照明设计基础知识

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,光学、照明基础知识,目 录,第一章 光学和照明基本知识,一、 光,的基本概念,二、 光学度量的几个基本量,三、,照明设计有关的几个概念,第二章,常见电光源及电器介绍,一、 发展简史,二、,分类及对应特性,三、,主要用途,四、,主要电光源实例,第三章,照明设计基础,一、,照明场所的特点,二、工厂（车间）照明设计,第四章 照明布线及相关知识,一、线路改造方案的制定,二、照明设计布线的其他注意事项,第一章 光学和照明工程,一、光的基本概念,光是一种电磁辐射，可见光是电磁辐射的一部分，电磁辐射包括微波、红外、可见光、紫外辐射、,x,射线和,射线。在这些电磁辐射中，只有可见光波段是眼可见的。 可见光波段包括波长,380-780,纳米（,1,纳米,=10-9,米）的电磁波段。,图,1,可见光的颜色和波长分布,在光照下舒适工作的要求依赖于以下几点,照明等级,视场内的亮度分布,避免眩光,光在空间内的分布,光色和显色,可见光在整个电磁波段中所占的范围,二、光学度量的几个基本量,1.,光通量,光源每秒钟发出的光的总量。单位：流明,lumen,（,lm,）,2.,光效,某一光源发出的光通量与其消耗功率的比值。,单位：流明,/,瓦。,3.,光强（,Iv, I,）,光源在给定方向上的单位立体角中发射的光通量。单位：坎德拉，,cd,（整个空间的总立体角为,4,）,4.,亮度（,L,）,光源在某一方向上的亮度是光源的单位面积、在该方向上单位立体角中发射的光通量。单位：,cd/m2,5.,照度,(E),照射到表面一点处的面元上的光通量除以该面元的面积。单位：,lux,，,lx (,勒克斯,),下表列出了几种典型的照度。,下图为光通量、照度和亮度之间的关系,6.,色温,(CCT),以绝对温度,K,（,Kelvin,）来表示。,色温越低，光色越偏红，色温越高，光色越偏紫。,对于热而发光的光源，所发光的色温就是多高。气体放电灯用与它的颜色最接近的热发光物体的表面温度来表示它的色温。,7, 显色指数,(Ra),表征在特定条件下，经某光源照射的物体所产生的心理感官颜色与该物体在标准光源照射下的心理颜色相符合的程度的参数。,它表示的是用这个光源照射物体，拍下彩照的颜色保真程度，显色指数越高，色彩失真越小。,日光无疑显色指数最高，为,100,；,白炽灯、金卤灯、镝灯等一般显色指数为,85,100,；,荧光灯显色指数为,70,80,；,节能型荧光灯、高压汞灯显色指数为,40,65,；,高压钠灯由于是接近单色的灯，显色指数很低，小于,40,；,三、 照明设计有关的几个概念,1,眩光,由于亮度分布或范围的不合理分配或空间或时间上的强烈反差，而引起的不舒适视觉条件或观察能力的下降。,下面图,4,中，工作者前方水平方向上下,15,0,范围内射向眼睛的光如果比背景光强时，就会感觉刺眼，这就是眩光。,图,4,眩光产生的范围,2,、,配光曲线,（旋转对称）,配光曲线（非旋转对称）,配光曲线是表示灯具发出的相对光强度分布曲线，它的单位是,cd/k.lm,上图为某一灯具的配光曲线，我们看到，此灯具发光为旋转,对称发光，左侧的光强小于右侧光强。灯具正面,15,0,方向光强为,750cd/k.lm,，现在我们假定灯泡光通亮为,8500 lm,，则,15,0,方向光强为,750x8500/1000=6375(cd),灯具的,15,0,方向，距离为,6,米处的照度,6375/6,2,=177(lux),一般判断照度的均匀度是用指定的区域内最小照度与平均照度之比来表示。照度的均匀度等于,0.7,，被认为是设计允许照度均匀度的最小值。,灯具的距高比是灯具安装时，照度的均匀度不小于,0.7,的灯具之间距离与灯具安装高度之比。记为：,L/H,。图,6,为距高比的示意图,3,最大距高比（简称距高比）,4,灯具效率,灯具实际发出的光通量与灯具内电光源发出的光通量之比。它是衡量灯具是否节能的重要指标之一,用百分数表示。,5,光通量维持率,灯具在给定的点燃时间后的光通量与其初始的光通量之比，用百分数表示。,6,照明功率密度（,LPD),单位面积上的照明安装功率（包括光源、镇流器或变压器），单位为,W/m,2,。,第二章 常见电光源及电器介绍,常见电光源主要性能参数比较,白炽灯,普通白炽灯发光效率低，寿命短，但光色和显色性好，不需任何点灯附件，使用方便，还可以有各种功率和形状，并能小型化，所以白炽灯在家庭、商店等室内照明方面获得了非常广泛的应用。 白炽灯是根据热辐射原理制成的，主要是由灯丝、泡壳和灯头组成。,（,1,）发光效率,工作在钨的熔点（,3653K,）的白炽灯，理论上的光效可达到,53 lm/W,。由于它的大部分能量都变成红外辐射，以现今额定寿命为,1000,小时的普通白炽灯为例，其光效为,8,21.5 lm/W,。在灯启动的瞬间灯的电流很大。当使用大批量白炽灯时，灯要分批启动。,（,2,）色温和显色性,普通白炽灯，色温较低，约,2800 K,，有很好的色温。白炽灯的辐射覆盖了整个可见光区，在人造光源中它的显色性是首屈一指的，一般显色指数,Ra=100,。,卤钨灯,卤钨灯与白炽灯相比，它具有光效高，体积小等特点，且光色也好，故可用作投光、放映、照相、摄影等方面的照明。,（,1,）发光效率,卤钨灯的特点之一是光效较高，与相应的普通白炽灯相比，光效要高出很多。在卤钨灯中由于卤钨循环有效地防止了灯泡发黑，卤钨灯在寿命期内的光维持率几乎达到,100%,。,（,2,）色温和显色性,一般照明用的卤钨灯的色温为,2800,3200 K,。与普通白炽灯相比，光色更白一些，色调也稍冷一点，卤钨灯的显色性十分好，一般显色指数,Ra=100,。,荧光灯,荧光灯具有光效高，发光柔和，寿命长等特点，可以做成各种光色，其形状有直管形,U,形和环形等，广泛用作室内照明。,光输出维持特性,荧光灯在点燃,8000 h,后，灯的光通量将下降到初始值的,70%,80%,，灯管管壁（尤其是灯管端）发黑，影响光输出。,金属卤化物灯,金属卤化物灯的发光效率、显色性都比汞灯好，适用于室外和室内高大房屋的照明。高显色性的灯可用于印刷厂、印染厂、体育馆、等处的照明。,工作特性,金卤灯采用镇流器启动，灯在熄灭后由于灯内气压太高不能立即再启动，要等,5,20 min,后才能再启动。,金卤灯在电源电压上下波动大于,10%,时就会造成灯颜色的变化，灯泡必须工作在规定的功率范围内，灯才能达到要求。金卤灯的颜色特性在很大程度上取决于电弧管的冷端温度和灯的工作位置。,单端型金卤灯,插脚式金卤灯,双端型金卤灯,金卤灯的结构示意图,高压钠灯,高压钠灯是发光效率最高的一种人造光源。由于辐射是单色的，灯的显色性差，故只能用于显色性不甚重要而能见度要求高的地方，例如可作为隧道等场所的照明。,工作特性,高压钠灯通常采用电感镇流器进行工作。高压钠灯的发光特性与灯内钠蒸气有关。标准型高压钠灯就是工作在灯内钠蒸气约为,10 kPa,，光呈金黄色，色温为,1950 K,，显色指数,Ra=23,。采用增加钠蒸气压，开发出两种新的高压钠灯。一种是显色改善型，另一种是白光高压钠灯。前者灯内钠的蒸气压为,40 kPa,，色温升到,2200 K,，显色指数,Ra=60,。后者灯内钠的蒸气压为,95 kPa,，色温升到,2500 K,，显色指数,Ra=85,。但与标准型高压钠灯相比，它们的光效明显下降。,单端高压钠灯,双端高压钠灯,高压钠灯结构简图,LED,（,Light Emitting Diode,）灯,LED,（发光二极管）特点：（,1,）色彩丰富：全彩色显示 （,2,）响应时间快：白炽灯的响应时间为毫秒级，,LED,灯的响应时间为纳秒级。（,3,）高节能：超低功耗，电光功率达,90%,以上，比传统光源节能,80%,以上。（,4,）长寿命：,LED,光源无灯丝、工作电压低，使用寿命可达,5,万到,10,万小时。 （,5,）利环保：生产中无有害元素、使用中不发出有害物质、无辐射。（,6,）,LED,的缺点是价格高，功率小。由以上的特点可以看出，,LED,必将成为领导照明世界里第四代新型光源。,SMD,大功率贴片式,LED,圆形,LED,四爪型,LED,多边形食人鱼形,LED,大功率,LED,第三章 照明设计基础,第一节,常见照明场所、特点和照度要求,1,工厂照明要求,（,1,） 照度值,总体照度值（也称为照度水平）是工厂照明中的最基本的要求。,表,2,中列出了部分工作场所的要求照度在相关的国家标准中的规定。,表,2,见图标，请双击,（,2,）,照度的均匀度,最小照度与平均照度之比不低于,0.7,。,平均照度简单估算：,平均照度,=,所有灯具的流明数, 85% ,总照明面积,最低照度一般是没法计算的，通常是通过设计时掌握正确,的距高比来控制。,（,3,） 光源选择,在工厂照明中，采用什么样的灯具，也是由使用的环境来决定。,（,4,）危险区域照明要求,障碍物及不同高度水平的工作面。,安装于危险区域范围之外。,分散的局部照明灯具。,发生眩光。,第二节,工厂（车间）照明设计,1,、,进行工厂照明设计需了解的一般因素,工作环境的性质,对显色性的要求,工厂的温度环境,工厂的使用环境,2,、 工厂的照明系统,1,）工厂照明系统的组成：一个完整的工厂照明系统由一般照明、区域化照明、局部照明、特殊作业照明混合组成。,2,）一般照明：用来在所考虑区域的工作面上产生比较均匀的照度。,a,、,一般照明的原则,照度均匀度。,安装高度决定使用荧光灯或高强度气体放电灯。,安装高度在,2.5-4m,之间，可采用荧光灯具。,安装高度在,4-7m,之间，可采用悬挂式反射型荧光灯具。,安装高度在,7m,以上，可选用,HID,（高强度气体放电灯）灯具。,工厂的一般照明方式：参考表,5,。,表,5,见图标，请双击,b,、,布灯原则,2,）区域化照明,实际上，区域化照明就是在相对小的区域内的一般照明。,3,）局部照明,采用局部照明来增加工作面的照度，局部照明是一般照明的补充，不能用它来完全取代一般照明。,4,）特殊作业照明,通常的一般的照明系统不能满足要求，采取的照明手段称为特殊作业照明。,2,、工厂（车间）照明快速估算法,快速估算法通常是采用如下过程：,(1),先根据需要对一般照明（或各区域化照明）进行估算；,(2),再对某些有需要的区域加上局部照明；,(3),最后，对某些特殊作业安排适当的补充照明。,(2),和,(3),是根据具体情况安排，这里着重介绍一般照明（或各区域化照明）的快速估算法。,快速估算法：,1,）从表,2,中工业照明推荐值中找到应用场所的照度,A,；,2,）从我们灯具的手册或说明书中得到光源的流明值,B;,3,）额定光源流明值,B,乘以,0.5,得到光源的维持流明,C,；,4,）灯具数,: N=,房间面积*,A/C,5,）灯具间隔：房间面积,/N,6,）当使用高悬挂灯具时，灯具间隔,L,与悬挂高度之比大于距高比时，则灯具间隔,L,过大，应选用功率低一级别的光源，重复第三步，直到灯具间隔,L,满足要求；,7,）选用一种合适的高悬挂或低悬挂灯具。,1.,工厂（车间）照明系统设计实例：,郑铁服务中心电架库照明改造设计,1,）现场条件,a,、照明场地为电架库主厂房，分为两部分。需要照明的总面积为,8280,米,2,如下图,7,所示意；,b,、,电架库厂房是进行设备维护和维修的场所，操作对象较大、较重，安全生产尤为重要；,c,、电架库厂房是进行设备维修等较精细的工作，故对光源的显色性有较高要求，需要选用显色指数较高的光源；,d,、电架库的温度环境：整体环境与当地的气候环境相同，车间内部没有特别的高温或低温设施，当地（郑州）冬季最低温度在,-20,左右，夏季最高室内温度低于,35,。,e,、电架库厂房灰尘及烟雾较大，油脂较多，须选用具有防护等级的密封式灯具；,图,7,照明场地示意图,2,）照明设计方案,根据以上的几条因素，确定如下的选灯和布灯方案：,a,、取消选用原有的高压汞灯（显色指数仅为,30-50,），选用显色指数高的金卤灯做光源（显色指数达到,80-85,）；,b,、电架库层高为,7-9.5,米，不适合选用荧光灯具，较适宜选用金卤灯高棚灯具，亮度高，投射范围大，而且环境温度对灯具没有影响；,C,、根据电架库的工作性质，其室内的平均照度应达到,300lx,，但实测现有照明系统环境照度只有,112-176lx,。故将原有,250W,高压汞灯改造成,400W,金卤灯，从其电网负荷和经济性考虑，灯具可以减少一半；,d,、,根据电架库的工作性质，照明系统分为三部分组成，顶部一般照明，侧壁补充照明，地面移动照明，灯具的分布如下图所示：,e,、 根据以上确定的一些原则，然后用平均照度法进行照明设计，通过逐点计算法评估眩光，此过程比较繁杂，此处暂时略过。,如果用快速估算法来进行粗略设计，计算过程如下：,I.,从表,2,查得电架库照度推荐值应为,A=300lx;,II.,选择,NTC9210,防震型投光灯做一般照明，,NTC9700,防眩通路灯做侧壁补充照明，两者均为,400W,金卤灯，单个灯泡流明值为,B=36000lm;,I.,灯具效率和光源维持流明值为,C=36000*0.5 = 18000(Lm),II.,灯具数,N=138*60*A/C = 138*60*300/18000=138(,台）,III.,灯具间隔,L=138*60/N = 138*60/138=7.7(m),以最低层高为,7m,计算，而,9210,的距高比为,1.3,，因此，功率值及灯具间隔值都是比较合适的。与计算法得出的结果基本一致，实际运用中，根据特殊需求及工种再辅助用局部重点照明。,第四章 布线及相关知识,确定原有灯具的使用电压和功率,原有供配电网络中灯具的接线方式,原有照明开关和漏电保护器的基本参数,制定线路改造方案,第一节,线路改造方案的制定,灯具的接线方式,放射式接线方式,树干式接线方式,放射式接线方式,混合式接线方式,客户原有灯具是混合式（指供配电网络）安装的，为,18,盏,220V200W,的卤钨灯，现在想改为,18,盏,220V150W,的金卤灯，在灯具安装位置不改动的情况下，原有线路是否需要更换呢？,I=P/KU,客户原来每盏卤钨灯（功率因素为,1,）的线路中可以流过的电流为：,I=200/,（,1X 220,）,=0.91A,将要换上的,150W,金卤灯（功率因素为,0.8,）需要的电流为：,I=150/,（,0.8X 220,）,=0.85A,通过计算可以知道，我们将要换上的灯所需电流比客户原有的灯所需电流要小，所以可以直接换上,150W,金卤灯，原有线路不用做任何改动。,如果原有灯具想改为,18,盏,220V250W,的金卤灯，情况会怎么样？,常用电力电缆,(PVC),载流量与芯线粗细的关系,查表得支线的载流量（能承受的电流大小）为,22A,。支线上连着六盏,220V250W,的金卤灯，实际流过的电流为,1.42X6=8.52A,。所以原来的支线不用改动。查表得总线的载流量为,29A,。，总线上连着三条支线，实际流过的电流为,8.52X3=25.56A,。所以原来的总线也不用改动。,我们还需要看看原有线路中的开关参数。开关的参数我们需要记住两个，一个是开关的耐压值（也就是在什么电压下可以工作），另一个就是开关的载流量（也就是开关的容量，指它能承受的电流大小）。这个客户开关的配置方式为：总线处装了一个,AC220V20A,的总开关，三个支线处都装了一个,AC220V10A,的分开关。如果要全部换成,250W,的金卤灯，支线上的分开关实际流过的电流为,8.52A,，总线上的总开关实际流过的电流为,25.56A,。因此，需要更换总开关，可以换成,AC220V30A,规格的开关。这样一来，原有线路在没有其它电气负载和电气保护机构的情况下，只要换个开关就可以实现线路的改造。,特别潮湿（如空气湿度很大）的地方,有高温（如炼钢炉边上）的地方,空气中有导电性灰尘（如机加工车间的金属粉尘）的地方,具有导电性地面（如车间中的金属人行过道）的地方，需要特别注意用电的安全。,保证用电的安全有很多方法，最常见的是将灯具的金属外壳接地，也有用,PVC,等绝缘材料将线路中容易漏电的地方包几层的，还有干脆将整个用电场所围起来只让专业人员进入,第二节,照明设计布线的其他注意事项,1,、,安全用电注意事项,2,、,电器设备干扰,3,、,实际场所实施的安装考察,管子的截面积一般比线大一倍,导线在管子内是不可以有接头和扭结的，其接头应在专门的接线盒内连接。,不同回路的导线不应同穿于一根管子，不同电压的导线不应同穿于一根管子，交流与直流的导线不应同穿于一根管子。,照明布线中，人容易碰到的电缆，应配有一定机械强度的保护管或加装保护罩。,Thank You !,深圳凯瑞科技有限公司,