第9章 电气照明

第九章电气照明

§

9.1电气照明概念§9.2常用电光源和灯具§9.3照度计算§9.4照明供电§

9.1电气照明概述

9.1.1照明技术的有关概念光是一种能量，它通过辐射方式从一个物体传播到另一个物体。光的本质是一种电磁波，它在电磁波的极其宽广的波长范围内仅占很小一部分。通常把可见光、紫外线和红外线统称为光，而人眼所能感觉到的光仅是可见光。可见光的波长范围在380～780nm(1nm=10-9m)之间。波长不同的可见光，引起人眼的颜色感觉不同。波长为640～780nm，感觉为红色；600～640nm，为橙色；550～600nm，为黄色；480～550nm，为绿色；450～480nm，为蓝色；380～450nm，为紫色。除可见光外，紫外线的波长为1～380nm，红外线的波长为780nm～1mm。1．光通量按人眼对光的感觉量为基准来衡量光源在单位时间内向周围空间辐射并使人眼产生光感的能量，称为光通量。光通量用符号表示，其单位为流明lm。2．发光强度光源在某一个特定方向上的单位立体角内(单位球面度内)所发出的光通量称为光源在该方向上的发光强度。它是用来反映发光强弱程度的一个物理量，用符号I表示，其单位为cd(坎德拉)，其算式为

3．亮度亮度是一个单元表面在某一方向上的光强密度。即使两个光源的发光强度完全相同，它们在视觉上引起的明亮程度也不同。例如，电功率相同的两个白炽灯，一只是普通灯泡，另一只是磨砂灯泡，显然后者看起来不及前者亮。这是因为磨砂灯泡表面凹凸不平、发光面积较大的缘故。光源的亮度用L表示，它的单位为坎德拉每平方米(cd/m2)。4．照度为了研究物体被照明的程度，工程上常用照度这个物理量。物体的照度不仅与它表面的光通量有关，而且与物体的表面积有关。通常是用照射在物体表面单位面积上的光通量来度量物体的照度，用符号E表示，其单位为或称勒克斯(lx)，其算式为

5．显色性当某种光源的光照射到物体上时，该物体的色彩与阳光照射时的色彩是不完全一样的，有一定的失真度。将光源呈现被照物体颜色的性能称为显色性。光的色度对工作环境气氛的影响也很大。光源显色性可用“显色指数(Ra)”来评价。光源的显色指数越高，其显色性越好。一般显色性取80～100为优，50～79为一般，当小于50时为差。如办公室要求显色指数(Ra)在75～85之间；展览馆、绘画馆的显色指数(Ra)应大于90。6．色温光源发出的光与黑体(能吸收全部光源的物体)加热到某一温度所发出光的颜色相同(对气体放电光源为相似)时，称该温度为光源的颜色温度，简称色温。色温以绝对温度表示，光源中含有短波蓝紫色光多，色温就高；含有长波红橙色光多，色温就低。色温的单位为开尔文，用K表示。7．色表色表指光源颜色给人的直观感觉，照明光源的颜色质量取决于光源的表观颜色及其显色性能。室内照明光源的颜色，可根据相关色温分为3类，即有冷色(相关色温大于5300K)、暖色(相关色温小于3300K)、中间色(相关色温为3300～5300K)。8．光效光源所发出的光通量和该光源所消耗的电功率的比值称为发光效率，简称光效，用符号表示，单位是lm/W。

9．眩光眩光是照明质量的重要特征。视场中有极高的亮度或强烈的亮度对比时，将造成视觉降低和人眼睛不舒适甚至有痛感，并引起视觉上的疲劳，这种现象称为眩光。眩光分为直射眩光和反射眩光两种。(1) 直射眩光是在观察方向上或在附近存在亮的发光体所引起的眩光。(2) 反射眩光是在观察方向上或在附近由亮的发光体镜面反射所引起的眩光。为限制或避免眩光的影响，进行电气照明设计时应考虑灯具的形式和布灯的位置。9.1.2照明方式和种类照建筑物的功能和对照度的要求，照明方式可分成以下3种。(1) 一般照明。一般照明用于要求照度基本均匀的室内某些场所或场所的某部分照明。对于工作位置密度很大而对光照方向又无特殊要求或工艺上不适宜装设局部照明装置的场所，宜单独使用一般照明。(2) 局部照明。局部照明仅局限于固定或移动工作部位的照明。对于局部地点需要较高照度并对照射方向有要求时宜采用局部照明，例如，绘画馆、展览馆等展柜的照明，车间内车床的照明等。(3) 混合照明。混合照明是一般照明和局部照明共同组成的照明。它适合于对工作位置需要较高照度并对照射方向有特殊要求的场所。混合照明的优点是能在工作平面、垂直面或倾斜表面上，以及工作的内腔里获得高的照度和提高光色。混合照明中一般照明的照度不应低于20lx。例如，绘画馆大厅为一般照明，墙壁上的油画等采用局部照明。按照明的用途，照明方式可分为以下几种。(1) 正常照明。正常工作时使用的照明称为正常照明。(2) 应急照明。在正常照明因故障熄灭后，可供事故情况下继续工作或安全通行、安全疏散的照明称为应急照明。(3) 警卫照明。警卫照明是根据警卫任务需要而设置的照明。(4) 值班照明。在非工作时间内，供值班人员使用的照明称为值班照明。(5) 障碍照明。装设在障碍物上作为障碍标志用的照明称为障碍照明。如航标灯等。(6) 装饰照明。装饰照明是为美化、装饰或烘托某一特定空间环境而设置的照明。(7) 艺术照明。艺术照明是通过运用不同的灯具、不同的投光角度和不同的光色，制造出一种特定的空间气氛的照明。§

9.2常用电光源和灯具

9.2.1常用电光源根据光的产生原理，电光源可以分为两大类，即热辐射发光光源和气体放电发光光源。1．光源的分类1) 热辐射发光光源热辐射发光光源是利用电流将灯丝加热产生热辐射发光的一种光源。例如，白炽灯和卤钨灯，它们都是以钨丝作为辐射体，通电后达到白炽程度时产生热辐射。目前白炽灯仍是重要的照明光源。2) 气体放电发光光源气体放电发光光源是利用电流通过灯管中气体而产生放电发光的一种光源，常用的气体放电发光光源有荧光灯、氮灯、钠灯、荧光高压汞灯和金属卤化物灯等。气体放电发光光源具有发光效率高、使用寿命长等特点。气体放电发光光源一般应与相应的附件配套才能接入电源使用。气体放电光源按放电的形式分为弧光放电灯和辉光放电灯。2．电光源1) 白炽灯白炽灯属于热辐射发光光源，白炽灯泡是由钨丝、玻璃泡、灯头、支架和填充气体等构成。白炽灯具有结构简单、便宜、方便、便于调光、能瞬间点燃、无频闪等优点，是常用的电光源。其工作原理是：用金属钨拉制的灯丝点亮时温度高达3000℃，炽热的灯丝便产生了光辐射，使白炽灯发出了明亮的光芒。2) 卤钨灯卤钨灯属于热辐射光源，由钨丝、充入卤素的玻璃泡和灯头等构成。卤钨灯有双端、单端和双泡壳之分。卤钨灯的工作原理如下，当充入卤素物质的灯泡通电工作时，从灯丝蒸发出来的钨在灯泡壁区域内与卤素化合，形成一种挥发性的卤钨化合物。卤钨化合物在灯泡中产生扩散运动，当扩散到较热的灯丝周围区域时，卤钨化合物分解成卤素和钨，释放出来的钨沉积在灯丝上，而卤素再继续扩散到其温度较低的灯泡壁区域与钨化合，形成卤钨循环。由于卤钨循环有效地抑制了钨的蒸发，所以可以延长卤钨灯的使用寿命，同时可以进一步提高灯丝温度，获得较高的光效，并减小使用过程中光通量的衰减3) 荧光灯荧光灯是低气压汞蒸气弧光放电灯，也被称为第二代光源。与白炽灯相比，具有光效高、寿命长、光色和显色性都比较好的特点，因此在大部分场合取代了白炽灯。(1) 荧光灯的结构。荧光灯主要由灯管和电极组成。灯管内壁涂有荧光粉，将灯管内抽真空后加入一定量的汞、氩、氪、氖等气体。荧光灯的附件有启辉器和镇流器。启辉器(俗称跳泡)的主要元件是一个由两种膨胀系数不同的金属材料压制而成的双金属片(冷态触头常开)和一个固定触头。启辉器的主要作用是在灯管刚接电路时，启辉器双金属片闭合，有电流通过灯丝，对灯丝进行预热；双金属片断开的瞬间，镇流器产生高压脉冲，两电极之间气体被击穿，产生气体放电。镇流器是一个有铁芯的线圈，其主要作用就是启动时在启辉器的作用下产生高压脉冲，在工作时用于平衡灯管电压。近年来，电子镇流器得到广泛应用。与电感镇流器相比，电子镇流器具有如下优点：①能够提高灯的光效；②光无闪烁；③能瞬时启动且无启辉器；④调光性能好；⑤功率因数高；⑥温升小；⑦无噪声；⑧体积小；⑨质量轻。随着供电电源频率的变化，荧光灯发出的光线会有闪烁感。对于特殊工作场所(高速旋转的设备环境)，频闪效应可能发生人身和设备安全事故。因此，对照明要求较高的场所应采取必要的补偿措施，如在大面积照明场所以及在双管、三管灯具中采用分相供电，即可明显地消除频闪效应。(2) 荧光灯的工作原理。当荧光灯接通电源时，启辉器内的双金属片产生辉光放电，玻璃泡内的温度骤然升高，同时双金属片因放电被加热膨胀而发生变形，当双金属片与固定触点接触时，电路被接通。在由镇流器、灯丝、启辉器触点组成的电路中有电流通过，灯管两端的钨丝电极因通过电流而被加热，温度约为800～1000℃时，在灯丝上施放出大量的电子。由于辉光放电停止，所以启辉器双金属片的温度很快下降，双金属片与固定触点断开(断开电路)，断开电路的瞬间，在镇流器线圈中瞬间产生很高的自感电动势加在灯管上，使灯管两个电极之间产生弧光放电，灯管点燃。汞蒸气辐射出紫外线，在紫外线的照射下，灯管内壁的荧光粉被激发而发出可见光。(3) 荧光灯的特性。荧光灯光效高，寿命长，光谱接近日光(常称日光灯)，显色性好。它的表温低，表面亮度低，眩光影响小。荧光灯的颜色分为暖白色、白色、冷白色、日光色和彩色。荧光灯的缺点是功率因数低，发光效率与环境温度和电源频率有关，而且有频闪效应，附件多，有噪声，不宜频繁开关。(4) 荧光灯的应用。荧光灯具有良好的显色性和发光效率，因此荧光灯被广泛用于图书馆照明、教室照明、隧道照明、地铁照明、商店照明、办公室照明及其他对显色性要求较高的照明场所。异型荧光灯(环形、U形、紧凑型等)、反射式荧光灯、彩色荧光灯常用于室内装饰照明。4) 高压钠灯高压钠灯是利用高压钠蒸气放电发光的一种高强度气体放电光源，广泛应用于对显色性要求不高的场所。高压钠灯的特点是体积小，功率密度高，亮度高，紫外线辐射少，寿命长，属于节能型电光源，但光色偏黄，透雾性能好。5) 金属卤化物灯金属卤化物灯具有更好的光色性，接近自然光，是目前比较理想的电光源。金属卤化物灯是第三代电光源。金属卤化物灯都具有功率大、寿命长的特点，可用于高大厅堂、体育场馆、厂矿及露天场所的照明。9.2.2灯具特性及选择与布置1．灯具的特性1) 灯具的作用灯具即控照器，一般用金属、玻璃或塑料制成，主要用于重新分配光源发出的光通量、限制光源的眩光作用、减少和防止光源的污染、保护光源免遭机械破坏、安装和固定光源，并与光源相配合，起到一定的装饰作用。控照器的材料按照控照器的光学性质可分为反射型、折射型和透射型等多种类型。在正式场合，均应安装控照器。2) 灯具的配光特性表示灯具在空间各个方向上的发光强度空间分布特性的曲线称为灯具配光曲线。发光强度的空间分布特性常用3种表示方法，分别是极坐标法、直角坐标法和等光强曲线图。极坐标配光曲线通过光源中心的测光平面，测出灯具在不同角度的光强值。以灯具中心为极坐标原点，从某一给定方向起，把灯具在各个方向的发光强度用矢量表示，连接矢量顶端的连线即为灯具配光的极坐标曲线。为了便于对各种照明灯具的光分布特性进行比较，统一规定以光通量为1000的假想光源来提供光强分布数据。因此，实际发光强度应当是该灯具测光参数提供的光强值乘以光源实际光通量与1000之比，即

3) 灯具的保护角灯具的保护角是指从光源发光体(灯丝)和灯具出口边缘的一点的连线与通过光源中心的水平线之间的夹角。灯具的保护角实质上是反映灯具遮挡光源直射光的范围，因此又称遮光角，如图示。照明灯具的保护角的大小是根据眩光作用的强弱而确定的。一般说来，灯具的保护角范围应在15°～30°之间。在规定灯具的最低悬挂高度下，保护角把光源在强眩光视线角度区内隐藏起来，从而避免了直射眩光，它是评价照明质量和视觉舒适感的一个重要参数。4) 照明灯具效率照明灯具效率定义为在规定条件下，照明灯具发出的光通量与灯具内的全部光源所发出的总光通量之比。照明灯具效率用表示，即

灯具效率表明灯具对光源发光效率的利用程度，灯具效率越高，利用的光源光通量就越大。在选择灯具时，根据照明场所的情况和要求，应尽可能选用效率较高的灯具。如果灯具效率在0.5以下，说明光源发出的光通量有一部分被灯具吸收。灯具效率一般在0.8以上。2．灯具的分类1) 直射型灯具光直接从灯具上方射出，顶部的反光材料不透明，通常由金属、搪瓷、铅和镀银镜面等材料制成。直射型灯具效率高，光线集中，方向性强，但容易产生较重的阴影，而且顶部几乎没有光线。2) 半直射型灯具这类灯具采用下面敞口的半透明罩或者上方留有较大的通风、透光空隙，它能将大部分的光线照射到工作面上，光通量的利用率较高，又可使空间环境得到适当的亮度。餐桌上方用的玻璃方形(圆形、菱形)罩吊灯多属这类灯具，它用半透明材料制成下面开口的式样。3) 漫射型灯具它是采用漫射透光材料制成封闭式的灯罩，如乳白玻璃球形灯就属于漫射型灯具的一种，光线均匀柔和。这类灯具向上、向下的光通量几乎相同，将光线均匀地投向四面八方，但是光的损失较多，光效较低。4) 半间接型灯具这类灯具上半部用透明材料或上半部敞口、下半部用漫射透光材料制成，客厅的装饰灯多采用这种。由于大部分光线投向顶棚，增强了室内反射光的效果，使光线更为柔和宜人。但这类灯具的灯罩很容易积灰尘和死蚊虫，难作清洁。5) 间接型灯具这类灯具90%以上的光通量都向上投射，经顶棚反射到室内，可以达到全部顶棚成为一个照明光源的效果，室内光线均匀柔和，能最大限度地减弱阴影和眩光。但这类灯具的光通量利用率低，不经济，一般用于强调艺术性或对阴影、眩光有较高限制的场合，如剧场、美术馆和医院。这种灯具不宜单独使用，往往和其他形式的灯具配合使用。3．灯具的选择灯具的选择应首先满足使用功能和照明质量的要求，同时便于安装与维护，并且长期运行费用低。应优先采用高效节能电光源和高效灯具。所以灯具的选择基本原则如下。(1) 合适的配光特性，如光强分布、灯具表面亮度、保护角等。(2) 符合使用场所的环境条件。(3) 符合防触电保护要求。(4) 经济性好。(5) 外形与建筑风格相协调。4．灯具的布置1) 灯具布置的要求灯具的布置就是确定灯在房间内的空间位置。灯具的布置对照明质量有着重要的影响，光投方向、工作面上的照度及照度的均匀性、眩光、阴影等都直接与照明灯具的布置有关。灯具的布置是否合理还影响着光效以及照明装置的维修和安全。2) 灯具的平面布置和悬挂高度(1) 灯具的平面布置。照明灯具的平面布置分为均匀布置和选择布置两种。均匀布置通常将同类型灯具按等分面积的形式布置成单一的几何图形，如直线型、矩形、菱形、角型、满天星型等，适用于要求整个工作面有均匀照度的场所。选择布置根据工作场所对灯光的不同要求，选择布灯的方式和位置，这种布置能够选择最有利的光照方向和最大限度地避免工作面上的阴影。(2) 灯具的悬挂高度。灯具的悬挂高度主要是考虑防止眩光，且注意防止碰撞和触电危险。为了防止眩光，保证照明质量，照明灯具距地面的最低悬挂高度见表9.3。从电器的安全要求考虑，一般室内照明灯具的高度不小于2.4m，当低于这个高度时，应选用有封闭灯罩或带保护网的照明器。另外，灯具的安装高度还应保证人体活动所需的空间高度。§

9.3照度计算

9.3.1照度标准在选择照度时，照度标准值应按0.5、l、3、5、10、15、20、30、50、75、100、150、200、300、500、750、1000、1500、2000、3000、5000(lx)分级。9.3.2照度计算方法照明计算的目的是使空间获得符合视觉要求的亮度分配，使工作面上达到适宜的亮度标准。照明计算的实质是进行亮度的计算。因亮度计算相当困难，故一般直接计算与亮度成正比的照度值，间接反映亮度值，以使计算简化。因而所谓照明计算，实际是做照度计算。利用系数（用u表示）是指照明光源投射到工作面上的光通量与全部光源发出的光通量之比。他可用来表征光源的光通量有效利用的程度。利用系数的计算公式为

u=Φe/（nΦ）式中，Φe为投射到工作面上的总光通量；Φ为每盏灯发出的光通量；n为灯的个数利用系数值的大小与很多因素有关，灯具的悬挂高度越高、光效越高，则利用系数越高；房间的面积越大，形状越接近正方形，墙壁颜色越浅，则利用系数就越高。利用系数的值可按墙壁和顶棚的反射系数ρ及房间的受照空间特征RCR来确定（查有关设计手册，表8-4给出了GC1-A、B-1型配照灯的利用系数，供参考）。ρ值可直接查表8-5，RCR的值可按下式计算：式中，hRC为室空间高度（指灯具开口平面到工作面的空间高度，如图8-14所示）；l为房间长度；b为房间宽度。当已知房间的长宽、室空间高度、灯型及光通量时，可按下式计算平均照度：式中，u为利用系数；n为灯的个数；Φ为每盏灯的光通量；S为受照工作面面积（矩形房间即为长宽乘积）。由于灯具在使用期间，光源本身的光效要逐渐降低、灯具也要陈旧脏污、被照场所的墙壁和顶棚也有污损的可能，从而使工作面上的光通量有所减少，因此在计算工作面上的实际平均照度时，应计入一个小于1的灯具减光系数K，即工作面的实际平均照度为：9.4照明供电9.4.1照明供电方式的选择我国照明一般采用380/220V三相四线制中性点直接接地的交流网络供电。照明的供电方式与照明工作场所的重要程度、负荷等级等因素有关。1.正常照明场所(1) 正常照明场所一般采用动力与照明负荷共用的电力变压器供电，二次侧电压为380/220V。(2) 当车间的动力采用变压器-干线式供电，而对外又无电压联络线路时，照明电源宜接在变压器低压侧总开关之前；当车间变电所低压侧采用放射式供电时，照明电源一般接在低压配电屏的照明专用线上；当对外有低压联络线路时，照明电源宜接在变压器低压侧总开关之后。(3) 动力与照明合用一条供电线路可用于公共和一般的住宅建筑。在多数情况下可用于电力负荷比较稳定的生产厂房、辅助建筑以及远离变电所的建筑物和构筑物。但应在电源进线处将动力、照明线路分开。2.较重要工作场所较重要的照明负荷一般都在单台变压器的高压侧设两回路电源供电。当工作场所的照明由一个以上单变压器变电所供电时，工作和应急照明应由不同的变电所供电。变电所之间应装设低压联络线，以备某一变压器出现故