王 磊

(清華大學(xué) 建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100084)

0 引言

在照明設(shè)計中，采用基于工作面恒定水平照度的照明控制系統(tǒng)是創(chuàng)造良好光環(huán)境的一種手段。與普通手動控制相比，此種控制方式在滿足照度水平的同時，理論上還可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

為了定量評估辦公建筑中采用智能照明控制所帶來的節(jié)能效果和達(dá)到最佳效果所需的照明策略。在文章中，筆者以參與設(shè)計的某辦公樓為實(shí)驗(yàn)平臺，以采用基于數(shù)字式可尋址照明接口(DALI)的智能照明控制系統(tǒng)控制的照明燈具為實(shí)驗(yàn)對象，對辦公空間在相應(yīng)時間段的耗能指標(biāo)和照明環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了測試和分析(見圖1)。

1 測試手段和過程

測試中選取了辦公樓12 層兩個相鄰房間進(jìn)行比對，兩個房間結(jié)構(gòu)和自然光采光條件差異較小，有利于排除控制模式之外的其他影響因素。

兩組使用功能相似的辦公室在照明配置上，一組為采用人工啟停無調(diào)光控制，另一組為基于工作面水平照度的智能照明調(diào)光系統(tǒng)自動控制。采取調(diào)光控制的辦公區(qū)采用DALI 控制器，房間內(nèi)設(shè)光感應(yīng)器，配合數(shù)字可尋址燈光鎮(zhèn)流器，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)熒光燈的單燈調(diào)節(jié)控制。

測試的方法為在多個時段，對辦公室的照明耗能進(jìn)行計量，并測量本時段內(nèi)房間的工作面實(shí)際照度，來判斷兩種方式的耗能差異和光環(huán)境差異。

圖1 房間照明設(shè)計圖

辦公室面積35 m2，設(shè)6 套三管T8 的18 W 格柵熒光燈，配置了DALI 的可調(diào)光鎮(zhèn)流器，房間設(shè)5 鍵照明控制器，設(shè)置了全開、全關(guān)、半開、智能控制、清掃5個模式。在房間吊頂安裝了紅外人體探測器和房間照度探測器，同時配置了窗簾控制器(未使用)。

實(shí)際測試目標(biāo)房間的地面平均照度為360 lx，最大照度為380 lx，最低照度為275 lx。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試，一個房間設(shè)定的模式為全手動模式，4 個開關(guān)分別對應(yīng)全開、全關(guān)、開靠窗三組燈、開靠門三組燈。其他控制模式被屏蔽，房間內(nèi)照度控制器關(guān)閉。

圖2 不同輸出情況下的房間照片

對照房間設(shè)定為自動模式，2 個開關(guān)模式設(shè)定為智能開和全關(guān)，其他模式被屏蔽。

在2014年v4月7日和4月8日晚上7 點(diǎn)到9 點(diǎn)45 分，筆者對兩個房間的照明環(huán)境進(jìn)行了持續(xù)測試，以5～10 min 為間隔，記錄兩個房間的4 個工作面水平照度，房間地面照度和窗口位置的水平照度。同時通過連接計算機(jī)上的智能儀表實(shí)時記錄了設(shè)置智能照明控制房間的電流值和功率，分析了房間內(nèi)智能照明系統(tǒng)在室外自然光變化的過程中調(diào)節(jié)燈具輸出的過程(見圖2)。

2 測試結(jié)果與分析

智能照明控制系統(tǒng)的節(jié)能主要體現(xiàn)在減少不必要的高于照明標(biāo)準(zhǔn)的照明，從而減少能耗，即在室外自然光的強(qiáng)度不滿足使用要求時自動開啟人工照明進(jìn)行補(bǔ)光，在室外自然光滿足照明使用要求時自動關(guān)閉人工照明。相對于需要手動控制的照明系統(tǒng)，智能照明控制一方面滿足了照明環(huán)境的照度一致性，另一方面在室外照明環(huán)境變化時提供了更節(jié)能的控制方式，在更適當(dāng)?shù)臅r刻開關(guān)燈具，也防止人為忘記關(guān)燈等過度照明問題。

本次實(shí)驗(yàn)在4月8日黃昏時進(jìn)行，表1 為僅有室外自然光的條件下，房間內(nèi)照明情況，A，B，C，D 分別代表房間內(nèi)4 個工作面上的水平照度值。

表1 無人工照明房間4 工作面水平照度值(lx)

圖3 無人工照明房間內(nèi)4 工作面水平照度變化曲線

從表1 可以看出，房間內(nèi)C，D 兩個工位靠近外窗，在白天時水平照度超過300 lx，不需要人工照明，A，B 兩個工位遠(yuǎn)離外窗，照度明顯低于另兩個工位，8 ∶00 時太陽接近地平線，自然光強(qiáng)度降低，桌面照度水平在傍晚8 ∶00 到8 ∶20 太陽沒入地平線這段時間逐漸降低，在8 ∶20 到8 ∶40 這段時間顯著降低，其后，由于大氣層的散射，室外天光還會在一段時間維持一定強(qiáng)度，直至降至較低水平(見圖3)。

開啟了智能照明控制系統(tǒng)的對比房間，隨著室外亮度的降低，室內(nèi)照明開啟，逐漸提高輸出，直至滿功率輸出(見圖4～6)。具體數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 開啟智能照明控制房間內(nèi)4 工作面水平照度值(lx)

圖4 智能照明控制房間內(nèi)4 工作面水平照度變化曲線

圖5 智能照明控制房間內(nèi)燈具功率輸出百分?jǐn)?shù)

圖6 智能照明控制房間內(nèi)燈具功率輸出曲線

從表2 可以看出，房間照度隨時間慢慢降低，至8點(diǎn)32 分，現(xiàn)場的照度水平低于房間照度傳感器設(shè)置的啟動閾值，燈具開啟，光輸出慢慢增加，最終維持在380 lx 水平上。

由于房間探頭的閾值是在房間沒有安裝家具之前設(shè)定的，在放置家具后，改變了房間的自然光和人工光分布，光線的遮擋、反射都影響了房間內(nèi)照度水平，因此，上述結(jié)果并不完全代表智能照明的節(jié)能效果。由于A，B 兩個工位在燈具開啟之前已經(jīng)低至75 lx，不能滿足閱讀的基本要求，故房間的使用者以臺燈作為重點(diǎn)照明工具，這已經(jīng)違背了采用智能照明控制的初衷，因此測試得出的數(shù)據(jù)并不具有準(zhǔn)確的參考價值。房間內(nèi)設(shè)置了兩個亮度傳感器，更準(zhǔn)確的方式應(yīng)該根據(jù)距外窗的距離分別控制房間內(nèi)兩行燈具。另外其設(shè)置的閾值也應(yīng)該在家具布置好以后按照房間桌面的照度設(shè)置，以反映房間內(nèi)的實(shí)際情況。

靠近外窗的C，D 兩個工位的情況相對滿足桌面照度的要求。實(shí)際房間測試能耗的數(shù)據(jù)除以2 后就可以反映C，D 工位的能耗情況。A，B 工位的照度因遠(yuǎn)離外窗，家具遮擋，其需要照明的時間更長，其節(jié)能計算的數(shù)據(jù)也應(yīng)有所不同。

C，D 功率輸出曲線線性化后可分為3 個階段。

T0—T1:太陽的下緣與地平線交匯前10 min。

T1—T2:T1到太陽的上緣交匯于地平線，持續(xù)時間約為5 min。

T2—T3:大約20 min，室外自然光下降到10 lx以下。

分析此時間段，如果采用手動控制，在T0時間點(diǎn)開啟人工照明，在T0到T3這段時間，由于過度照明，導(dǎo)致與智能照明控制系統(tǒng)相比，手動控制系統(tǒng)消耗了更多的電能。

對于智能照明控制系統(tǒng)，消耗的電能為圖6 中功率曲線對時間的積分，根據(jù)儀表的記錄數(shù)據(jù)，在T0到T3這段時間，房間C，D 兩個工位消耗電能見表3。

表3 C，D 兩個工位的能耗(kWh)

從表3 可以得出，在T0到T3這段時間，采用智能照明系統(tǒng)后的能耗是手動全開模式的72.8%。這個結(jié)果的前提是手動模式在T0時立刻開啟，而且其基數(shù)為T0到T3的35 min。如果房間燈具的工作時間為3 h，那么能耗的差異為5%，如果房間燈具的工作時間為5 h，那么能耗的差異只有3%，工作時間越長，兩者的差異越小。

3 小 結(jié)

在智能照明控制空間內(nèi)的照明能耗取決于以下幾個因素:

1)空間接收自然光的時間和強(qiáng)度，體現(xiàn)在設(shè)計中為采光條件和外窗參數(shù);

2)空間所處的地理位置所決定的日出和日落的轉(zhuǎn)換時間，這體現(xiàn)為工程所在的地理位置、經(jīng)緯度、當(dāng)?shù)靥鞖馇闆r、云量多少、空氣污染的情況等;

3)工作時間與自然光不滿足照度水平時間的交集長短，體現(xiàn)為房間的布局、家具的布置;

4)控制系統(tǒng)的控制策略設(shè)置，這與控制方式中調(diào)節(jié)輸出的步長、延時時間、傳感器精度、運(yùn)算的方式有關(guān);

5)工作場所的控制照度水平與房間的使用功能，采用的光源、燈具形式有關(guān)。

總之，智能照明控制系統(tǒng)最主要的功能是提高照明環(huán)境舒適性和方便性，以最低照度為基準(zhǔn)在手動或自動控制的前提下，智能照明控制的節(jié)能僅僅體現(xiàn)在室外自然光變化的一段時間。對全黑的房間或者自然光充足的房間，其節(jié)能效果將大打折扣。

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