上海地区照明控制策略对办公建筑能耗的影响(编辑修改稿)

上海地区照明控制策略对办公建筑能耗的影响(编辑修改稿)内容摘要：

耗的综合模拟。 这些软件中采用的光照模型包括光线跟踪、光能传递和 几何计算等。 为统一自然光比较标准，国际照明委员会 （ CIE， International Commission on Illumination）确定了 15种通用标准天空模型，常用的有均匀天空 模型（ Intermediate Sky）、全阴天模型（ Overcast Sky）、晴天模型（ Clear Sky） 和 Perez全气象条件天空模型（ Perez All Weather Sky）等。 其中，最后一种的天 空亮度分布更为真实，可以根据直散射辐照度和其他相关数据计算天空亮度，从 而获得全年动态自然光数据，弥补了传统模型只能针对特定天气情况的缺陷 [16]。 由于建 筑与系统的的影响因素众多，且在实际工程完成前只能进行预测，所以关 于人工照明、自然采光以及建筑总能耗的研究中，很大比例的成果是基于模拟结 第 1章 引言 3 果得到的。 值得一提的是，在动态模拟软件 Daysim中，不仅对全年动态条件有 比较好的覆盖，还定义了主动与被动式行为，将人对遮阳、照明的控制行为模式 也结合到了照明能耗模拟计算中 [17]。 然而，这些工具在实际的工程中应用范围 仍然较小。 以新加坡为例，只有 25%的建筑公司采用照明或采光模拟软件；而针 对美、加、德三国 187名设计员、工程师和研究人员的 网络调查表明，其中只有 134人在考虑自然采光的同时还使用了模拟软件进行结果预测 [18]。 虽然增加智能照明控制，如根据自然光调节人工照明，对建筑节能应该是有 利的，但现今在办公建筑中对这种系统的使用率还很低。 阻碍其发展的原因之一， 就是缺少确定控制方式节能潜力的计算工具，或者存在这种工具，但其使用起来 非常复杂。 比如前面提到的各种模拟软件，无论采用哪种光照模型，随着计算精 度和输出结果（图像 /数字，人工照明 /自然采光）方面要求的提高，都会增加输 入参数，延长计算时间。 因此，不同照明控制方式的经济性很难在 项目初期就得 到确定。 针对这个问题，很多研究者致力于简易评估方法的开发。 Moncef Krarti[2] 等人根据模拟结果整理出一个简化的评价公式，以室外照度水平、室内照度设定 值、日光控制方式、窗户透光率和面积、外区面积和房间面积为输入，即可得出 一个房间内采用日光控制的节能潜力，即全年采光满足率（ DA， Daylight Autonomy）或称为 “ 全自然采光时间百分比 ”。 经模拟和实际验证，这种简易计 算法绝对误差在 %以内。 类似的，余琼等 [19]以上述自然采光满足率为评价标 准，用详细模拟软件回归分 析，拟合出该值计算的经验公式，从而建立模型，用 于建筑方案设计阶段对使用基于自然光控制的照明系统能耗进行预测。 另一方面，由于照明能耗本身和建筑采光设计对采暖、空调能耗也有影响， 所以如何平衡它们间的关系，降低建筑总能耗，学者们也进行了相关研究。 文献 [19]中即提到了建筑设计参数对总能耗的影响与照明控制方式有关。 Christelle Franzetti[20]等人分析了建筑和系统中各要素之间的关系，比较其对建筑总能耗的 影响后，认为窗地面积比是其中最敏感的因子。 文献 [21, 22]指出，照明密度对于 建筑能耗的影响和当地的气候条件关系十分密切。 在上海所处的夏热冬冷地区， 其全年能耗对照明密度的敏感度比其他城市要高出许多，即照明能耗下降可导致 建筑能耗较大幅度降低。 香港城市大学 . Li、 . Lam等人对能耗预测进 行了一系列研究 [2133]，他们使用 CASIS和 LIGHT先模拟室内单独使用日光照 明时的亮度情况，再在特定照明控制方法下，如恒光照明控制，计算所需要的逐 时照明功率；然后结合建筑热特性，预测建筑总体能耗值 [22]。 由于对室内照度 模拟的精度较高，预测结果较为可信。 在香港地 区，自然光控制的调光照明系统 可节约 30%以上的照明电耗 [29]，降低空调峰值负荷，节约设备初投资 [33]，且在 照度设定值较低时，仅用开关控制即可实现节能 [29]。 鉴于建筑负荷成因的复杂 同济大学 硕士学位论文 上海地区照明控制策略对建筑能耗的影响 4 性，自上世纪九十年代 Park等人 [34]提出用 ANN（ artificial neural work，人工 神经网络）预测电网负荷的方法后，便出现很多关于用类似方法预测建筑负荷的 研究成果。 Aydinalp Merih[35]和 Wong S L[36]分别针对住宅和办公建筑，挑选建筑 能耗最敏感的几个因子，包括建筑参数，天气参数和建筑内的电器应用等，建立 了建筑整体能耗预测模型，可分别输出建筑总能耗，采暖、制冷能耗和照明能耗。 但这些模型都需要大量数据进行训练，才能输出较准确的预测值。 综上所述，关于自然采光和照明能耗间的关系主要通过模拟来确定，仍缺乏 一定的实测数据支持。 同时，在能耗预测模型的训练中，也需要这些数据的输入。 所以，本文旨在获取实验数据，最终为工程应用提供支持，为不同的建筑类型或 房间使用方式中照明控制策略的选择提供依据。 论文的研究目的及主要内容 研究目的 本文的研究目的是：通过实验的方法，获得具体数据，用其进行智能照明控 制系统的不同策略在办公建筑中的节能作用的比较，最终确定直接导致的照明降 耗和建筑总能耗（主要是空调和采暖）受到的影响。 主要内容 • 分析办公建筑的照明节能潜力，如日光的可利用度，人员的行为模式， 原有照明控制等； • 智能照明控制实验台搭建； • 对不同照明控制策略的节电效果进行实验，并比较各个情况下的照度水 平； • 建立实验台所在办公室的建筑模型，利用实验数 据作为输入，采用模拟 的方法，分析不同照明控制策略对建筑各分项能耗的影响。 技术路线与结构框架 根据上述内容和研究目的，确定本文技术路线，如图 11所示： 第 1章 引言 5 图 11全文技术路线图 第 2章 照明控制与能耗综述 7 第 2章 照明控制与能耗综述 本章为全文的理论基础概述，在简介照明控制方式和策略的基础上，分析关 键因子，如日光、人员行为等，对不同控制方式效果的影响。 控制方式 由于全文所涉及 系统均位于办公建筑内，所以这里所指的控制方式也以办公 室适用的方式为主。 照明的自动控制方式主要包括 [37]通断控制和调光控制。 按照 控制的信号种类，可分为日光控制、时间控制、来人探测控制、场景控制等。 将 不同的控制方式进行组合，可形成不同的控制策略。 图 21为锐高公司的一项调 查统计结果 [37]，办公室内采用不同照明控制策略，节能效果不尽相同。 图中绿 色部分代表节能率。 以高频电子镇流器的使用作为比较基准，使用电感镇流器会 使照明能耗增加 30%，如红色柱形所示。 而使用日光控制高频电子镇流器调光， 结合来人探 测和手动调光是最节能的控制方式，可节约照明能耗约 75%。 图 21办公室不同照明策略节能百分比 [37] 时间表控制（ schedule control） 描述：预先设置亮灯或灭灯的时间，更常见于路灯等公共区域的照明控制， +30% 25%50%60%75% 0 20 40 60 80 100 120 140 % 电 感 镇 流 器 （ 固 定 输 出 ） 高 频 电 子 镇 流 器 （ 固 定 输 出 ） 调 光 式 高 频 电 子 镇 流 器 （ 手 动 调 光 ） 调 光 式 高 频 电 子 镇 流 器 （ 来 人 探 测 + 手 动 调 光 ） 调 光 式 高 频 电 子 镇 流 器 （ 日 光 控 制 调 光 ） 调 光 式 高 频 电 子 镇 流 器 （ 日 光 控 制 调 光 + 来 人 探 测 + 手 动 调 光 ） 同济大学 硕士学位论文 上海地区照明控制策略对建筑能耗的影响 8 办公室照明也可以采用。 这种控制方式既简单又有效，是很容易实现的一种基于节能考虑的控制方式。 但缺点是忽视了使用者主动控制的需求，不够灵活。 在预设的亮灯时间之外，可 能无法满足室内人员 对照明的需求。 不需要安装传感器，任何有定时功能的控制 装置都可实现。 人员探测 /来人探测控制（ occupancy detection/ motion sensor） 描述：开灯信号为人员在室，关灯信号为人员离室。 开灯或关灯动作可同时 或选择其一依据人员信号来控制。 无人时关灯的控制模式，可以有效防止人员离室却忘记关灯情况下的电能浪 费。 常见于走廊等公共交通区域，也可应用于办公室照明。 通常 “ 来人开灯 ” 为 即时性动作，而 “ 无人关灯 ” 是延迟性动作。 原因是大部分实际传感器都只能判 断运动的人员这一 动态信号，但人员静坐这一信号难以检测。 所以，延迟关灯可 以减少光源的频繁启停，延迟光源寿命，提高使用者的舒适性。 由于必须加装相应的传感器，所以初投资较高。 且可能造成照明电路的频繁 通断，所以控制策略和系统设计需特别注意，如延迟时间的确定等。 这一点是这 种控制方法的一个难点，可以利用时间序列的方法进行预测 [38]。 日光相关控制 (daylight – linked control) 描述：可以为开关或调光控制，在日照充足时，关闭全部或部分光源，或者 调暗灯光；日照不足时，开启部分或全部光源 ，或者调亮灯光。 办公室内通常以 照度为恒控指标。 在对视觉环境要求高的场所，还有亮度控制，以人工光源的补 充来减小自然采光引起的过大的亮度差异。 这种亮度控制在普通办公室内涉及较 少，本章节内便不再赘述。 日光相关的控制方式旨在利用免费的自然光，降低人工照明平均用电量（调 光控制）或运行时长（开关控制）。 在采光充足的建筑中尤其适用，节能潜力很 大。 但由于必须配备相应的照度传感器和控制器，在调光控制时，还需要合适的 可调光镇流器，投资较高，所以其经济性需在项目初期即加以考察。 这就必须用 到光环境模拟或建筑能耗模 拟等相关软件对其进行预评估。 当然，这些额外工作 也会增加投资。 这种控制方式的节能效果的影响因素来自多方面，首先是建筑本体，包括遮 阳设施、采光性能等。 由该方式的节能原理也可得知，凡是影响自然采光的因素， 第 2章 照明控制与能耗综述 9 都同样是影响它节能潜力的因素。 所以在下一节将具体讨论自然采光与照明节能 之间的关系。 其次，对它的影响还来自控制设置本身。 比如桌面设定的照度值不 同，选择开关控制和调光控制带来的节能量就非常不一样。 以香港某个安装了照 度传感器的教室为例，当所需照度值较低时（该实验中低 于 150lux）采用开关控 制方式反而有更好的节能效果 [29]，如图 22所示。 由此可见，在某些情况下，可 以采用开关控制这种更经济的方式实现节能潜力最大化。 通过采用调光方式对日光进行利用时，模拟结果表明，人工照明用电量可减 少 20%到 70%[39]。 图 22 开关控制和调光控制方式下照明节能量 [29] 实际工程中，由于室内安装的控制用传感器只能检测到人工照明和自然采光 共同作用下的混合照度，所以很难实现照度充足时关闭照明的控制方法。 这个问 题可以通过模糊算法 [40]以及自适应人工神经网络 [41]的帮助来解决。 自然采光 对自然光的有效利用，在调光控制和日光传感器发展日趋成熟的今天，不失 为一种值得推荐的照明节能设计方向。 照明环境，尤其是白天，通常由自然采光 和人工照明共同形成。 自然光通过各种透光介质直接对室内照度起作用，而人工 照明首先输入建筑的是电能，然后才转化为可见光，为室内照明做出贡献（见图 23）。 所以，自然采光的利用有以下优点： 同济大学 硕士学位论文 上海地区照明控制策略对建筑能耗的影响 10 图 23电能和自然光到照明的转化过程 [6] • 可 以减少室内人工照明得热，降低室内暖通空调系统的制冷负荷，进而 减小制冷设备的运行费用。 对制冷负荷远大于加热负荷的建筑十分有效。 • 削减商业建筑白天，特别是午后的电力负荷高峰。 • 增加使用者满意度并提高工作效率 [42]。 • 优化不同照明控制策略的节能效果 [43]。 如图 24所示，不同控制方式下， 建筑总能耗随天窗面积比的变化而变化，并存在一个峰值。 当实际建筑 的天窗面积符合峰值所示情况时，总能耗最低。