超低能耗辦公建筑開(kāi)放辦公室照明設(shè)計(jì)研究

趙瑞軒，劉 潔

(1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2.中國(guó)科學(xué)院軟件研究所，北京 100190；3.北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100045)

引言

響應(yīng)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，綠色建筑早已從示范性應(yīng)用變?yōu)閺?qiáng)制性條款，不斷降低建筑能耗、提升建筑能效、推動(dòng)建筑邁向超低能耗、近零能耗和零能耗是建筑節(jié)能領(lǐng)域的中長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)。

控制能耗并不等于犧牲舒適度，根據(jù)《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》,“要堅(jiān)持以人為本，滿足人民群眾對(duì)建筑舒適性、健康性不斷提高的要求，使廣大人民群眾切實(shí)體驗(yàn)到發(fā)展成果”。依靠智能化手段，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，落地系統(tǒng)按需提供，實(shí)現(xiàn)在同一空間內(nèi)滿足超低能耗辦公建筑+健康建筑[1]。

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，辦公建筑的照明能耗約占總建筑能耗的10%～30%，以開(kāi)放辦公室為主的新建寫(xiě)字樓能耗高于傳統(tǒng)小開(kāi)間辦公室，不同辦公建筑的照明能耗水平可以達(dá)到8倍以上[2]。隨著辦公方式的改變，開(kāi)放辦公室在辦公樓的占比逐年提高，因此開(kāi)敞辦公的照明節(jié)能對(duì)辦公建筑的節(jié)能減排尤為重要[3]。

1 建筑特點(diǎn)及需求分析

1.1 超低能耗辦公建筑特點(diǎn)

超低能耗辦公建筑關(guān)注在除建筑辦公設(shè)備(如辦公用計(jì)算機(jī)、投影機(jī)等)以外的能源消耗，此類建筑的供暖、空調(diào)和照明一次能源消耗量與滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189—2015)的參照建筑相比，相對(duì)節(jié)能率應(yīng)達(dá)到50%以上。

1.2 超低能耗辦公建筑對(duì)照明的需求分析

現(xiàn)有建筑技術(shù)手段對(duì)供暖、空調(diào)和照明無(wú)法達(dá)到相同的節(jié)能率。即使配置高性能圍護(hù)結(jié)構(gòu)，避免建筑熱橋，空調(diào)能耗的削減也有限。因此，對(duì)夏季需空調(diào)系統(tǒng)制冷的地區(qū)，超低能耗辦公建筑對(duì)照明能耗的節(jié)能率應(yīng)達(dá)到70%以上，需最大化地利用自然采光。

1.3 健康建筑的特點(diǎn)

健康建筑指在滿足建筑功能的基礎(chǔ)上，為建筑使用者提供更加健康的環(huán)境、設(shè)施和服務(wù)，促進(jìn)建筑使用者身心健康、實(shí)現(xiàn)健康性能提升的建筑。國(guó)內(nèi)外針對(duì)健康建筑均已頒布各類相關(guān)的評(píng)價(jià)方法，無(wú)外乎都從以下幾個(gè)維度出發(fā)：建筑空間、建筑材料、建筑設(shè)備、企業(yè)管理、周邊環(huán)境；其中建筑設(shè)備相關(guān)的內(nèi)容有：空氣、水、光、熱舒適、聲環(huán)境等等。

1.4 健康建筑對(duì)照明的需求分析

健康的光環(huán)境是從滿足使用人視覺(jué)功能需求、非視覺(jué)需求兩方面考慮。滿足視覺(jué)需求考慮視覺(jué)功能、視覺(jué)舒適、視覺(jué)疲勞的影響；滿足非視覺(jué)功能考慮人體晝夜節(jié)律、警覺(jué)性、認(rèn)知行為等影響[4]。

1.5 超低能耗建筑與健康建筑的結(jié)合點(diǎn)

超低能耗建筑重在“結(jié)果”，從水電氣熱計(jì)量?jī)x表中體現(xiàn)節(jié)能。健康建筑著眼點(diǎn)在“舒適”，從人工光源質(zhì)量、充足且適度的照度、使用者個(gè)性化需求、晝夜節(jié)律照明控制等層面滿足健康需求。在硬件品質(zhì)靠攏健康建筑；硬件能耗指標(biāo)執(zhí)行超低能耗建筑；在照明運(yùn)行過(guò)程中，采用按需提供、精準(zhǔn)控制的策略，實(shí)現(xiàn)超低能耗建筑與健康建筑的結(jié)合。

2 技術(shù)路線

實(shí)現(xiàn)超低能耗建筑首要是控制照明系統(tǒng)的能耗。影響照明系統(tǒng)能耗的因素很多(圖1)，建筑的窗墻比、室外氣象參數(shù)、窗簾狀態(tài)、人員行為、照明功率、燈具布置形式、燈具控制方式等。常規(guī)技術(shù)路線采用軟件仿真，配合離散性傳感器實(shí)測(cè)、階段性能耗對(duì)比，定量揭示各種因素對(duì)能耗的影響，無(wú)法有效地實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)因素、設(shè)備的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。相應(yīng)，也無(wú)法對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)管，無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制。

圖1 影響照明能耗因素Fig.1 Factors affecting lighting energy consumption

由于影響照明系統(tǒng)能耗的數(shù)據(jù)通常封閉在不同的系統(tǒng)內(nèi)、不同的系統(tǒng)由獨(dú)立供貨商提供，導(dǎo)致各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無(wú)法共享。針對(duì)目前工程中的弊端，筆者搭建了智能化集成平臺(tái)，以數(shù)據(jù)中臺(tái)的模式，對(duì)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；以數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng)，控制燈具運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)超低能耗辦公建筑的運(yùn)行目標(biāo)[5]。

3 應(yīng)用實(shí)踐

3.1 項(xiàng)目概述

項(xiàng)目位于北京市西城區(qū)，作為辦公建筑，地下1層，地上12層，總建筑面積8651.9 m2，其中地上建筑面積7 690 m2。項(xiàng)目建成于1985年，于2000年進(jìn)行過(guò)一次改造。

3.2 改造目標(biāo)

此次改造的目標(biāo)是綠色環(huán)保、以人為本、智慧高效；改造標(biāo)準(zhǔn)是既有建筑綠色三星級(jí)、健康建筑三星級(jí)、LEED鉑金級(jí)、WELL鉑金級(jí)、超低能耗辦公建筑(現(xiàn)已獲得既有建筑綠色三星、LEED鉑金、超低能耗辦公建筑認(rèn)證；被中國(guó)電力技術(shù)市場(chǎng)協(xié)會(huì)綜合智慧能源專業(yè)委員會(huì)評(píng)定為“綜合智慧能源優(yōu)秀示范項(xiàng)目案例”)。

3.3 仿真模擬

采用Ecotect軟件，充分分析建筑日照的相關(guān)效果，確定建筑遮陽(yáng)和照明的相關(guān)控制策略，優(yōu)化建筑節(jié)能措施利用效果。部分仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 夏至日(6月22日)10時(shí)日照陰影情況Fig.2 Sunshine shadow condition at 10 o’clock on summer solstice (June 22)

南向、東向、西向日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng)，需采取遮陽(yáng)措施。由于開(kāi)放辦公空間，為建筑的南向和東向，因此這兩個(gè)方向設(shè)置電動(dòng)外遮陽(yáng)，西向采用固定外遮陽(yáng)及手動(dòng)內(nèi)遮陽(yáng)。

3.4 照明系統(tǒng)方案

(1)系統(tǒng)概述。

照明系統(tǒng)的節(jié)能通常從光源選擇、燈具布置、照明控制三個(gè)方面考慮。照明系統(tǒng)光源均采用LED光源。辦公區(qū)照明燈具完全結(jié)合辦公工位布置。照明系統(tǒng)控制方案充分考慮了能耗控制、以人為本、成本控制。在人員使用頻率較少的機(jī)房區(qū)設(shè)置就地開(kāi)關(guān)；衛(wèi)生間設(shè)置自帶延時(shí)開(kāi)關(guān)燈具；人員使用頻率高、有場(chǎng)景變化需求的辦公空間、會(huì)議室、走廊采用智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行集中控制管理；就地設(shè)置智能面板滿足使用人的個(gè)性化需求。

(2)燈具設(shè)計(jì)及布局。

開(kāi)敞辦公燈具吊裝于辦公桌正上方，每個(gè)工位對(duì)應(yīng)一套燈具，燈具角度垂直于外窗布置，布局如圖3所示。開(kāi)敞辦公區(qū)人員長(zhǎng)期使用電腦辦公，電腦屏幕本身為發(fā)光體，對(duì)照度要求不高，因此將照明標(biāo)準(zhǔn)定為300 lx。使用電腦時(shí)，人眼的視線為斜向上，對(duì)眩光控制要求高。為滿足上述要求，在開(kāi)敞辦公區(qū)域，創(chuàng)新性地采用雙向LED可調(diào)光照明一體化燈具，每套燈具內(nèi)設(shè)置2個(gè)DALI控制器；利用DALI控制器的特性每套燈具向上、向下出光可獨(dú)立調(diào)光控制，燈具構(gòu)造如圖4所示。

充分考慮環(huán)境照明配合工位照明的應(yīng)用場(chǎng)景。向上照明的光源作為主光源，主要用于點(diǎn)亮整個(gè)辦公環(huán)境。單獨(dú)打開(kāi)時(shí)，滿足桌面照度300 lx，符合環(huán)境照明需求。上照燈LED光源配合透明扣板，最大化利用LED光源高發(fā)光效率；無(wú)遮擋的上照燈光線照射至辦公室天花，經(jīng)二次反射后，照亮桌面，規(guī)避LED高眩光的缺點(diǎn)。向下照明的光源作為輔助光源，用于滿足使用人的個(gè)性化照明，當(dāng)使單獨(dú)開(kāi)啟時(shí)，滿足桌面照度200 lx。燈具硬件配置方案見(jiàn)表1、照度計(jì)算見(jiàn)表2。

由于充分采用LED光源，因此實(shí)際安裝燈具功率密度值遠(yuǎn)低于國(guó)家相關(guān)規(guī)范。

(3)燈具控制方案。

在能耗管理上，辦公區(qū)的燈具控制采取“人員在位+桌面照度”兩個(gè)控制條件，對(duì)燈光進(jìn)行實(shí)時(shí)控制(表3)。即當(dāng)“使用人在工位辦公”且“桌面照度低于300 lx”時(shí)，開(kāi)啟上照燈。上照燈開(kāi)啟后，不會(huì)采用全開(kāi)模式，而是采用從外窗向內(nèi)側(cè)逐級(jí)遞減的模式，充分利用室外自然光，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恒照度控制。如使用人認(rèn)為環(huán)境照明不符合要求，則可手動(dòng)調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)自己工位的下照明，調(diào)節(jié)局部照明，滿足使用人的個(gè)性化需求。當(dāng)每組工位兩側(cè)人員感應(yīng)器探測(cè)到區(qū)域無(wú)人時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉本組工位對(duì)應(yīng)的燈光。

圖3 開(kāi)敞辦公燈具布局圖Fig.3 Open office lamp layout

圖4 開(kāi)敞辦公燈具構(gòu)造圖Fig.4 Open office lamp structure drawing

3.5 電動(dòng)遮陽(yáng)系統(tǒng)

為在控制眩光的同時(shí)，降低外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)系數(shù)，項(xiàng)目采用電動(dòng)外遮陽(yáng)系統(tǒng)。 在屋頂設(shè)置室外光照強(qiáng)度探測(cè)器，系統(tǒng)根據(jù)室外光照強(qiáng)度，對(duì)每一套電動(dòng)遮陽(yáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度>240 kcal/(m2·h)、陽(yáng)光照射室內(nèi)深度>0.5 m時(shí)，自動(dòng)下降電動(dòng)遮陽(yáng)。電動(dòng)遮陽(yáng)采用百葉形式，當(dāng)遮陽(yáng)下降時(shí)，百葉角度垂直于太陽(yáng)光線直射角度，避免太陽(yáng)眩光干擾。

表1 燈具硬件配置方案

3.6 智慧建筑操作系統(tǒng)

按上述控制模式運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不能完全達(dá)到預(yù)期效果，主要問(wèn)題如下：

表2 照度計(jì)算表

表3 燈具控制方案

1)控制精度不足：同一個(gè)探測(cè)器需要控制兩組燈具，即每組燈光只有當(dāng)兩側(cè)的探測(cè)器均探測(cè)器到人員不在工位時(shí)，方可關(guān)燈。但智能照明控制系統(tǒng)無(wú)法支持多項(xiàng)“與”邏輯編譯。

2)實(shí)測(cè)照度不準(zhǔn)：不同的探測(cè)器對(duì)應(yīng)的開(kāi)窗面積、開(kāi)窗方向不同，因此探測(cè)精度偏移較大，智能照明控制系統(tǒng)無(wú)法對(duì)探測(cè)數(shù)值進(jìn)行修正。

3)部分業(yè)主入住后，提高了照度標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的智能照明控制系統(tǒng)對(duì)業(yè)主的修改需要專業(yè)工程師進(jìn)行重新調(diào)試。

4)項(xiàng)目旁邊有其他樓宇，在某些太陽(yáng)高度角時(shí)，部分外窗會(huì)在陰影下，但常規(guī)投資系統(tǒng)不支持模型導(dǎo)入及計(jì)算。

5)智能照明控制系統(tǒng)、電動(dòng)遮陽(yáng)系統(tǒng)、屋頂氣象站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)僅支持單一數(shù)據(jù)的展示，無(wú)法實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的匯聚、分析、可視化。

為解決上述問(wèn)題，項(xiàng)目采用智慧建筑操作系統(tǒng)，系統(tǒng)打破了各個(gè)系統(tǒng)的信息孤島，基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，連接建筑內(nèi)的系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)施，搭建一個(gè)開(kāi)放共享的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集、互聯(lián)，提供能源管理，安全管理、可視應(yīng)用等功能。系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)邏輯控制，集成多維度的數(shù)據(jù)及場(chǎng)景，采用自動(dòng)運(yùn)行的模式，最大化地降低運(yùn)維的人為操作。通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與原設(shè)計(jì)模擬進(jìn)行對(duì)標(biāo)，保障建筑的運(yùn)維工況與設(shè)計(jì)分析保持一致。

3.7 運(yùn)行效果

搭建智慧建筑操作系統(tǒng)后，連通智能照明控制系統(tǒng)、電動(dòng)遮陽(yáng)控制系統(tǒng)、屋頂氣象站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)，結(jié)合建筑BIM模型，加入實(shí)時(shí)太陽(yáng)高度角及周邊建筑的BIM模型，根據(jù)室外氣候、人員行為、工作模式，自動(dòng)控制建筑外維護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(電動(dòng)遮陽(yáng)系統(tǒng))、照明系統(tǒng)。將各個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，并將分析結(jié)果用于修正控制邏輯，在充分滿足使用人需求的前提下，最大程度地節(jié)約系統(tǒng)整體能耗(圖5)。

圖5 燈具與傳感器布局及控制方式Fig.5 Lighting and sensor layout and control mode

根據(jù)人員行為、自然光條件，精準(zhǔn)控制燈具運(yùn)行方式：僅當(dāng)辦公工位旁有人員活動(dòng)、實(shí)時(shí)照度不滿足設(shè)定照度時(shí)，工位上照燈自動(dòng)開(kāi)啟；當(dāng)辦公工位兩側(cè)的人員均離開(kāi)時(shí)，工位上照燈及下照燈自動(dòng)關(guān)閉。

圖6中每組上照燈的外側(cè)、中部、內(nèi)側(cè)實(shí)時(shí)光通量由三種不同顏色表示；背景兩種顏色分別表示燈具兩側(cè)是否有人員活動(dòng)。當(dāng)兩側(cè)均沒(méi)有人員活動(dòng)時(shí)，背景顏色變?yōu)榘咨?。由圖6可知，辦公工位兩側(cè)人員離開(kāi)時(shí)，燈具將立刻自動(dòng)關(guān)閉。

圖7中體現(xiàn)的是燈具兩側(cè)的實(shí)時(shí)照度數(shù)值，曲線兩種顏色，分別為兩個(gè)獨(dú)立光照探測(cè)器的實(shí)時(shí)照度值。同時(shí)對(duì)比圖6和圖7中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)自然光照度超過(guò)300 lx時(shí)，上照燈將全部自動(dòng)關(guān)閉，充分利用自然光；當(dāng)自然光不足時(shí)，上照燈將以從外往里的梯度光通量逐漸增加。通過(guò)運(yùn)行的可視化，符合了實(shí)際運(yùn)行邏輯與設(shè)計(jì)方案一致。

當(dāng)智慧建筑操作系統(tǒng)后，燈具能耗相比單一系統(tǒng)控制節(jié)能17%。對(duì)標(biāo)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189—2015)的參照建筑，按超低能耗辦公建筑運(yùn)行工況，本項(xiàng)目照明實(shí)際能耗數(shù)據(jù)節(jié)能率達(dá)到74.58%，如圖9所示。

圖9中照明能耗數(shù)據(jù)包含了環(huán)境照明及個(gè)性化照明。在人員工作時(shí)，環(huán)境照明最低滿足300 lx，個(gè)別工位根據(jù)使用人的個(gè)性化要求達(dá)到500～800 lx。通過(guò)能耗曲線可知，智慧建筑操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，滿足了超低能耗建筑的能耗要求及個(gè)性化要求的雙重指標(biāo)。

圖6 2021年5月17日 某組上照燈光通量及人員在位24 h歷史數(shù)據(jù)Fig.6 May 17 2021，up lighting group and personnel sensor data in 24-hour

圖7 2021年5月17日 照度探測(cè)器 24 h歷史數(shù)據(jù)Fig.7 May 17 2021，illuminance detector data in 24-hour

圖8 單一系統(tǒng)控制與智慧建筑操作系統(tǒng)控制的能耗對(duì)比圖Fig.8 Energy consumption comparison diagram of single system control and intelligent building operating system control

圖9 智慧建筑操作系統(tǒng)控制與參考建筑能耗對(duì)比圖Fig.9 Comparison diagram of intelligent building operating system control and reference building energy consumption

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，建筑的運(yùn)維費(fèi)用占建筑全生命周期費(fèi)用的70%。但大多數(shù)項(xiàng)目在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，無(wú)法達(dá)到原有設(shè)計(jì)指標(biāo)，越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)總用電量越高、綠色建筑耗能高、智能建筑不智慧?！安粩嘟档徒ㄖ芎?、提升建筑能效和利用可再生能源、推動(dòng)建筑邁向超低能耗、近零能耗和零能耗”是建筑節(jié)能領(lǐng)域的中長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)，我國(guó)各級(jí)政府也對(duì)超低能耗辦公建筑給予極大的支持。但降低能耗不應(yīng)通過(guò)技術(shù)堆砌、提升投資、累加分值來(lái)簡(jiǎn)單粗暴的設(shè)計(jì)，不能依賴犧牲使用人的舒適性降低系統(tǒng)能耗，否則可能大幅度提升初次投資，增加運(yùn)維難度，造成市場(chǎng)的抵觸。不應(yīng)過(guò)度采用主動(dòng)式節(jié)能系統(tǒng)，應(yīng)采取“被動(dòng)為主，主動(dòng)優(yōu)化”的方案。應(yīng)根據(jù)建筑所處的地域特征、周圍環(huán)境，通過(guò)前期多維度的計(jì)算、評(píng)估、模擬驗(yàn)證，各個(gè)專業(yè)整體設(shè)計(jì)、核準(zhǔn)、優(yōu)化修正，充分落實(shí)系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，深化控制方案，落實(shí)設(shè)計(jì)思想實(shí)際落地，控制綜合投資。為保障設(shè)計(jì)階段的控制邏輯能切實(shí)有效地延申至運(yùn)維階段，應(yīng)在超低能耗辦公建筑工程中設(shè)置智能化集成平臺(tái)，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可用性、可視性，不讓超低能耗辦公建筑、健康建筑停留于“設(shè)計(jì)藍(lán)圖”?；谥腔劢ㄖ僮飨到y(tǒng)為設(shè)計(jì)、運(yùn)維人員提供的巨大空間，本文現(xiàn)階段僅探討照明系統(tǒng)的應(yīng)用效果，后續(xù)將對(duì)其他系統(tǒng)進(jìn)行更深入的研究。