辦公建筑照明系統(tǒng)仿真分析與多場景節(jié)能優(yōu)化調(diào)控策略研究

孫 悅, 任洪波, 吳 瓊, 夏 麟

(1.上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090; 2.華建數(shù)創(chuàng)(上海)科技有限公司數(shù)據(jù)研究中心, 上海 200070)

能源是促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱,是保障人民生活質(zhì)量的基礎(chǔ)。節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境始終是我國的政策導(dǎo)向。如何有效推進(jìn)節(jié)能減排工作是國家政府和各行各業(yè)共同關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來,隨著社會進(jìn)步和人民生活質(zhì)量提升,公共建筑能源消耗量在不斷攀升[1],其能耗在全國建筑總能耗中的比重已達(dá)到39%,單位面積電耗一直保持增長趨勢[2]。照明用電作為公共建筑的主要用電分項(xiàng)之一。其耗電量在公共建筑總能耗中占據(jù)較大比重[3],具有很大的節(jié)能潛力。

照明系統(tǒng)能耗與控制方式息息相關(guān)。目前,國內(nèi)外關(guān)于照明節(jié)能控制的研究主要集中在兩個(gè)方向。

一是天然采光與人工照明的高效結(jié)合。通過引入室外自然光降低建筑的照明能耗,同時(shí)提高用戶的視覺舒適度[4]。因此,如何合理利用自然光,使其與室內(nèi)燈光結(jié)合,從而滿足室內(nèi)光照需求是許多研究人員的目標(biāo)。宗衛(wèi)周等人[5]構(gòu)建了公共場所中人造光與自然光結(jié)合的混合照明模型,并采用改進(jìn)蟻群算法求解,以找出能夠?qū)崿F(xiàn)照明舒適與節(jié)能兼顧的最優(yōu)燈具照度組合。YANG P等人[6]研究了應(yīng)用自然光和照明燈具的智能控制策略,以舒適度高和能耗最低為目標(biāo)函數(shù)建立模型,采用帶約束條件的粒子群優(yōu)化算法求解,搜索照明設(shè)備的最佳亮度組合,在滿足員工舒適度和個(gè)性化需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。楊思源[7]針對辦公類場景的照明特點(diǎn)提出了一種結(jié)合天然采光與燈具調(diào)光的智能照明控制策略,包含窗簾智能調(diào)節(jié)和照明設(shè)備調(diào)光補(bǔ)光兩個(gè)控制模型,可以根據(jù)室內(nèi)的天然采光和人員位置調(diào)節(jié)照明設(shè)備的光通量,在滿足照度要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)燈光的節(jié)能調(diào)控。

二是智能照明系統(tǒng)。智能照明系統(tǒng)借助計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)控制等技術(shù),采集室內(nèi)光環(huán)境參數(shù),分析用戶需求,通過對相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸和處理實(shí)現(xiàn)對照明系統(tǒng)的智能控制和便捷管理,在保證照明效果的基礎(chǔ)上減少人為控制的負(fù)擔(dān)和電能的消耗[8]。王偉[9]研究了一種分布式智能照明系統(tǒng),在采集目標(biāo)區(qū)域光照強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,結(jié)合用戶期望的光照強(qiáng)度,通過相應(yīng)的控制算法調(diào)節(jié)室內(nèi)人工光源的亮度,以滿足人們多樣化的照明需求。BYUN J等人[10]提出了一種基于用戶滿意度評價(jià)模型的節(jié)能照明控制系統(tǒng),該系統(tǒng)考慮了空間特性和居住者行為模式,通過調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)的控制參數(shù)來提高能源利用率和居住者滿意度。ZHENG Y P等人[11]以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心,基于網(wǎng)狀拓?fù)湓O(shè)計(jì)了一種辦公樓照明節(jié)能控制系統(tǒng),可以根據(jù)感應(yīng)到的辦公室人數(shù)、人員位置和照明亮度智能控制燈具開關(guān)或切換預(yù)設(shè)照明模式。陳寒梅等人[12]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的智能照明調(diào)節(jié)系統(tǒng),通過區(qū)塊化設(shè)計(jì)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法完成對室內(nèi)人員的快速定位,根據(jù)人員實(shí)時(shí)位置進(jìn)行跟蹤式照明與自適應(yīng)亮度調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)總體節(jié)能且局部照明舒適的目的。

基于上述研究,本文從研究天然采光對室內(nèi)照度的影響出發(fā),結(jié)合照明系統(tǒng)的智能控制手段,針對辦公建筑中辦公室和停車場兩類典型場景,提出了基于情景模式和天然采光的辦公場景照明優(yōu)化調(diào)控策略,以及采用定時(shí)與人體感應(yīng)相結(jié)合的停車場景照明優(yōu)化調(diào)控策略,并通過案例對比分析照明系統(tǒng)在該策略控制下的節(jié)能效果。

1 天然采光對室內(nèi)照度的影響

光環(huán)境作為建筑環(huán)境中重要的組成部分之一,是指自然光和人工光照射在建筑內(nèi)部空間而形成的環(huán)境[13]。隨著社會進(jìn)步以及建筑設(shè)計(jì)和建造技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展,辦公類建筑慢慢趨向高層化、大空間化,但是具備此類特點(diǎn)的建筑中心區(qū)域往往因?yàn)檫h(yuǎn)離門窗,導(dǎo)致天然采光不足,基本全靠燈具照明來滿足照度要求。

構(gòu)造優(yōu)質(zhì)舒適的光環(huán)境離不開自然光。經(jīng)國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn),在同等照度水平下,人在自然光環(huán)境下的視覺功效相比于在人工照明下要高5%～20%[14],也就是說,將天然采光引入室內(nèi)照明更有利于營造舒適健康的光環(huán)境,從而對人的心情和精神產(chǎn)生積極影響,有利于工作效率的提高。此外,自然光作為一種良好的綠色能源,可替代部分人工照明,降低照明能耗,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。為了驗(yàn)證上述天然采光所能實(shí)現(xiàn)的效果,本文通過構(gòu)建仿真模型,對比分析有無天然采光情況下室內(nèi)的照度分布,為辦公類建筑中照明系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)控提供思路。

1.1 仿真模型構(gòu)建

常用的光環(huán)境模擬軟件有 Ecotect,Radiance,Dialux,Daysim等,每款軟件都有各自不同的特點(diǎn)和優(yōu)勢,其中,Autodesk Ecotect Analysis 可以進(jìn)行天然采光的模擬以及聲環(huán)境和熱環(huán)境等模擬分析[15]?？紤]到本文目的是分析天然采光對室內(nèi)照明的影響,因此選用Ecotect軟件對室內(nèi)光環(huán)境中的照度分布進(jìn)行分析。仿真模型的構(gòu)建主要包括天空模型的選擇、房間模型的建立和光控方式的選擇3個(gè)部分。

(1)天空模型。在使用Ecotect軟件進(jìn)行采光分析時(shí),可選擇的天空模型有全陰天模型和均勻天空亮度分布模型。室外照度采用的是設(shè)計(jì)天空照度,由室外照度的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果得出,代表全年上午9∶00至下午17∶00內(nèi)85%以上時(shí)間的平均照度。Ecotect軟件為設(shè)計(jì)天空照度提供了2種計(jì)算方法:一種是根據(jù)Tregenza散射天空照度公式計(jì)算;另一種是基于實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行三次曲線擬合得出。相比之下后者更接近實(shí)際情況。

(2)房間模型。為模擬室內(nèi)光環(huán)境,建立一個(gè) 4 900 mm×3 000 mm×2 800 mm(長×寬×高)的房間模型,并在南墻面開設(shè)一扇窗戶,窗戶尺寸為2 000 mm×1 500 mm(長×寬),窗戶下沿距地面1 100 mm。窗戶和墻面材質(zhì)均按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行簡單賦予。在房間天花板上設(shè)置兩盞照明燈具,燈具光通量為1 500 lm。房間模型如圖1所示。

圖1 Ecotect軟件中的房間模型

(3)光控方式。在Ecotect軟件中,對光控照明的分析方式有開關(guān)式控制方式和調(diào)光式控制方式。開關(guān)式控制方式的可控制狀態(tài)只有開和關(guān)兩種,當(dāng)室內(nèi)照度低于設(shè)定值時(shí)開啟人工照明,室內(nèi)照度較高時(shí)則關(guān)閉,與人工控制照明的狀態(tài)很接近。調(diào)光式控制方式則是漸變式的,當(dāng)室內(nèi)照度低于設(shè)定值時(shí)可以對照明設(shè)備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié),使室內(nèi)照度能夠隨時(shí)滿足用戶要求。

1.2 仿真結(jié)果分析

基于上述房間模型,以2種不同的天空模型為變量條件,以750 mm 的水平面作為測量照度時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)高度值[16],對比分析該水平面在天然采光和綜合采光下的照度分布。

在僅有天然采光條件下，房間750 mm水平面(即“工作面”)的照度分布如圖2所示。

圖2 天然采光條件下的照度分布

由圖2可以看出,工作面照度在近窗側(cè)的一定距離內(nèi)變化較為明顯,隨著與窗戶距離的增加而逐漸降低,此后受自然光的影響較小,照度較為均勻。

陰天時(shí)最高照度約為1 630 lx,均勻天空條件下最高照度約為1 815 lx,此時(shí)室內(nèi)采光更好,采光范圍更大,均勻度更佳。

無窗情況下,僅有人工照明時(shí)的室內(nèi)照度分布如圖3所示。此時(shí)室內(nèi)照度最高僅有350 lx,最低為48 lx,與天然采光下的光環(huán)境照度差距較大,說明相比于人工照明,開設(shè)采光口引入自然光的照明效果更佳,對室內(nèi)光環(huán)境更加有益。

圖3 僅有人工照明條件下的照度分布

天然采光和人工光源綜合照明條件下，房間工作面的照度分布如圖4所示。

圖4 綜合照明條件下的照度分布

由圖4可以看出，在天然采光較好的情況下,引入更多的自然光能夠讓空間內(nèi)照度更加均勻,照明舒適性更好。

為了對比兩種光控方式的區(qū)別,在采光模擬時(shí)將最小照度設(shè)置為300 lx。兩種光控方式下的計(jì)算設(shè)置和結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩種光控照明方式下的計(jì)算設(shè)置和結(jié)果

分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),在使用開關(guān)式控制方式時(shí),89%左右的天然采光時(shí)間里可以完全采用自然光照明,不需要人工照明補(bǔ)充。采用調(diào)光式控制方式時(shí),有 95%左右的天然采光時(shí)間可以完全關(guān)閉人工照明燈具,僅使用自然光照明,說明調(diào)光式控制方式的光控照明能夠更好地利用天然采光的優(yōu)勢,在滿足室內(nèi)照度的前提下節(jié)省照明能耗。

2 照明系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控策略分析

本文以公共建筑中辦公室和停車場兩類典型場景為例,通過分析特定場景的環(huán)境特點(diǎn)和用戶需求,分別提出照明系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控策略。

2.1 辦公場景照明優(yōu)化調(diào)控策略分析

國內(nèi)外照明相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中提到,辦公場景中的照明要營造安全舒適的視覺環(huán)境,以確保工作人員準(zhǔn)確高效地完成視覺任務(wù),而不造成過度疲勞和不適[17]。在滿足這一要求的基礎(chǔ)上,為盡可能實(shí)現(xiàn)節(jié)能,本文所提出的辦公場景照明優(yōu)化調(diào)控策略包含以下兩個(gè)方面。

(1)基于典型情景的照明模式設(shè)定 基于工作人員的活動(dòng)時(shí)間對辦公場景進(jìn)行劃分,一般包含上班、午休、下班和加班4種情景。根據(jù)這4種情境下室內(nèi)工作人員對照明的要求,將照明模式進(jìn)行相對應(yīng)的設(shè)定,具體如表1所示。其中，預(yù)設(shè)照度值可根據(jù)辦公場景的不同區(qū)域要求分別設(shè)定。

表1 照明模式設(shè)定

(2)基于天然采光的照明自動(dòng)調(diào)節(jié) 根據(jù)上文分析可知,充分利用天然采光能夠提高室內(nèi)光環(huán)境的舒適性,有效減少人工光源的使用,從而達(dá)到節(jié)能的目的。辦公場景通常具備一定的采光條件,但射入室內(nèi)的自然光會隨著氣候、天氣、時(shí)間等因素發(fā)生變化,具有不穩(wěn)定性,因此需借助照度傳感器等設(shè)備實(shí)時(shí)檢測辦公場景內(nèi)的工作面照度,基于采集的照度數(shù)據(jù)判斷該區(qū)域是否需要調(diào)節(jié)人工照明設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)光,以及需要補(bǔ)光多少,從而實(shí)現(xiàn)各區(qū)域照明設(shè)備的自動(dòng)調(diào)光控制,始終保持各區(qū)域照度在預(yù)設(shè)照度值附近。

2.2 停車場景照明優(yōu)化調(diào)控策略分析

辦公建筑停車場大多位于地下,無法利用自然光,因此針對地下停車場的照明優(yōu)化調(diào)控主要采用定時(shí)與人體感應(yīng)相結(jié)合的方式?？紤]到工作日與休息日停車場內(nèi)人流量的差別,將其調(diào)控策略分開設(shè)置,使停車場內(nèi)的燈光既能按照人為規(guī)定的時(shí)間自動(dòng)開啟或關(guān)閉,也可以根據(jù)人體移動(dòng)感應(yīng)控制的方式做到有人/車通行時(shí)漸亮開燈、無人/車時(shí)延時(shí)調(diào)暗燈光至關(guān)燈。具體策略如表2所示。

表2 停車場景照明優(yōu)化調(diào)控策略

2.3 硬件設(shè)備需求

為實(shí)現(xiàn)上述辦公場景和停車場景的照明優(yōu)化調(diào)控策略,需在建筑的原照明系統(tǒng)中加裝如下設(shè)備。

(1)照明控制器 串聯(lián)在電源與燈具或設(shè)備之間,既可以支持燈具的調(diào)光控制,也可以對一個(gè)照明回路進(jìn)行開關(guān)控制。該照明控制器可采用藍(lán)牙BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù),支持與各種控制設(shè)備(如傳感器和交換器)進(jìn)行無線集成。

(2)照度傳感器 能精確感知周圍環(huán)境亮度,并通過藍(lán)牙Mesh模塊與整個(gè)照明系統(tǒng)互動(dòng),以實(shí)現(xiàn)對燈光的智能調(diào)控,在盡可能降低照明系統(tǒng)能耗的同時(shí),保證用戶的照明舒適性。

(3)人體紅外傳感器 集成了藍(lán)牙BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)模塊,可以與照明燈具組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)控。

(4)物聯(lián)網(wǎng)關(guān) 基于藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的信息推送和數(shù)據(jù)信息交互,通過與照明控制器、人體和照度傳感器等設(shè)備組成藍(lán)牙BLE Mesh網(wǎng)絡(luò),以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能聯(lián)動(dòng)。它是整個(gè)照明優(yōu)化控制系統(tǒng)的核心設(shè)備。

在加裝上述照明系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的基礎(chǔ)上,構(gòu)建照明控制系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖6所示。

圖6 照明控制系統(tǒng)體系架構(gòu)

由圖6可以看出，系統(tǒng)可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、終端層4個(gè)部分。感知層包括各類傳感器和控制器,主要負(fù)責(zé)照明參數(shù)和用戶位置等相關(guān)數(shù)據(jù)的采集以及照明控制命令的執(zhí)行;網(wǎng)絡(luò)層是指由網(wǎng)關(guān)等通信設(shè)備組成的無線傳輸端,該層上下分別與云平臺和感知層連接,完成數(shù)據(jù)的傳輸;平臺層主要對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,包括信息的存儲、比較等功能;終端層主要面向用戶,用戶可以使用手機(jī)、平板或電腦等設(shè)備登錄終端服務(wù)器平臺,對各區(qū)域的照明設(shè)備進(jìn)行在線查看或?qū)崟r(shí)控制。

3 優(yōu)化調(diào)控策略節(jié)能效果分析

為驗(yàn)證上述策略的有效性,以上海市某公共建筑為例,針對地下停車場和部分辦公區(qū)域,通過加裝前文中提到的硬件設(shè)備,對兩個(gè)區(qū)域的照明控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。圖7為照明控制系統(tǒng)的圖形化界面,可以實(shí)時(shí)查看環(huán)境照度、設(shè)備能耗等數(shù)據(jù),并隨時(shí)控制照明燈具的運(yùn)行狀態(tài)。

圖7 照明控制系統(tǒng)的圖形化界面

優(yōu)化改造后,兩個(gè)典型區(qū)域照明系統(tǒng)在某工作日的逐時(shí)能耗如圖8所示。辦公區(qū)域照明能耗自早晨7∶00左右開始升高,在8∶00到達(dá)峰值,與工作人員的上班時(shí)間保持一致。上午該區(qū)域的照明能耗基本穩(wěn)定,11∶30至13∶00為午休時(shí)段,在該時(shí)段照明系統(tǒng)切換至午休模式,能耗降低。下午該區(qū)域照明能耗出現(xiàn)明顯波動(dòng),主要是受到室外自然光的影響。下午18∶00照明系統(tǒng)切換下班模式,能耗開始降低,至20∶00所有加班人員離開,照明燈光關(guān)閉,能耗基本為零。地下停車場照明控制系統(tǒng)以感應(yīng)控制為主,因此其能耗主要與人流量和車流量有關(guān)。能耗高峰一般出現(xiàn)在早晨8∶00左右的上班時(shí)刻、中午11∶00左右的午休時(shí)刻以及下午17∶00左右的下班時(shí)刻;夜間21∶00以后停車場基本無人和車輛,能耗基本為零。

圖8 典型區(qū)域照明系統(tǒng)逐時(shí)能耗

兩個(gè)區(qū)域的照明系統(tǒng)在原控制策略下某工作日的總能耗為41.89 kWh,在優(yōu)化控制策略下總能耗為25.97 kWh。其中,由于未改造前目標(biāo)建筑沒有對照明系統(tǒng)的能耗進(jìn)行監(jiān)測,因此原控制策略下的能耗是基于燈具數(shù)量、單個(gè)燈具的能耗以及運(yùn)行時(shí)間計(jì)算得出。與原控制策略相比,兩個(gè)區(qū)域的照明系統(tǒng)采用優(yōu)化控制策略可節(jié)省38%的日運(yùn)行能耗,且能有效避免夜間無人時(shí)燈具長時(shí)間開啟的情況。

4 結(jié) 論

本文對辦公建筑的照明系統(tǒng)提出了節(jié)能優(yōu)化調(diào)控策略。借助Ecotect軟件建立了室內(nèi)光環(huán)境仿真模型,分析了天然采光對室內(nèi)照度的影響。針對目標(biāo)建筑中辦公場景和停車場景的不同特點(diǎn)分別提出有針對性的照明優(yōu)化調(diào)控策略。以上海某辦公建筑停車場和部分辦公區(qū)域作為案例,分析了照明優(yōu)化調(diào)控策略的節(jié)能效果。通過上述分析得出如下結(jié)論。

(1)基于對比模擬得到的室內(nèi)光環(huán)境照度分布發(fā)現(xiàn)，引入自然光能夠使室內(nèi)照度更均勻,有助于提高室內(nèi)光環(huán)境的舒適性,同時(shí)有效減少人工照明的使用,起到節(jié)能效果。

(2)典型案例分析表明,與原控制策略相比,針對辦公場景采用基于情景模式設(shè)定和天然采光利用的照明優(yōu)化調(diào)控策略,針對停車場景采用定時(shí)和人體感應(yīng)相結(jié)合的照明優(yōu)化調(diào)控策略,可節(jié)省38%的照明系統(tǒng)日運(yùn)行能耗。