黃啟明

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都610031)

社會的發(fā)展、科技的進(jìn)步能帶給人便捷、高效的生活方式，但終究屬于自然生物的人類——舒適的自然環(huán)境才能讓我們更幸福[1]。辦公場所是人們主要的生活區(qū)域之一，天然光線能為辦公區(qū)域提供直接的自然環(huán)境氛圍，它的光色自然，能夠呈現(xiàn)出質(zhì)感，而且富于動(dòng)態(tài)變化，具有人工光源不可比擬的獨(dú)特表現(xiàn)力。在建筑光環(huán)境研究領(lǐng)域中，自然光利用的研究一直是重點(diǎn)，近些年自然采光的利用取得了很大的進(jìn)展，發(fā)展起了諸如導(dǎo)光管、光導(dǎo)纖維等新技術(shù)以及熱敏玻璃、光敏玻璃、電敏玻璃、棱鏡玻璃[2]等自然采光的新材料，為最大限度地利用自然光提供了可能。

充分利用自然光在滿足人們健康需求的同時(shí)，還可減少建筑運(yùn)行的能源耗費(fèi)。僅對照明能耗而言，自然采光控制下的室內(nèi)照明能耗與普通無控制形式相比，降幅就在30 %～70 %之間[3-4]，同時(shí)照明散熱形成的負(fù)荷對建筑的冷熱負(fù)荷都有著直接的影響，作用于冬夏季冷熱負(fù)荷的效果也不同，綜合考慮由采光控制帶來的整體能耗節(jié)約率也可達(dá)40 %[5]。

1 研究內(nèi)容

1.1 采光與熱工能耗

文章針對的是將自然采光與室內(nèi)照明結(jié)合的控制系統(tǒng)。自然采光控制包括自然光控制和室內(nèi)照明控制兩個(gè)部分，自然光控制的主要目的是在減少窗的眩光帶來視覺不適的同時(shí)，最大限度的利用自然光采光；室內(nèi)照明控制則是通過不同的照明控制方式，例如分階調(diào)光控制、連續(xù)調(diào)光控制(圖1、圖2)，在自然光照度超過照度設(shè)定值時(shí)，將燈關(guān)掉或留有少部分開啟，在自然光照度低于設(shè)計(jì)的照度時(shí)，控制系統(tǒng)以分階、線性的方式補(bǔ)充人工照明功率，以保持工作面照度值不變。

影響自然采光控制的主要因素是眩光和照度，我國《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033-2013)將全國劃分為五類光氣候區(qū)，用以指導(dǎo)采光設(shè)計(jì)；自然采光控制不僅能直接降低照明能耗，還與空調(diào)和供暖能耗有關(guān)，我國《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176)從建筑熱工設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，將全國劃分為五個(gè)分區(qū)，指導(dǎo)熱工設(shè)計(jì)。基于室外照度指標(biāo)的光氣候分區(qū)與根據(jù)平均溫度指標(biāo)的熱工分區(qū)著重點(diǎn)不同，這就導(dǎo)致了同一個(gè)區(qū)域可能分屬不同的分區(qū)，提高了設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，使得采光節(jié)能和熱工節(jié)能“魚和熊掌不可兼得”。

圖1 分階調(diào)光示意

圖2 連續(xù)調(diào)光示意

文章以光氣候分區(qū)為前提，使用Energyplus模擬分析同一光氣候分區(qū)內(nèi)不同熱工分區(qū)的節(jié)能潛力，具體的劃分見表1。

表1 不同光氣候下的熱工地點(diǎn)選取

1.2 建筑模型

文章選取某辦公樓南向四間辦公室為模擬對象(圖3)。辦公室層高3 m，每間的尺寸為5 m×3.5 m，窗墻比0.3，墻/天花板/地面的可見光反射率分別為0.6/0.7/0.22，墻體傳熱系數(shù)為0.5，嚴(yán)寒地區(qū)采用三層窗，其它地區(qū)為雙層中空窗。

圖3 建筑模型示意

辦公室性質(zhì)屬普通辦公室，參照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189-2005)，人員密度4 m2/人、照明功率11W/m2、設(shè)備功率20 W/m2、新風(fēng)量30 m3/(h·p)。設(shè)備開啟時(shí)間為7:00-19:00。

1.3 采光照明控制

普通辦公室0.75 m參考平面的照明標(biāo)準(zhǔn)值[6]為300 lx，窗的不舒適眩光指標(biāo)[7](DGI)取23，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)為軟百葉簾內(nèi)遮陽(interior shades)，其余地區(qū)為軟百葉簾中空內(nèi)遮陽(between-glass shades)；照明控制方式為連續(xù)調(diào)光控制[8](continuous di mming control)，最小功率輸入和最小光亮輸出分別為0.3和0.2。

當(dāng)窗的眩光指數(shù)超過23時(shí)，軟百葉簾遮擋，照明系統(tǒng)根據(jù)參考平面的實(shí)時(shí)照度確定照明功率的供給；眩光指數(shù)低于23時(shí)，軟百葉簾拉起，照明系統(tǒng)根據(jù)參考平面的實(shí)時(shí)照度確定照明功率的供給。本文對比采光控制的措施為軟百葉簾全年工作時(shí)段遮擋及無照明控制。

2 能耗對比分析

自然采光控制影響下的室內(nèi)能耗計(jì)算較為復(fù)雜。與沒有遮陽措施相比，軟百葉簾遮陽時(shí)，進(jìn)入室內(nèi)的太陽能減少，作用于室內(nèi)冷熱負(fù)荷的太陽輻射得熱相應(yīng)改變；自然采光滿足室內(nèi)照度時(shí)，照明設(shè)備帶來的對流和輻射得熱也隨之減少，減少量與照明控制系統(tǒng)對應(yīng)的輸出功率等有關(guān)，若未能滿足室內(nèi)照度，增加量隨室內(nèi)照度的大小變化而變化。

根據(jù)表1的分類，本節(jié)分別給出了五類光氣候分區(qū)內(nèi)代表城市的年照明能耗、年耗冷量、年耗熱量，圖中“1”表示運(yùn)用了自然采光控制措施，“2”為對比方案。

圖4 光氣候Ⅰ區(qū)對比

圖5 光氣候Ⅱ區(qū)對比

圖6 光氣候Ⅲ區(qū)對比

圖7 光氣候Ⅳ區(qū)對比

圖8 光氣候Ⅴ區(qū)對比

圖4～圖8是五類光氣候區(qū)共15個(gè)城市的年照明能耗、年耗冷量、年耗熱量對比圖。由于普通辦公室室內(nèi)發(fā)熱量大，致使建筑年耗冷量普遍較大，耗熱量較小，溫和地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)基本無供暖需求。自然采光控制下的空間，無論處于哪種光氣候區(qū)域，照明能耗都明顯減少；耗熱量要高于對比空間、耗冷量少于對比空間，這是自然采光控制下室內(nèi)照明設(shè)備減少從而照明帶來的得熱減少的緣故。

為了更直觀的說明節(jié)能效果，表2匯總了各地區(qū)各項(xiàng)的節(jié)能率。

從表2可以看出，照明能耗節(jié)能量非?？捎^，有50 %～60 %的節(jié)能率，同時(shí)也可發(fā)現(xiàn)處于光氣候Ⅲ區(qū)烏魯木齊的節(jié)能率要小于光氣候Ⅴ區(qū)的成都，主要原因還是南北光氣候特點(diǎn)不同，北方室外照度以直射光為主，南方則是散射光照度占多，啟動(dòng)遮陽設(shè)施后，室內(nèi)照度未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)則需啟動(dòng)人工照明，而遮陽設(shè)施本身的光學(xué)參數(shù)也對遮陽后的室內(nèi)照度有影響，透光率過低則會減少節(jié)能率，過高則會出現(xiàn)即使遮陽，眩光指數(shù)依然超標(biāo)的情況。

自然采光控制后，建筑耗熱量增加(為負(fù))，但是由于年耗熱量本身基數(shù)小，實(shí)際增加量很少，增加量最大的是哈爾濱，為450 kW·h，上海地區(qū)有將近50 %的增幅，實(shí)際增加量卻只有160 kW·h。自然采光控制后的夏季耗冷量有10 %～30 %的節(jié)能率，加之耗冷量基數(shù)大的緣故，節(jié)能量明顯，廣州、?？诘认臒岫貐^(qū)，雖然節(jié)能率數(shù)值不大，但是節(jié)能量卻很可觀，有1 200 kW·h，西寧等嚴(yán)寒地區(qū)年耗冷量相對較少，采光控制的節(jié)能效率表現(xiàn)得較為明顯，節(jié)能量也有600 kW·h左右。

表2 節(jié)能率匯總表 %

%

3 結(jié)論

文章通過模擬對比了五類光氣候分區(qū)內(nèi)的15個(gè)代表城市在自然采光控制下的年照明能耗、年耗冷量、年耗熱量，自然采光控制下的普通辦公室照明能耗節(jié)能率在50 %～60 %之間，光資源越豐富的地區(qū)節(jié)能率越高；自然采光控制后，夏季耗冷量也減少了10 %～30 %，由于夏熱冬冷、夏熱冬暖及溫和地區(qū)耗冷量基數(shù)大，節(jié)能量明顯；雖然冬季耗熱量有所增加，與總耗能相比，增加量有限?？梢娚萍永米匀还獠粌H有利于視覺舒適還能減少能耗輸出。

[1] MacKerron G,S Mourato.Happiness is greater in natural environments. Global Environmental Change 23 (2013) 992-1000

[2] ShehabiA, N DeForest，et al. U.S. energy savings potential from dynamic daylighting controlglazings. Energy and Buildings 66 (2013) 415-423

[3] Dubois M, ? Blomsterberg. Energy saving potential and strategies for electric lighting in future NorthEuropean, low energy office buildings: A literature review. Energy and Buildings 43 (2011) 2572-2582

[4] P. Ihm, A. Nemri, M. Krarti, Estimation of lighting energy savings from daylighting, Building and Environment 44 (2009) 509-514

[5] Bodart M, A De Herde. Global energy savings in offices buildings by the use of daylighting. Energy and Buildings， 2002，34，(5):421-9

[6] GB 50034-2013 建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]

[7] GB 50033-2013 建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]

[8] Energyplus Input/Output Reference