过实践经验和计算校验总结出来Eav，φ0，C1，C2的查询表格。现给出相关速查表格。
1）根据室形指数结合灯具配光类型确定φ0。
附表1
φ0（单位面积每LX光通量）
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室形指数RI |
直接型灯具 |
半直接型灯具 |
均匀漫射灯具 |
半间接型灯具 |
间接型
灯具 |
|
A≤0.9h |
A≤1.3h |
|
0.6 |
5.38 |
5.00 |
5.38 |
5.38 |
7.78 |
8.75 |
|
0.8 |
4.38 |
3.89 |
4.38 |
4.24 |
6.36 |
7.00 |
|
1.0 |
3.89 |
3.41 |
3.68 |
3.59 |
5.39 |
6.09 |
|
1.25 |
3.41 |
2.98 |
3.33 |
3.11 |
4.83 |
5.00 |
|
1.5 |
3.11 |
2.74 |
3.04 |
2.86 |
4.38 |
4.83 |
|
2.0 |
2.80 |
2.46 |
2.69 |
2.50 |
4.00 |
4.38 |
|
2.5 |
2.64 |
2.30 |
2.50 |
2.30 |
3.59 |
4.89 |
|
3.0 |
2.55 |
2.30 |
2.37 |
2.19 |
3.33 |
3.68 |
|
3.5 |
2.46 |
2.12 |
2.30 |
2.11 |
3.18 |
3.33 |
|
4.0 |
2.37 |
2.06 |
2.22 |
2.03 |
3.04 |
3.33 |
|
4.5 |
2.35 |
2.02 |
2.17 |
1.99 |
2.98 |
3.26 |
|
5.0 |
2.33 |
1.97 |
2.12 |
1.94 |
2.92 |
3.18 |
|
室形指数RI=W*
L/h*(W+L) W-房间宽;
L-房间长,
h-灯具至工作面高度，A为灯具间距，
A/h为距高比 |
注：灯具类型分类通常为：
(1)
直接型灯具
此类灯具绝大部分光通量（90-100%）直接投照下方，所以灯具的光通量的利用率最高。
(2)
半直接型灯具
这类灯具大部分光通量（60-90%）射向下半球空间，少部分射向上方，射向上方的分量将减少照明环境所产生的阴影的硬度并改善其各表面的亮度比。
(3)
均匀漫射型灯具
灯具向上向下的光通量几乎相同（各占40%-60%）。
最常见的是乳白玻璃球形灯罩，其他各种形状漫射透光的封闭灯罩也有类似的配光。这种灯具将光线均匀地投向四面八方，因此光通利用率较低。
(4)
半间接灯具
灯具向下光通占10%-40%，它的向下分量往往只用来产生与天棚相称的亮度，此分量过多或分配不适当也会产生直接或间接眩光等一些缺陷。
上面敞口的半透明罩属于这一类。它们主要作为建筑装饰照明，由于大部分光线投向顶棚和上部墙面，增加了室内的间接光，光线更为柔和宜人。
(5)
间接灯具
灯具的小部分光通（10%以下）向下。设计得好时，全部天棚成为一个照明光源，达到柔和无阴影的照明效果，由于灯具向下光通很少，只要布置合理，直接眩光与反射眩光都很小。此类灯具的光通利用率比前面四种都低。
2）根据实际环境的反射率，确定修正系数C1。
附表2
C1（环境修正系数）
|
ρC |
0.7 |
0.6 |
0.4 |
|
ρW |
0.5 |
0.4 |
0.3 |
|
ρf |
0.2 |
0.2 |
0.2 |
|
C1 |
1 |
1.08 |
1.27 |
|
ρc、ρw、ρf分别为室内顶棚、墙面及地面的反射系数 |
3）
根据灯具效率,
确定修正系数C2
附表3
C2
（灯具效率修正系数）
|
灯具效率 |
0.7 |
0.6 |
0.5 |
|
C2 |
1 |
1.22 |
1.47 |
5
改进后的单位容量计算法在设计中的应用及校验
5.1
例1：
某控制室长12米，，宽6米，吊顶高H=3.5米，取顶棚反射率ρc=70%,墙面反射率ρw=50%,地板反射率ρf=20%；查建筑照明设计标准国标GB
50034-2004，一般控制室照度要求为300lx，工作面高度为0.75米。
由于所设计的为控制室，考虑到显色，色温等方面的影响，选择了常用的格栅型双管日光灯，功率为2*40W，光通量φ为2*2000lm，灯具采用均匀布置。
计算如下:
传统单位容量法
计算公式
N≥p0S/PN
由于现有的单位容量表格中可查最大照度为200lx，无法对应300lx，只能按100lx对应折算,取p0=9.45
N≥p0S/PN=9.45*72/（40*2）=8.51（套）
改进后的单位容量法
计算高度
h=H-0.75=2.75
室形指数
RI=W* L/h*(W+L)=6*12/2.75（6+12）=1.45
照明灯具日光灯为直接型配光灯具,
距高比A/h>0.9,查表1得出单位容量光通量最接近数值φ0=2.74。据灯具效率及各反射率取修正系数C1,C2均为1。
依公式
N=Eav*S*φ0*C1*C2/φ=300*72*2.74*1*1/4000=14.79（套）
利用系数法计算
计算室空比RCR：
公式为
RCR=5h(W+L)/WL=5*2.75（6+12）/6*12
=3.44;
根据顶棚反射率ρc=70%,墙面反射率ρw=50%，
RCR=3.4查荧光灯的利用系数表得知:利用系数u=0.48.再查灯具减光系数表，其减光系数为0.8
根据Eav=300lx,将有关数据代入下列公式:
从以上计算结果可以看出传统的单位容量法误差较大，而改进后的单位容量法和利用系数法计算结果相差无几。
5.2
例2：
某厂房长52.5米，，宽30米，灯高H=4.5米，该库房顶棚反射率ρc=60%,墙面反射率ρw=40%,地板反射率ρf=20%,查建筑照明设计标准国标GB
50034-2004，一般主厂房要求为100lx，工作面取操作位高度0.5米。
由于所设计的为主厂房，考虑到环境，显色，色温等方面的影响，选择了常用的防厂用金属卤化物灯，功率为100W，光通量φ0为7800lm，灯具采用均匀布置。
计算如下:
传统单位容量法
计算公式N≥p0S/PN
由于现有的单位容量表格的不能获的所需要的厂用金属卤化物的单位面积安装容量，参考有关数据p0值折算后估算取p0为2.3
N≥p0S/PN=2.3*52.5*30/100>36（套）
改进后的单位容量法
求计算高度
h=H-0.5=4
室形指数
RI=W* L/h*(W+L)= 12*17.5/2.5（12+17.5）=2.85
照明灯具厂用金属卤化物灯为直接型配光灯具,
距高比A/h〉0.9,查表1得出单位容量光通量最接近数值φ0=1.97。据灯具效率及各反射比可知修正系数C1,C2分别为为1.08，1。
依N=Eav*S*φ0*C1*C2/φ=100*52.5*30*1.97*1.08*1/7800=42.9（套）
利用系数法计算
计算室空比RCR：
公式为
RCR=5h(W+L)/WL=5*4（30+52.5）=1.04;
由于目前目前不能获得金属卤化物灯灯具的利用系数查询表，无法获得其利用系数，根据顶棚反射率ρc=60%,墙面反射率ρw=40%，
RCR=1.76经相关数据折算后取利用系数u=0.7.
再查灯具减光系数（最小照度系数的倒数）表，其减光系数为0.7
根据Eav=100lx,将有关数据代入下列公式
从上面的计算可以看出传统的单位容量法误差很大，而改进后的单位容量法和利用系数法计算结果相差无几。
6
结论
由以上计算可知改进后的单位容量法的计算结果与采用利用系数法结果相当接近,但计算步骤要简便一些，也不受灯具型号及光源的限制。利用系数法如果要求精确计算，首先要计算室空比、顶空比及地空比,再计算顶棚、墙面、地板有效反射率,再根据灯具表格确定利用系数，还要考虑减光系数的影响，此法计算准确度有时虽较高,但步骤比较繁琐,工作量比较大。在实际设计中常常是灯具型式和光源的利用系数无法获得，使得利用系数法的应用受到局限，但此改进后的单位容量法手工计算花费时间较短,精确度也较高，通过上面的例子可见在设计中可以广泛利用，但此法有待进一步完善。
参考文献：
1.
俞丽华
朱桐城
编.《电气照明》.
同济大学出版社,1999年.
2.
詹庆旋
编.《建筑光环境》.清华大学出版社，1996年.
3.
赵振民
编.《照明工程设计手册》.天津科学技术出版社，1990年
4.
刘介才
编.《工厂供电简明设计手册》.机械工业出版社，1991年.
5.
陈一才
编
《高层建筑电气设计手册》.中国建筑工业出版社
1990年
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