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关于照明控制的校准与调试
摘要
如果商业建筑中的照明控制可以适当的说明，安装，调试和保养，则可以节省很多重要的能源。在照明生产项目中，常常缺少正确的使用，这大大削减了照明在节约能源方面的潜力。本文主要讨论了通过良好的使用实践使照明控制系统获得令人满意的性能及当今照明系统使用的困难，并向采用新技术的人提供了有关照明应用的建议，从而帮助他们选择其所需的最必要的控制系统。
引言
通过照明控制，建筑师们可以更高效的解决建筑中电能的调试问题。这个系统应用不同的方案来（1）减少闲置空间照明的浪费；（2）根据日光的改变调节照明的标准；（3）选择性地降低照明负荷从而适应最高的用电需求（能源部1931）。照明控制系统已经在世界各地得到广泛使用，然而只有很少的设施在安装后得到充分的跟踪调查来核准它们的能源性能。少量的可找到的监测研究表明，当照明控制系统被合理的布局，说明，安装，使用和保养时，将节省大量重要的能源。在某些情况下，这些节约下来的能量可以储存达几年（如宾斯坦1991）。然而这些早期方案同时也揭示了大量当今设备的缺陷，在常规实践中阻碍了电力能源的合理使用。在照明系统安装过程中或结束后，能量不能被充分利用这样的缺点是可以被查出来的。其它的关于布局，说明和安装的问题本文不予考虑。本文主要讨论的是当今照明控制系统的使用和校准的重要性并为有效的校准这些系统提出实际有效的建议。
一个照明控制系统通常由以下几个基本内容组成：
·调光镇流器：可以对控制信号做出反应。（至于一个传感器中，调光镇流器是不必要的，一个可以替换镇流器的可控的中间继电器将被用来取代它。）
·一个传感器：可以测量或检测所需的物理参数（例如可获得的日光）并起转换成电信号（例如电流或电压）。
·一个控制器：可以接收来自于传感器的电信号，还可以通过一个内置的计算程序将一个信号转变成电信号传给调光镇流器。
有的时候，上述的基本部分都结合在一个相同的设备上。例如，在美国私人的办公室中最普遍的拓扑结构就是一个将电子调光镇流器连接到一个两线感光器上的低电压控制回路。在这里，控制器和调光器都被建立在调光镇流器自身的电路系统里，并且唯一的校准调节在感光器上。为了获得令人满意的结果，必须这些组成部件合理的予以明确规定，只有这样，才可以是这些不同的部件在一个系统中出色的工作。要做到这一点是很难的，至少在美国是这样，因为这些组成部分包括终端系统的部件通常都不是由同一生产厂商生产的，并且来自于不同生产厂家的组成部件的可使用性一直给建筑行业造成很大的难题。
照明控制方案中调试与校准的作用
在建筑行业中，调试被定义为“一个根据所记载的方案计划和业主的操作需要确保所有的建筑系统都在执行相互影响的系统的过程”（FPL1997）。调试的定义经常被扩大到包括一个项目的所有阶段，从构思，布局到使用和运行（BPA1992）。在一个现代化的建筑项目中，通常包含的不仅仅有照明系统，对于一个团队包括代理商，业主，设计人，承包商，设备经理以及建筑维护人员来说，调试都是很必要的。在理想条件下，调试代理商在设计和施工过程中起到的是一个监督者的作用，在建设阶段全面负责调试计划的初期发展，并确保所有所需的调试在设施发挥了真实的作用。但是要由承包商（或分包商）负责正确的安装设备，并做好一切所需物理调试，校准，并依据调试计划中详细的性能说明书确保设备的功能。安装结束后，调试代理商通过运行具体的操作，现场操作调试系统并比较调试过程的具体操作来核实承包商是否执行了调试所必须的所有步骤。
对于照明控制调试的细节，我们已经采取了一个更局限的定义，在这个定义里，调试与所有为使照明系统运行所必须的状况都是相关联的。这里要强调的是，在很多照明方案中，特别是在现行的商业建筑灯具翻新中，或许没有调试代理商能满足上一段所概述的极重要的角色。事实上，对于大多数情况下常见的照明改造（用T-8射线照射器和电子镇流器替换T-12荧光射线照射器和电磁镇流器）这或许对于一个独立的调试代理商来说是几乎没有必要的，因为对于一个合格的调试器来说简单的翻新仅仅需要核准安装是否正确以及总承包商的核准工作是否妥善。然而当一个照明控制系统包含在其中时，在没有调试的情况下，它额外的难题将不会允许照明系统运行。遗憾的是，由于调试是一个独特的活动，所以它并不适用于很多照明工程，并且在大多数的照明控制系统中都无法调试。
我们可以通过例子来看调试在照明控制项目中成功的重要意义。美国加利福尼亚州能源效益守则第24条规定：在新的非住宅建筑中，没有住户的照明区在正常工作时间外必须通过电脑控制关闭传感器，至于“切断”系统，它是通过代码适当的减少能源的使用，操作者必须确保在每一个控制区新安装的系统中都已输入所需“切断”的次数到计算机程序中，从而来控制照明系统的运行。如果没有这个步骤，照明装置或许不能完全自动关闭。在这个例子中控制系统的调试失误可以导致电能的损耗量甚至超过该建筑没有控制系统时的电能损耗量。
事实上，大多数基于电脑操作的照明控制调节都是通过制造商增加或转换一种可大量生产的软件的数值。通常情况下，当前这种用于照明控制的软件还远远不能满足需求，它们操作复杂并且或许超出了建筑人员的技术水平。
校准是调试的一部分，它直接关系到一个电子的或机械的传感器的正常运行。它是指对于一个传感器在电子或机械方面的调整从而通过实际的输入范围获得所需的输出（一个物理参数，例如光）。校准需要大部分的传感器（无论是从日光检测出改变的光标，还是从移动的温暖的主体中检测出高温模型），因为我们不知道在某个特点的建筑施工中会偶然需要传感器的投入使用。这里通过两个临近的办公室举例，一个是黑暗的，另一个有浅色的家具。及时所有其他的物理条件（例如窗户的大小和方向）都相同，人们会认为光传感器在这两个空间中的数值明显不同。可用光的数量，尤其是在碰撞传感器或处理了窗户使其不能完全遮挡住阳光直射的条件下，更容易体现出极度异常的范围（从0-100,000勒克斯）。
在实际中的校准调整通常是通过转动设置在传感器里（这个相对难以达到）或控制器上的螺丝钉来完成的。在更复杂的系统中，校准或许可以通过软件来完成。从实际情况来看，校准或调试系统是麻烦且浪费时间的，因此它常常被误解并被阻止了，从而导致传感器在默认的设置情况下就开始使用了。
由于安装照明控制系统的方法有很多，校准与调试的特定细节将会使系统间存在很多的区别。此外，我们已经定义过的校准与调试的区别则变的难以区分。然而，通常来说，当今大多数照明控制系统中所需的校准与调试的信息如下：
表1.对于不同控制类型中典型的校准与调试
控制类型
校准和调试

日光连接

核准传感器的安装位置和方向，使其达到最佳操作状态。如需调节，调整光传感器或控制传感器使其工作面获得所需的光标。

流明维护
核准传感器的安装位置，使其达到最佳操作状态。如需调节，调整光传感器或控制传感器使其工作面获得所需的光标。

传感器
核准视图的安装位置和场地，使其达到最佳操作状态。如果发现意外障碍，调整传感器位置，调节传感器的灵敏度和延时性。
切断
输入开始/停止的时间及超控处理。
手动调光
设置调光范围的上/下界限。
当前的调试实践状态
如果想从照明控制系统中获得令人满意的操作，调试是十分必要的，所以控制硬件一旦被安装，承包商就应该尽快的调试系统。然而，并不像高压交流电工业那样，负责安装通风系统的分包商同样要对系统进行调试，几乎没有电力承包商有调试照明控制系统的经验。由于这种经验的缺乏，对建筑行业中广泛使用的照明控制造成了严重的阻碍。为了通过当今的系统克服这种障碍，承包商必须发展其技术从而适当的调节装置的控制部分，并将其列入合同中。由于承包商调试照明控制系统产生的附加费用，必须包含在总的投标价里。为了帮助承包商，制造商应该尽量使自己的产品可以容易的（快捷的）调试，并且在产品中装入清楚的、详细的关于校准及调试的说明。将来的制造商帮助范围，包括在承包商调试系统时需要在场并向其提供任何所需的专业设备（例如光线计量器），从而确保承包商可以正确的调试。直到电力承包商掌握了调节照明控制系统所需的必要的经验，照明控制才可以得到合理的利用从而降低能源使用量。
日光传感系统的校准
通过美国旧金山联邦政府建筑的设计过程及一些不同的照明控制系统的运用，作者在当前可利用系统的校准与调试方面已经获得了有价值的知识和实践经验。值得特别注意的是，要使用最大增量的传感器校准日光感应系统的正确种类是十分困难的。对于传感器来说在小的空间（例如私人办公室）最适合的位置通常在最接近主要工作地区的地方。要校准这种类型的系统，一个人必须站在梯子上调整一个距地3米处的的传感器中一个很小且难以找到的电位器（滑丝变阻器）。正如弗洛伊德（弗洛伊德1996），我们发现调整传感器上的电位器过于灵敏，使得光标很难甚至无法准确的设定。由于日光和电光源的范围广泛，为了使光标可以在一个真正的建筑中高效的校准，传感器应该可以粗调和细调。根据我们的经验，这种调整类型是不常见的。
由于校准时需要靠近传感器，这又加剧了校准传感器的最大增量的困难，从而阻塞了光的正常照射。这对调试过程添入了很大的错误。克服这个问题的一个方法就是规定在校准调试时与传感器保持一个规定的距离。一些当前可使用的系统就具有这样的功能，但是从现实的可行性来说，这种方法需要将传感器连接到一个可是控制器上。尽管如此，在我们看来，随着系统可以被第一时间正确校准的可能性的提高，附加的电线也被认为是正当的。
最后，我们必须认识到想要正确的校准光反应灵敏的照明系统，光度计是十分必须的。这个光度计（或测光表）并不需要很贵（大约200美元就可以购买一个校准用的光度计）。如果可以，买一个在光度计和读数器之间有长的缆绳的光计量器是十分有优势的。这使得可以在光标的测量和校准调整这段长的距离间执行。
调试的意义
如果一个照明控制系统没有被正确的校准和调试，这会使得令居住者满意和节省大量能源的设计宗旨无法实现。如果一个照明控制系统不能按照居住者所期望的作出反应（例如电子光线像太阳从一个飘过的云后面投射的阳光那样变化的过多或过快），居住者将会感到不满甚至可能会试图忽略控制系统（例如由于过度照射光传感器导致光标向人们所不希望的方向改变）。即使居住者不尝试着去绕开控制系统，他们也会抱怨住宅的管理者。所以建筑管理者们为了平息住户而不顾能源效率的做法也是人之常情了。我们从这个例子中可以知道，电气工程师断开传感器其实是为了避免住户的抱怨。
具有讽刺意味的是，一个失败的照明控制系统，通常是以导致一个国家消耗了大量能源而告终的。从一个铁路刹车员的“死忘的开关”（当车行至中途时，刹车员放开控制杆）的反面看，一个无连接的传感器将会导致照明达到全功率（全照明输出）。在当今的照明控制系统中，为了安全起见，最好不要全功率照明。因此，作为一个必要的控制设计理念的推论，一个失败的控制系统所消耗的能源与一个完全没有控制的系统所消耗的能源是一样多的。很明显，在这种情况下节省下来的能源将不会被用在安装这种照明控制设备所造成的而外花费上。
同样重要的是，如果由于没有准确的校准，导致早期的控制接管者不满意这种系统操作的方式，他们的经验或许会导致将来的用户躲避控制。正如许多新的技术需要获得一些积极的成果才会被大家所接受，并且一旦有一次不好的经历，就会使用户很长一段时间抵制这种控制技术。
关于校准的实质性建议
根据我们的经验，如果安装的正确，大多数可以买到的传感器每个需要大约5分钟进行校准及调试。另一方面，日光连接控制器需要更长的时间进行调试。我们将联邦政府大楼中得到的结论结合起来，其中在旧金山联邦大楼（在那里我们成功的保持在一年多的时间里显著的节约了能源，并没有接到居住者的投诉）进行测验的开环控制系统可以被一个有必要设备（例如光标）的技术熟练的技术人员在大约30分钟内完成调试。由于这些区域的面积相当的大（50平方米），每平米的校准在不浪费的工作条件下，花费不会太高。然而从当今的控制及能源耗费方面来看，在一个私人办公司内，对于日光连接控制耗费30分钟来调节所用的时间过长了。
我们所测试的高增益闭环控制系统还没有达到良好的效果。在一个较小的办公室里，通过实践证明调试这些系统是浪费时间，即使经过仔细的调整，办公室与办公室之间的光照亮度也难以保持一致。
结论
当今的照明控制有潜力节约商业建筑中大量的额外的照明能源浪费。鉴于在商业建筑中能源大量浪费这一问题的普遍存在，照明控制是很值得努力尝试的。然而，自动控制系统必须经过校准及调试从而节约大量的能源并实现其所期望的价值。完成这些重要的项目的经验还没有完全应用于建筑项目中。在某些情况下，一些有经验的人可以校准及调试当今的控制系统，因此他们可以保证控制系统的成本效益。然而除非更加智能化以及/或者更加方便的控制系统可以被使用，否则节能照明控制系统将无法被广泛的采用。

文献网址：http://gaia.lbl.gov/btech/papers/41010.pdf