室內(nèi)工作光環(huán)境控制與節(jié)能研究

蔡漢源

摘要:文章從建筑本身的光環(huán)境著手,依據(jù)智能控制和節(jié)能環(huán)保的原則,提出了自然采光和人工照明相結(jié)合的光環(huán)境節(jié)能優(yōu)化控制的方法。

關(guān)鍵詞:智能建筑;光環(huán)境;節(jié)能

中圖分類號:TU113文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)22-0132-02

舒適環(huán)保、高效節(jié)能一直是照明科技發(fā)展的主線,世界各國研究人員從不同角度做了深入細致的研究。大量的研究結(jié)論表明,良好的室內(nèi)光環(huán)境對人的工作效率和心理狀態(tài)都會產(chǎn)生積極的影響。如何將智能控制和節(jié)能環(huán)保合理得結(jié)合在一起,文章針對如何搭配自然光環(huán)境和人工光環(huán)境,從而創(chuàng)造一個節(jié)能舒適的室內(nèi)工作場所光環(huán)境,提出了一種新型的光環(huán)境節(jié)能優(yōu)化控制的方法,對這方面進行了論述。

1 概述

{1}研究背景。智能建筑光環(huán)境可分為自然光環(huán)境和人工光環(huán)境,前者通過建筑空間、形體上開口,將自然光引入建筑物內(nèi)部所形成,后者由建筑物內(nèi)部經(jīng)照明設(shè)計所形成[1]。

辦公環(huán)境內(nèi)人體的舒適度很大程度上取決于室內(nèi)工作光環(huán)境,就照度水平來說,人眼存在著一個最佳亮度,視野中如果存在不適宜的亮度分布,或在空間或時間上存在極端的亮度比較,會導致視覺不舒適和降低物體可見度的視覺條件,這就是我們通常說的眩光。反之,如果長期在照度不足的光環(huán)境下工作,不僅會降低工作效率,還會損傷視力。

{2}問題的提出。室內(nèi)辦公照明主要是滿足辦公需要,往往會出現(xiàn)各式各樣的問題,比如配光不合理、光源與燈具使用不當、光環(huán)境氣氛欠佳等等。而室內(nèi)照明浪費主要表現(xiàn)在“長明燈”問題?！伴L明燈”可以分為兩種情況:一是晚上的“長明燈”,主要表現(xiàn)為晚上忘記關(guān)燈;二是白天的“長明燈”,主要表現(xiàn)在上班時,自然光照不足,需要人工照明進行補光,但隨著室外自然光線的加強,在能滿足辦公需要的時候,人們往往忽視及時關(guān)燈,造成白天的“長明燈”現(xiàn)象。

針對第一種現(xiàn)象,我們可以通過智能控制系統(tǒng)的定時模塊對整體的照明設(shè)備進行總控,在固定的時間段內(nèi)切斷所有辦公區(qū)域的照明,從而杜絕夜晚“長明燈”的現(xiàn)象。針對第二種現(xiàn)象,如何通過智能控制,測定室外光照強度,調(diào)節(jié)百葉窗角度和人工照明補光控制,合理得分配自然光與人工光照的比例,創(chuàng)造一個舒適的室內(nèi)工作的光環(huán)境,同時又最大限度得減少照明耗能,針對這一問題文章將做細致的闡述。

2 室內(nèi)工作光環(huán)境控制

2.1簡介

建筑內(nèi)部自然光水平取決于建筑外部天空亮度,單純從照明的能量消耗角度來考慮,最大化得利用自然光照是最節(jié)能的方式。在早晚陽光屬于散射的條件下,可以使用這種方式。但是,當陽光屬于直射條件下,就要考慮的眩光的問題,避免在視野中某—局部地方出現(xiàn)過高的亮度而造成視覺疲勞。

同時,長時間的低照度也會對人的視覺造成傷害,在陰天光照不足的自然光環(huán)境下,充分利用自然光仍不能達到室內(nèi)光照度要求時,就需要對室內(nèi)光環(huán)境進行人工補光,主要是通過人工照明,那么應如何合理得搭配自然光和人工補光的比例呢?

2.2光環(huán)境控制

2.2.1硬件

自然光照的強度取決于諸多因素,例如建筑物所在的緯度、季節(jié)導致的太陽方位角變化以及建筑墻面對自然光線的反射指數(shù)等等。對室內(nèi)光環(huán)境的控制基于自然光照強度,針對這種需求,應該在建筑物南北兩側(cè),即向陽和背陰面設(shè)置照度傳感器,根據(jù)照度測量值來控制百葉窗的角度調(diào)節(jié)。

人工補光的重要性集中體現(xiàn)在自然光照不能滿足光環(huán)境需求,或者為避免眩光需要對室內(nèi)光照需要進行補光時。從智能控制和減少能耗的角度出發(fā),燈具的設(shè)計應與側(cè)窗平行,人工光照的硬件設(shè)計主要應注意燈具選擇。照明的能耗主要集中在光源上,照明系統(tǒng)的光源選擇目標在于選擇高效節(jié)能的光源,即每瓦輸出的光通量高的光源,除此之外還要綜合考慮光源顯色指數(shù),平均壽命等因素。結(jié)合室內(nèi)工作光環(huán)境的具體需求,可以看出對于辦公室、教室和會議室等工作場所,適宜采用緊湊型熒光燈。同時作為電光源的“生力軍”,LED燈也因其發(fā)光效率、能耗等優(yōu)點逐漸受到建筑照明業(yè)者的推崇。

另外室內(nèi)照明開關(guān)所控制的光源數(shù)不宜過多,應充分考慮節(jié)能需要和管理的靈活性。

2.2.2控制方式

當太陽光處于直射條件下,照度傳感器的主要目標在于通過照度測量值,計算出百葉窗在保證避免眩光以及能耗最低的前提下允許的百葉窗的最大開度;在光照度為弱和早晚光照屬于漫反射時,即不存在眩光情況下,直接將百葉窗角度全開,以滿足室內(nèi)光環(huán)境需要。在自然光照度處于上限與下限之間是,根據(jù)測定的光照度,調(diào)整百葉窗角度,同時配合人工補光。以冬至日正午上海地區(qū)(北緯31.4°)為例,冬至日太陽直射南緯23°26′,換算成度數(shù)為北緯23.43°,此時正午太陽高度角:90°-(23.43°+ 31.4°)=35.17°。

對于自然采光時百葉窗的偏轉(zhuǎn)角度的問題,近年來許多學者提出了許多不同的計算方法。其中有通過模糊控制器來計算百葉窗最大角度,即輸入照度傳感器測定的自然光照度、太陽高度角以及太陽方位角,使用模糊控制器計算輸出百葉窗的最佳角度[2]。

對于人工補光,人工光源在滿足室內(nèi)辦公環(huán)境的同時,應該充分考慮節(jié)能環(huán)保的可能性,搭配紅外移動感應器使用,當感應器檢測到無人時,應關(guān)閉人工光源或者調(diào)節(jié)燈具的亮度低于某一初始值,使室內(nèi)能耗降到最低。

由于自然光照在室內(nèi)工作環(huán)境內(nèi)分布不均,即在近窗處照度往往比室內(nèi)較深處的強度要大。因此,出于減少能耗的考慮,將燈具設(shè)置為調(diào)光模式,燈具智能控制應按照與側(cè)窗平行,工程上表現(xiàn)為在ETS中為每個平行的燈具組設(shè)置一個編碼地址,即調(diào)節(jié)近窗處燈具的亮度相對較小,依次遞增,充分利用自然光又減少能耗。

與此同時,除了能夠根據(jù)百葉窗翻轉(zhuǎn)的角度進行補光外,室內(nèi)工作場所內(nèi)的人工光源,應該能夠同時通過智能控制系統(tǒng)設(shè)置場景,滿足各種模式下的照明需要。比如一間會議室,應該根據(jù)不要的場景要求,如迎賓、會議、演講、討論和會場清理等等模式,并且對人工光源進行不同的亮度設(shè)置。

2.2.3人工智能在室內(nèi)光環(huán)境控制中的應用

到目前為止,我們所討論的控制理念還只局限于自動化,而非智能化。也就是說,我們預先有這樣的一個知識庫,在某個自然光照強度下,對應了特定的百葉窗偏轉(zhuǎn)角度和人工補光的照度,但是這樣的一個知識庫的初始化往往是因時因地而異,而且工程量浩大。在工程上表現(xiàn)為,對于每個回路和燈具的狀態(tài)編程的工作量是非常大的,而且考慮到緯度和地理的因素,對于不同地區(qū)建筑的可移植性也是很差的。

智能建筑的控制理念在于,我們希望通過,當當前問題的解不符合需要,人工修正得到一個新的解的時候,系統(tǒng)能夠修正當前知識庫,進行一個學習的過程。通過這樣的方式,我們只需要對室內(nèi)光環(huán)境,包括百葉窗和人工光源在內(nèi)的各個控制單元進行一次狀態(tài)編制,把它作為求解問題的起點,通過不斷地適應性修正,并更新知識庫,得到問題的最優(yōu)解。

3結(jié)語

節(jié)能降耗是一項系統(tǒng)工程,建筑照明節(jié)能更是其中的一個重要環(huán)節(jié)。文章提出的室內(nèi)光環(huán)境節(jié)能優(yōu)化控制方案,改變了傳統(tǒng)照明控制系統(tǒng)中獨立的,本地的,局部的特點,協(xié)調(diào)了自然光照和人工光照,有效控制了照明系統(tǒng)的能耗,達到真正節(jié)能的目的。

建筑節(jié)能就是要在保證和提高建筑舒適度的條件下,合理使用能源,不斷提高能源利用效率。我國大型的公共建筑單位能耗大約是普通居民建筑的10倍左右,而大型公共建筑主要是智能建筑,因此智能建筑的節(jié)能潛力非常巨大。

參考文獻

[1]Randall McMullan.張振南,李溯譯.建筑環(huán)境學[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[2]吳洲.室內(nèi)光環(huán)境節(jié)能優(yōu)化控制研究[J].建筑節(jié)能,2009,(2).