【文章內(nèi)容簡介】 耗的綜合模擬。這些軟件中采用的光照模型包括光線跟蹤、光能傳遞和 幾何計(jì)算等。為統(tǒng)一自然光比較標(biāo)準(zhǔn)，國際照明委員會(huì) （ CIE， International Commission on Illumination）確定了 15種通用標(biāo)準(zhǔn)天空模型，常用的有均勻天空 模型（ Intermediate Sky）、全陰天模型（ Overcast Sky）、晴天模型（ Clear Sky） 和 Perez全氣象條件天空模型（ Perez All Weather Sky）等。其中，最后一種的天 空亮度分布更為真實(shí)，可以根據(jù)直散射輻照度和其他相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算天空亮度，從 而獲得全年動(dòng)態(tài)自然光數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)模型只能針對(duì)特定天氣情況的缺陷 [16]。 由于建 筑與系統(tǒng)的的影響因素眾多，且在實(shí)際工程完成前只能進(jìn)行預(yù)測，所以關(guān) 于人工照明、自然采光以及建筑總能耗的研究中，很大比例的成果是基于模擬結(jié) 第 1章 引言 3 果得到的。值得一提的是，在動(dòng)態(tài)模擬軟件 Daysim中，不僅對(duì)全年動(dòng)態(tài)條件有 比較好的覆蓋，還定義了主動(dòng)與被動(dòng)式行為，將人對(duì)遮陽、照明的控制行為模式 也結(jié)合到了照明能耗模擬計(jì)算中 [17]。然而，這些工具在實(shí)際的工程中應(yīng)用范圍 仍然較小。以新加坡為例，只有 25%的建筑公司采用照明或采光模擬軟件；而針 對(duì)美、加、德三國 187名設(shè)計(jì)員、工程師和研究人員的 網(wǎng)絡(luò)調(diào)查表明，其中只有 134人在考慮自然采光的同時(shí)還使用了模擬軟件進(jìn)行結(jié)果預(yù)測 [18]。 雖然增加智能照明控制，如根據(jù)自然光調(diào)節(jié)人工照明，對(duì)建筑節(jié)能應(yīng)該是有 利的，但現(xiàn)今在辦公建筑中對(duì)這種系統(tǒng)的使用率還很低。阻礙其發(fā)展的原因之一， 就是缺少確定控制方式節(jié)能潛力的計(jì)算工具，或者存在這種工具，但其使用起來 非常復(fù)雜。比如前面提到的各種模擬軟件，無論采用哪種光照模型，隨著計(jì)算精 度和輸出結(jié)果（圖像 /數(shù)字，人工照明 /自然采光）方面要求的提高，都會(huì)增加輸 入?yún)?shù)，延長計(jì)算時(shí)間。因此，不同照明控制方式的經(jīng)濟(jì)性很難在 項(xiàng)目初期就得 到確定。針對(duì)這個(gè)問題，很多研究者致力于簡易評(píng)估方法的開發(fā)。 Moncef Krarti[2] 等人根據(jù)模擬結(jié)果整理出一個(gè)簡化的評(píng)價(jià)公式，以室外照度水平、室內(nèi)照度設(shè)定 值、日光控制方式、窗戶透光率和面積、外區(qū)面積和房間面積為輸入，即可得出 一個(gè)房間內(nèi)采用日光控制的節(jié)能潛力，即全年采光滿足率（ DA， Daylight Autonomy）或稱為 “ 全自然采光時(shí)間百分比 ” 。經(jīng)模擬和實(shí)際驗(yàn)證，這種簡易計(jì) 算法絕對(duì)誤差在 %以內(nèi)。類似的，余瓊等 [19]以上述自然采光滿足率為評(píng)價(jià)標(biāo) 準(zhǔn)，用詳細(xì)模擬軟件回歸分 析，擬合出該值計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，從而建立模型，用 于建筑方案設(shè)計(jì)階段對(duì)使用基于自然光控制的照明系統(tǒng)能耗進(jìn)行預(yù)測。 另一方面，由于照明能耗本身和建筑采光設(shè)計(jì)對(duì)采暖、空調(diào)能耗也有影響， 所以如何平衡它們間的關(guān)系，降低建筑總能耗，學(xué)者們也進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn) [19]中即提到了建筑設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)總能耗的影響與照明控制方式有關(guān)。 Christelle Franzetti[20]等人分析了建筑和系統(tǒng)中各要素之間的關(guān)系，比較其對(duì)建筑總能耗的 影響后，認(rèn)為窗地面積比是其中最敏感的因子。文獻(xiàn) [21, 22]指出，照明密度對(duì)于 建筑能耗的影響和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件關(guān)系十分密切。在上海所處的夏熱冬冷地區(qū)， 其全年能耗對(duì)照明密度的敏感度比其他城市要高出許多，即照明能耗下降可導(dǎo)致 建筑能耗較大幅度降低。香港城市大學(xué) . Li、 . Lam等人對(duì)能耗預(yù)測進(jìn) 行了一系列研究 [2133]，他們使用 CASIS和 LIGHT先模擬室內(nèi)單獨(dú)使用日光照 明時(shí)的亮度情況，再在特定照明控制方法下，如恒光照明控制，計(jì)算所需要的逐 時(shí)照明功率；然后結(jié)合建筑熱特性，預(yù)測建筑總體能耗值 [22]。由于對(duì)室內(nèi)照度 模擬的精度較高，預(yù)測結(jié)果較為可信。在香港地 區(qū)，自然光控制的調(diào)光照明系統(tǒng) 可節(jié)約 30%以上的照明電耗 [29]，降低空調(diào)峰值負(fù)荷，節(jié)約設(shè)備初投資 [33]，且在 照度設(shè)定值較低時(shí)，僅用開關(guān)控制即可實(shí)現(xiàn)節(jié)能 [29]。鑒于建筑負(fù)荷成因的復(fù)雜 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 上海地區(qū)照明控制策略對(duì)建筑能耗的影響 4 性，自上世紀(jì)九十年代 Park等人 [34]提出用 ANN（ artificial neural work，人工 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）預(yù)測電網(wǎng)負(fù)荷的方法后，便出現(xiàn)很多關(guān)于用類似方法預(yù)測建筑負(fù)荷的 研究成果。 Aydinalp Merih[35]和 Wong S L[36]分別針對(duì)住宅和辦公建筑，挑選建筑 能耗最敏感的幾個(gè)因子，包括建筑參數(shù)，天氣參數(shù)和建筑內(nèi)的電器應(yīng)用等，建立 了建筑整體能耗預(yù)測模型，可分別輸出建筑總能耗，采暖、制冷能耗和照明能耗。 但這些模型都需要大量數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，才能輸出較準(zhǔn)確的預(yù)測值。 綜上所述，關(guān)于自然采光和照明能耗間的關(guān)系主要通過模擬來確定，仍缺乏 一定的實(shí)測數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，在能耗預(yù)測模型的訓(xùn)練中，也需要這些數(shù)據(jù)的輸入。 所以，本文旨在獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終為工程應(yīng)用提供支持，為不同的建筑類型或 房間使用方式中照明控制策略的選擇提供依據(jù)。 論文的研究目的及主要內(nèi)容 研究目的 本文的研究目的是：通過實(shí)驗(yàn)的方法，獲得具體數(shù)據(jù)，用其進(jìn)行智能照明控 制系統(tǒng)的不同策略在辦公建筑中的節(jié)能作用的比較，最終確定直接導(dǎo)致的照明降 耗和建筑總能耗（主要是空調(diào)和采暖）受到的影響。 主要內(nèi)容 ? 分析辦公建筑的照明節(jié)能潛力，如日光的可利用度，人員的行為模式， 原有照明控制等； ? 智能照明控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建； ? 對(duì)不同照明控制策略的節(jié)電效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并比較各個(gè)情況下的照度水 平； ? 建立實(shí)驗(yàn)臺(tái)所在辦公室的建筑模型，利用實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)作為輸入，采用模擬 的方法，分析不同照明控制策略對(duì)建筑各分項(xiàng)能耗的影響。 技術(shù)路線與結(jié)構(gòu)框架 根據(jù)上述內(nèi)容和研究目的，確定本文技術(shù)路線，如圖 11所示： 第 1章 引言 5 圖 11全文技術(shù)路線圖 第 2章 照明控制與能耗綜述 7 第 2章 照明控制與能耗綜述 本章為全文的理論基礎(chǔ)概述，在簡介照明控制方式和策略的基礎(chǔ)上，分析關(guān) 鍵因子，如日光、人員行為等，對(duì)不同控制方式效果的影響。 控制方式 由于全文所涉及 系統(tǒng)均位于辦公建筑內(nèi)，所以這里所指的控制方式也以辦公 室適用的方式為主。照明的自動(dòng)控制方式主要包括 [37]通斷控制和調(diào)光控制。按照 控制的信號(hào)種類，可分為日光控制、時(shí)間控制、來人探測控制、場景控制等。將 不同的控制方式進(jìn)行組合，可形成不同的控制策略。圖 21為銳高公司的一項(xiàng)調(diào) 查統(tǒng)計(jì)結(jié)果 [37]，辦公室內(nèi)采用不同照明控制策略，節(jié)能效果不盡相同。圖中綠 色部分代表節(jié)能率。以高頻電子鎮(zhèn)流器的使用作為比較基準(zhǔn)，使用電感鎮(zhèn)流器會(huì) 使照明能耗增加 30%，如紅色柱形所示。而使用日光控制高頻電子鎮(zhèn)流器調(diào)光， 結(jié)合來人探 測和手動(dòng)調(diào)光是最節(jié)能的控制方式，可節(jié)約照明能耗約 75%。 圖 21辦公室不同照明策略節(jié)能百分比 [37] 時(shí)間表控制（ schedule control） 描述：預(yù)先設(shè)置亮燈或滅燈的時(shí)間，更常見于路燈等公共區(qū)域的照明控制， +30% 25%50%60%75% 0 20 40 60 80 100 120 140 % 電 感 鎮(zhèn) 流 器 （ 固 定 輸 出 ） 高 頻 電 子 鎮(zhèn) 流 器 （ 固 定 輸 出 ） 調(diào) 光 式 高 頻 電 子 鎮(zhèn) 流 器 （ 手 動(dòng) 調(diào) 光 ） 調(diào) 光 式 高 頻 電 子 鎮(zhèn) 流 器 （ 來 人 探 測 + 手 動(dòng) 調(diào) 光 ） 調(diào) 光 式 高 頻 電 子 鎮(zhèn) 流 器 （ 日 光 控 制 調(diào) 光 ） 調(diào) 光 式 高 頻 電 子 鎮(zhèn) 流 器 （ 日 光 控 制 調(diào) 光 + 來 人 探 測 + 手 動(dòng) 調(diào) 光 ） 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 上海地區(qū)照明控制策略對(duì)建筑能耗的影響 8 辦公室照明也可以采用。 這種控制方式既簡單又有效，是很容易實(shí)現(xiàn)的一種基于節(jié)能考慮的控制方式。 但缺點(diǎn)是忽視了使用者主動(dòng)控制的需求，不夠靈活。在預(yù)設(shè)的亮燈時(shí)間之外，可 能無法滿足室內(nèi)人員 對(duì)照明的需求。不需要安裝傳感器，任何有定時(shí)功能的控制 裝置都可實(shí)現(xiàn)。 人員探測 /來人探測控制（ occupancy detection/ motion sensor） 描述：開燈信號(hào)為人員在室，關(guān)燈信號(hào)為人員離室。開燈或關(guān)燈動(dòng)作可同時(shí) 或選擇其一依據(jù)人員信號(hào)來控制。 無人時(shí)關(guān)燈的控制模式，可以有效防止人員離室卻忘記關(guān)燈情況下的電能浪 費(fèi)。常見于走廊等公共交通區(qū)域，也可應(yīng)用于辦公室照明。通常 “ 來人開燈 ” 為 即時(shí)性動(dòng)作，而 “ 無人關(guān)燈 ” 是延遲性動(dòng)作。原因是大部分實(shí)際傳感器都只能判 斷運(yùn)動(dòng)的人員這一 動(dòng)態(tài)信號(hào)，但人員靜坐這一信號(hào)難以檢測。所以，延遲關(guān)燈可 以減少光源的頻繁啟停，延遲光源壽命，提高使用者的舒適性。 由于必須加裝相應(yīng)的傳感器，所以初投資較高。且可能造成照明電路的頻繁 通斷，所以控制策略和系統(tǒng)設(shè)計(jì)需特別注意，如延遲時(shí)間的確定等。這一點(diǎn)是這 種控制方法的一個(gè)難點(diǎn)，可以利用時(shí)間序列的方法進(jìn)行預(yù)測 [38]。 日光相關(guān)控制 (daylight – linked control) 描述：可以為開關(guān)或調(diào)光控制，在日照充足時(shí)，關(guān)閉全部或部分光源，或者 調(diào)暗燈光；日照不足時(shí)，開啟部分或全部光源 ，或者調(diào)亮燈光。辦公室內(nèi)通常以 照度為恒控指標(biāo)。在對(duì)視覺環(huán)境要求高的場所，還有亮度控制，以人工光源的補(bǔ) 充來減小自然采光引起的過大的亮度差異。這種亮度控制在普通辦公室內(nèi)涉及較 少，本章節(jié)內(nèi)便不再贅述。 日光相關(guān)的控制方式旨在利用免費(fèi)的自然光，降低人工照明平均用電量（調(diào) 光控制）或運(yùn)行時(shí)長（開關(guān)控制）。在采光充足的建筑中尤其適用，節(jié)能潛力很 大。但由于必須配備相應(yīng)的照度傳感器和控制器，在調(diào)光控制時(shí)，還需要合適的 可調(diào)光鎮(zhèn)流器，投資較高，所以其經(jīng)濟(jì)性需在項(xiàng)目初期即加以考察。這就必須用 到光環(huán)境模擬或建筑能耗模 擬等相關(guān)軟件對(duì)其進(jìn)行預(yù)評(píng)估。當(dāng)然，這些額外工作 也會(huì)增加投資。 這種控制方式的節(jié)能效果的影響因素來自多方面，首先是建筑本體，包括遮 陽設(shè)施、采光性能等。由該方式的節(jié)能原理也可得知，凡是影響自然采光的因素， 第 2章 照明控制與能耗綜述 9 都同樣是影響它節(jié)能潛力的因素。所以在下一節(jié)將具體討論自然采光與照明節(jié)能 之間的關(guān)系。其次，對(duì)它的影響還來自控制設(shè)置本身。比如桌面設(shè)定的照度值不 同，選擇開關(guān)控制和調(diào)光控制帶來的節(jié)能量就非常不一樣。以香港某個(gè)安裝了照 度傳感器的教室為例，當(dāng)所需照度值較低時(shí)（該實(shí)驗(yàn)中低 于 150lux）采用開關(guān)控 制方式反而有更好的節(jié)能效果 [29]，如圖 22所示。由此可見，在某些情況下，可 以采用開關(guān)控制這種更經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能潛力最大化。 通過采用調(diào)光方式對(duì)日光進(jìn)行利用時(shí)，模擬結(jié)果表明，人工照明用電量可減 少 20%到 70%[39]。 圖 22 開關(guān)控制和調(diào)光控制方式下照明節(jié)能量 [29] 實(shí)際工程中，由于室內(nèi)安裝的控制用傳感器只能檢測到人工照明和自然采光 共同作用下的混合照度，所以很難實(shí)現(xiàn)照度充足時(shí)關(guān)閉照明的控制方法。這個(gè)問 題可以通過模糊算法 [40]以及自適應(yīng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) [41]的幫助來解決。 自然采光 對(duì)自然光的有效利用，在調(diào)光控制和日光傳感器發(fā)展日趨成熟的今天，不失 為一種值得推薦的照明節(jié)能設(shè)計(jì)方向。照明環(huán)境，尤其是白天，通常由自然采光 和人工照明共同形成。自然光通過各種透光介質(zhì)直接對(duì)室內(nèi)照度起作用，而人工 照明首先輸入建筑的是電能，然后才轉(zhuǎn)化為可見光，為室內(nèi)照明做出貢獻(xiàn)（見圖 23）。所以，自然采光的利用有以下優(yōu)點(diǎn)： 同濟(jì)大學(xué) 碩士學(xué)位論文 上海地區(qū)照明控制策略對(duì)建筑能耗的影響 10 圖 23電能和自然光到照明的轉(zhuǎn)化過程 [6] ? 可 以減少室內(nèi)人工照明得熱，降低室內(nèi)暖通空調(diào)系統(tǒng)的制冷負(fù)荷，進(jìn)而 減小制冷設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。對(duì)制冷負(fù)荷遠(yuǎn)大于加熱負(fù)荷的建筑十分有效。 ? 削減商業(yè)建筑白天，特別是午后的電力負(fù)荷高峰。 ? 增加使用者滿意度并提高工作效率 [42]。 ? 優(yōu)化不同照明控制策略的節(jié)能效果 [43]。如圖 24所示，不同控制方式下， 建筑總能耗隨天窗面積比的變化而變化，并存在一個(gè)峰值。當(dāng)實(shí)際建筑 的天窗面積符合峰值所示情況時(shí)，總能耗最低。