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邹吉平照明行业

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照明质量在工业生产中的重要性与存在的问题

1 引言

我国经济高速发展与工业化进程加快,为照明行业的发展提供了有利条件,照明行业发展又推动着整个国民经济的发展。高质量的照明系统在工业生产中有着举足轻重的地位,它具有提高生产率、减少事故、保护工作人员健康等功能。但从现状来看,照明质量却往往被人们忽视。

 

2 照明与照明质量

人们通过眼耳鼻等器官从外界获取信息、了解世界,其中80%的信息来源于视觉[1]。可见光是视觉开始工作的必备条件,当人们的视野内没有自然光或不满足要求时,人眼视觉必须借助于照明灯光来获取信息。照明不仅与人们的工作学习、娱乐休闲、健康安全等方面有关,还与社会经济、生态环境、工业与建筑等相关[2](如图1所示)

1 同照明相关联的各因素交叠图

Fig.1 Overlapping Lighting Issues

 

照明质量的好坏直接影响到人们的工作效率和身心健康,国际照明协会 (CIE)与北美照明工程师社区(IESNA)等国际照明机构对视觉功能、眩光和光色等进行了大量的研究,提出了相应的照明质量指标。照明质量除了照度、均匀性、显色指数、眩光等定量指标外,还包括影响照明质量的非定量指标,尤其是对人们产生心理影响的因素。照明设计师可以采用照明科技成果,利用光量、光方向、光色使建筑形式达到审美要求,即用光来修饰建筑空间、形状、虚实、凹凸、质地、表面颜色等,满足人们心理上的舒适要求。

照明质量是一个复杂的指标体系,不但包含生理方面的指标,还包含心理方面的指标,目前尚有很多争议,但有一点可以肯定:照明质量在国际上受到越来越多的重视。同照明数量(照度、亮度、均匀度等)相比,如果说照明质量在照明系统中不能充当主要角色的话,那它至少应该与照明数量具有同等重要的地位[2]

我国工业照明领域对照明质量的考虑比较简单,主要参考CIE标准《室内工作场所照明》S008/E2001制定统一眩光值UGRUnified Glare Rating)标准和一般显色指数RaGeneral Color Rendering Index)标准[3]

 

3 照明质量在工业生产中的重要性

3.1 工业照明的特点

工业照明是一种功能性照明,具有作业面复杂而广泛、功能重要、与生产密切相关等特点。它涉及的场所和范围很广,既有在小型车间进行的精细加工,又有在高大厂房中的重工业生产,还有在潮湿、低温、腐蚀、粉尘、易燃易爆等恶劣环境下的生产活动。由于工种的不同,使其作业对象、操作方法以及工作环境差异很大,因此不同的工种对照明提出不同的要求。良好的工业照明系统要求有合理的照度,选择合适的灯具,并处理好一般照明和局部照明的配合关系,保证必要的显色指数,具有高效节能低眩光等特点。

 

3.2 工业照明设计与照明质量的要素

3.2.1充分满足工艺和工况环境要求

工业照明设计涉及到化工、轻工、纺织、冶金、采矿、石油、造纸、食品、烟草、火电、制药、橡胶、皮革、木业、玻璃、水泥、电子加工等诸多行业,不同行业的生产工艺和工况环境差异很大,对照明的要求也不尽相同[3]。照明设计应该具有针对性,需要紧密地结合现场工作人员的视觉需求,充分考虑各生产工艺和工况环境的特殊要求。

在生产、使用、加工、贮藏可燃性液体、粉尘、纤维、固体等物质时,应防止照明灯具产生的火花和灯泡热源引起的火灾;在火灾危险较轻的场所,如纺织品库,可采用开启式灯具,但要有可靠的安全距离,与可燃物严格隔开;地下油泵间采用密闭性灯具;在易燃和易爆场合,应采用防爆型的灯具

如果车间内湿度较大,就需要采用防水性能好的灯具;在冷库环境中,照明器具及导线的绝缘性能降低,容易造成短路现象,这类环境中的灯具应选用防潮灯或耐潮的防水瓷质灯头,灯具引线处应严格密封,在有可能因绝缘降低造成漏电的金属构件部分均需可靠接地,若仍不能满足要求,可以采用中性点不接地的供电系统,或者采用低压36V供电。

在多灰尘的厂房内,必须采用防尘的灯具,需要对灯具的IP 等级进行慎重的选择;对于人能触及的灯具,应当有很好的防触电保护性能。

对于高温的上空(如钢水包上方、热轧坯贮存、加热炉等),宜采用远处布置中光束或中偏窄光束的投光灯具。

3.2.2 照度标准与均匀性

目前,我国主要采用国标GB50034-2004作为照明设计的主要依据[3],但该标准所包括的工况界面非常有限,许多工况环境无法从中查出所需照度标准,照明设计时应根据具体工况环境和工艺要求,可凭借经验套用相近照度标准及其均匀性要求,还可以借鉴CIEIESNA的相关标准。照明设计时,通常按照“一般照明”和“局部照明”相结合的方法,一般照明按照总平均照度的515%考虑,而且要求最低照度不宜低于30Lux

3.2.3 照度稳定性

由于照明系统的供电电压的波动、灯具的震动、晃动等因素,使得工作面照度产生变化,降低照明质量,影响到生产。在工业生产的过程中,对照度的稳定性要求较高,在照明设计时,可以从下列几个措施来提高照度稳定性:

a)  提高供电电源质量,使电压波动降低;如供电系统存在大功率设备时,对照明系统应采用单独回路供电;如供电系统谐波含量很高时,应采用隔离变压器供电,以提高照明的稳定性与可靠性。

b)  在空调出入风口的强气流区附近,应尽量避免安装灯具,如无法避开时,灯具安装时应采用可靠的固定措施。

c)  在高速运转设备区使用气体放电灯时,应改善照明系统的频闪效应,一般可以采用电容移相法或者把不同的灯具接不同相位,亦可采用提高气体放电灯光源的工作频率来降低频闪效应。

d)  在震动场所安装灯具时,必须采取减震措施来提高照度稳定性。

3.2.3 显色性与色温

当谈到光的颜色时,必须把光的外观色和由它所产生的物体颜色的外观区别开来[4],前者用色温表示,后者用显色性表示。光的色温和理想的照度有一定的关系(如图2所示),低色温下的暖光在低照度水平下容易被人接受,高色温下的冷光在较高的照度水平时更受人们欢迎 [46]

2 色温与照度水平关系图

Fig.2 Relationship between Color Temperature and Illuminance

 

当人们需要识别机械设备、加工部件、安全标志等外观颜色时(如油漆车间、食品加工车间等),或者在需要进行颜色检验时,色温与显色性在照明质量评价环节中的地位极为重要,必须选择显色性良好、色温适宜的光源。例如在肉类车间,应选择暖色调和显色性良好的光源;在罐头车间,为了保证观察食品的新鲜程度,光源应具有良好的显色性。

3.2.4 眩光限制

眩光是指高亮度的干扰光线进入视野内,并影响到人们的视觉,较严重时,它可以暂时性甚至永久性地使人眼失去视觉功能。眩光主要是由于灯具和光源的类型、安装方式、瞄准方向、反光材料、周边环境亮度以及工作位置等因素产生。在工业照明设计时,需要避免视野中出现高亮度的反射眩光和直射眩光,可以通过合理地选用灯具配光、限制灯具的最小保护角、合理布局灯具位置、结合工作人员的人眼视野来正确地调节灯具瞄准角度等方法减小眩光。

3.2.5 自然光的利用

在当今能源和环境问题突出的情况下,建筑物如何充分利用天然光,节省照明用电,引起了国际建筑和照明界的高度重视。为了有效利用取之不尽、用之不竭的天然光绿色能源,CIE组织了全球天然光资源的调查和观测,即IDMY计划(International Daylight Measurement Programme, 并将陆续发行建筑的天然采光(Daylighting in Architecture)、建筑中天然光的性能(Daylight Performance of Buildings)、建筑物的天然采光设计(Daylight Design of Buildings) 等出版物。

在国内工业照明领域里,建筑采光设计和照明设计往往出现沟通不足的现象,再加上照明控制的不合理性,很多灯具在白天不需要照明的时候仍然长时间开启,能源浪费相当严重。

3.2.6 照明控制与节能

在工业照明领域内,一般都存在控制方式单一、控制箱过于集中、控制回路很少、操作不便、浪费能源等现象。高质量的照明系统既要有合适的照明环境又要达到照明节能目的,这往往需要通过照明控制系统来实现。目前主要的照明控制系统有:低压断路器或手动开关直接控制方式、继电器接触器控制方式、计算机控制系统。而应用在照明工程中的计算机控制系统又包括直接数字控制系统(DDC)、集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)等[7]

近十多年来,智能照明控制系统在实际工程中得到成功应用,并迅速向前发展。其发展方向已经从智能功能发展转向到更注重人的行为,以视觉功效、视觉生理与心理、人的行为为研究基础,开发更具有科学含量、以人为本、高效、舒适、健康的智能化照明。进一步满足不同个体、不同层次群体的照明需求。智能照明控制系统的引入有效地提高了照明质量、照明系统效率、电网质量、光源寿命,并且可以大大地降低系统能耗费用、运行费用、管理与维护费用。智能照明系统目前已经在体育场馆、办公搂、停车场、公园广场、酒店餐馆、综合搂等领域得到广泛应用,相信在不久的将来,智能照明也会逐步渗透到工业照明领域内。

3.2.7 可靠性和安全性

照明质量也表现在照明系统的可靠性与安全性方面,某些工业生产场所在照明系统突然中断时可能出现严重的安全事故,因此,必须提高照明系统的可靠性与安全性,常用的措施有以下几个方面:

a)  提供可靠的供电条件,供电回路中采用高品质的开关电器,对照明系统采用单独回路供电;

b)  采用双回路电源、备用电源或不间断电源(UPS)等方式,对灯具采用间隔交错的方式组成回路;

c)  配置自带蓄电池的应急灯具;

d)  在人员比较密集的车间或较重要的车间内,需要设置事故照明和疏散照明;

e)  选择高质量的灯具,配置优质的电器附件与光源;

f)  运动和旋转着的生产机械,要求良好的照度,并且要避免频闪效应;

g)  管线复杂的高大厂房,灯具应安装在合适的位置与高度,避免在工作台面上形成阴影;

h)  在潮湿、粉尘、腐蚀、爆炸危险等场所,应按照规程选用合适灯具、开关及其配电线路。

3.3 照明质量的重要性

    在工业化进程日益加快的当代社会,照明已经不能停留在满足基本照度的水平上,而且,照度标准也在不断地提高(例如:劳动安全卫生条例中规定的最低照度值在19471972年间就提高了三倍),各国的照度标准之间的差异不断缩小。通过调查可以发现,工业照明领域的照度标准普遍不太高,像商业照明那样自觉靠拢欧美发达国家标准,超过国标的情况很少在工业照明领域发生,一般都很实际地采用略超出国标照度值的方式。在功能性照明的工程案例中,适当地提高照度标准不妨是一个有效提高照明质量的措施之一。

良好的工业照明具有提高劳动生产率、降低生产成本、提高产品质量、保护工人眼力、确保工人身心健康、减少疲劳、集中注意力、保证安全生产等作用;人们在追求工作效率的同时,也在追求舒适,要求照明环境满足人们心理和生理上的舒适,因而有必要对照明质量指标体系进行再认识。比如说为装配车间提供良好的照明条件,就可直接提高装配速度与装配质量,从而降低成本,取得较好的经济效益。在国外,照明设计师和工业界都一致认为,由高质量照明所带来的生产力提高将使业主受益。经济分析表明,如果工人的生产力提高一点点,由此取得的经济效益远远大于一个照明系统所花费的成本。

 

4 工业照明存在的问题

4.1 工业照明比其他行业照明发展迟缓

工业照明是照明研究的重点,国际上最早的照明研究就和工业照明有关,我国的第一部照明标准所关注的也主要是工业照明。但由于改革开放后的一段时期内重工业比重下降,国有企业效益下滑,而新发展的第三产业基本都是民营、私营企业,因此,对照明的重视程度不够,使得工业照明的研究和发展陷入低潮[8]

4.2 对工业照明的重视度不够

工矿企业在生产的过程中,各企业对其行业内技术重视度很高,常常会周期性地引进先进的生产设备与专业的技术人员,却往往忽视与他们密切相关的照明设备更新,很少关注照明行业的技术进步与发展。而照明行业在最近十多年内也经历了技术革新与照明理念提升的过程,导致了工业照明领域内的业主、设计院、监理、施工单位对照明行业的发展了解不多、观念守旧、模式太传统等问题。

4.3 对工业照明的投资不足

由于业主重视度不够,设计院的设计方案太传统守旧,整个工业领域对照明设计的概算、照明设备招投标、照明工程等初次投资控制严格,以致于整个工业领域普遍出现了低质量的照明系统。

笔者对某炼铁厂进行实地考察,同现场设备维护人员交流后发现:维护人员50%以上的时间都用在照明设备维修上,大大增加了维护成本和运行成本;照明系统的安装和维护是件很繁琐的事情,企业领导不太关注,也不太清楚照明环境和操作工人的密切性,操作人员体会很深刻。据统计表明,购买灯具的成本仅仅占全部成本的4%左右,图3显示出灯具各成本之间的关系。

3 灯具成本和使用成本对比图

Fig.3 Expense Portions of Luminaires

 

4.4 照明设计与用户需求差异很大

工业照明存在工况环境复杂的特点,在照明设计时,很难考虑到现场的每个细节;而设计院的图纸经常出现不详尽的现象,因此在施工的过程中,施工单位在安装调试时也无法顾及到最终用户的真实需求。笔者经现场考察后,总结出以下几个问题:

a)    照明设计方案不太合理,缺少跟作业人员多沟通的环节,设计出的方案不贴近工序要求;

b)    照明方式单一,灯具配光不适合现场需求,造成眩光和光量浪费;

c)    灯具布置不太合理,没有联系到实际工序,设计装灯的位置与实际需要照明的区域出现严重差异,出现灯具安装位置不正确、眩光严重的现象,很多场所不得不在竣工后重新安装灯具和敷设线路;

d)    灯具的维护费用较多,照明系统的设备和线路维护起来非常繁琐;

e)    照明控制不太合理,控制方式单一,单个回路的灯数太多,控制箱布置过于集中,控制不够灵活,操作非常不便,降低工作效率;

f)    控制回路没有考虑到天气、季节、时段、功能等因素,有时出现检修照明和正常照明共回路的现象,有的区域白天需要照明,但这些区域的灯具与白天不需要照明的灯具共回路;

g)    照明系统不节能,不具备分时、分区、分工序的控制方式。

 

4.5 照明厂家出现恶性竞争的现象

中国照明行业方兴未艾,据不完全统计,中国照明电器行业平均年增长率在10%左右,并因此而引发了照明行业新一轮的竞争,加上国外公司的渗透,生产型企业的介入,使得市场的竞争日趋激烈。自2000年我国招投标法实施以来,出现了无节制地压低报价的现象,众多厂家出现恶性竞争,导致产品价格大幅下降,利润空间逐渐萎缩。而且,照明厂商推销传销的人员直接进入工业领域,工矿企业的领导对此非常敏感,使得他们在投资方面的控制更加严格。

 

5 结束语

自实施绿色照明计划以来,在宣传教育、工程示范、国际交流等方面取得很大成效,并逐渐影响到商业照明、夜景照明、工业照明等领域,许多工矿企业的领导逐渐认识到照明的重要性。工业照明设计应与时俱进在满足基本照明功能的同时,更多的是要强调照明质量,做到既经济、安全、节能又具有时代特点。


 

 

 

参考文献

 

1 周太明. 电气照明设计. 1. 上海:复旦大学出版社,200126.

2 James Benya, Lisa Heschong, Terry McGrowan. Advanced Lighting Guideline. 2003 Edition. White Salmon: New Buildings Institute, Inc, 2003: 2.14.6

3 国家标准. 建筑照明设计标准GB50034-2004. 1. 北京:中国建筑工业出版社,20042229

4 []明石行生,乾正雄,井上容子等. 光和色的环境设计.

5 M. David Egan, Victor Olgyay. Architecture Lighting. 2nd Edition.

6 Judith Block, John Bullough, Mariana Figueiro. IESNA Lighting Handbook. 9th Edition. New York: The Illuminating Engineering Society of North America

7 邹吉平. 基于现场总线的智能照明控制系统分析与应用. 建筑电气,2007(4): 4953

8 袁樵,詹庆旋. 国内工业领域绿色照明现状分析. 光源与照明,2003(1): 510

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