上海地區(qū)照明控制策略對辦公建筑能耗的影響

1、 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本人完全了解同濟大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意如下各項內(nèi)容：按照學(xué)校要求提交學(xué)位論文的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存學(xué)位論文的印刷本和電子版，并采用影印、縮印、掃描、數(shù)字化或其它手段保存論文；學(xué)校有權(quán)提供目錄檢索以及提供本學(xué)位論文全文或者部分的閱覽服務(wù)；學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或者機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版；在不以贏利為目的的前提下，學(xué)校可以適當(dāng)復(fù)制論文的部分或全部內(nèi)容用于學(xué)術(shù)活動。 學(xué)位論文作者簽名： 年 月 日 同濟大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容

2、外，本學(xué)位論文的研究成果不包含任何他人創(chuàng)作的、已公開發(fā)表或者沒有公開發(fā)表的作品的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 年 月 日同濟大學(xué) 碩士學(xué)位論文 摘要 I 摘要 建筑能耗主要由照明、暖通、設(shè)備三個部分的能耗組成。使用適當(dāng)?shù)闹悄苷彰骺刂撇呗詫φ彰飨到y(tǒng)有明顯的節(jié)能降耗作用。加之照明散熱與空調(diào)和采暖系統(tǒng)的能耗之間有密不可分的關(guān)系，所以照明控制是建筑節(jié)能領(lǐng)域一個重要問題。而在辦公建筑中，最常見的光源就是熒光燈，本論文即圍繞開敞式辦公室的熒光燈照明控制策略展開。 論文首先總結(jié)不同的照明控制方

3、式，分析兩個重要因素自然采光和使用者行為模式對照明能耗的影響；然后對一辦公建筑內(nèi)某開敞辦公室進行日光利用潛力的靜態(tài)和動態(tài)分析，并對原有的手動照明控制系統(tǒng)進行改造，搭建成可實現(xiàn)多種控制策略的實驗平臺，包括日光相關(guān)的調(diào)光控制和人員探測的開關(guān)控制等，同時配備相應(yīng)的照度和用電量采集監(jiān)測、在線顯示、自動記錄系統(tǒng)，比較基準(zhǔn)辦公室和實驗臺在不同控制策略運行下的照明用電量差異；最后根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)，采用建筑能耗模擬的方法，分析不同照明控制策略對建筑內(nèi)各分項能耗的影響。 關(guān)鍵詞：照明，控制策略，建筑能耗，辦公建筑 Tongji University Master Abstract II Abstract Bui

4、lding energy consumption mainly consists of three components: lighting, HVAC and electrical equipment. Implementation of appropriate intelligent control strategies on lighting system could benefit energy saving significantly. Furthermore，energy demand of heating and cooling is closely related to the

5、 heat dissipation from lighting, so lighting control is very important for building energy saving. In office buildings, the most commonly used light source is fluorescent lamp. This thesis is about the study on lighting control strategies for fluorescent lighting system applied in open-plan offices.

6、 Firstly, various lighting control modes and strategies are summarized; moreover, the impact of two important factors - daylighting and user behavior pattern - on lighting energy consumption is analyzed. Secondly, the daylight utilization potential of an open-plan office space is evaluated via simul

7、ation and site measurement. An intelligent lighting control test bed is established in this office. The original manually controlled lighting system is replaced by this test bed, which can realize various control strategies, including daylighting dimming control and on/off control by occupancy detec

8、tion. Data of illuminance and power is monitored, displayed and recorded automatically by an online data acquisition system. Online tests were conducted on various lighting control strategies for a period of time and the energy use is compared to that of the lighting system in the baseline office. F

9、inally, energy simulation model is developed using EnergyPlus and the experiment results are processed as the input of the model. The energy saving potential of various lighting control strategies, especially their impact on the end use components in buildings are simulated and analyzed. Key Words:

10、lighting, building energy saving, control strategy, office building 同濟大學(xué) 碩士學(xué)位論文 目錄 III 目錄 第1章 引言 . 1 1.1 課題背景 . 1 1.2 研究現(xiàn)狀 . 2 1.3 論文的研究目的及主要內(nèi)容 . 4 1.3.1 研究目的 . 4 1.3.2 主要內(nèi)容 . 4 1.3.3 技術(shù)路線與結(jié)構(gòu)框架 . 4 第2章 照明控制與能耗綜述 . 7 2.1 控制方式 . 7 2.1.1 時間表控制（schedule control） . 7 2.1.2 人員探測/來人探測控制（occupancy detection

11、/ motion sensor） . 8 2.1.3 日光相關(guān)控制(daylight linked control) . 8 2.2 自然采光 . 9 2.2.1 自然采光利用 . 11 2.2.2 自然采光動態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn) . 15 2.3 人員使用影響 . 17 2.4 小結(jié) . 20 第3章 照明控制系統(tǒng)實驗臺 . 21 3.1 實驗臺搭建背景 . 21 3.1.1 實驗臺所在辦公室原始情況 . 21 3.1.2 日光利用潛力 . 23 3.1.3 實驗臺照明系統(tǒng) . 28 3.2 測量和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng) . 29 3.2.1 系統(tǒng)硬件組成 . 30 3.2.2 相關(guān)程序 . 33 3.3 實驗

12、設(shè)計 . 35 3.4 實驗步驟 . 36 3.4.1 原照明系統(tǒng)測試 . 36 3.4.2 初步實驗 . 36 3.4.3 比較實驗 . 36 第4章 實驗數(shù)據(jù)分析 . 39 同濟大學(xué) 碩士學(xué)位論文 目錄 III 4.1 初步實驗 . 39 4.2 各策略動態(tài)性能簡析 . 40 4.2.1 實驗1 . 41 4.2.2 實驗2 . 44 4.2.3 實驗3 . 46 4.2.5 實驗4 . 48 4.2.6 實驗5 . 50 4.2.7 實驗6 . 52 4.2.8 實驗7 . 55 4.2.9 實驗8 . 58 4.3 數(shù)據(jù)修正 . 60 4.4 控制策略比較 . 60 第5章 照明策略對

13、建筑能耗的影響 . 65 5.1 建筑模型簡介 . 65 5.1.1 地理位置和天氣參數(shù) . 65 5.1.2 建筑幾何模型 . 65 5.1.3 建筑結(jié)構(gòu)熱工特性 . 66 5.1.4 室內(nèi)負荷與運行時間 . 66 5.1.5 負荷計算與分區(qū) . 67 5.1.6 新風(fēng)量與漏風(fēng)率 . 67 5.1.7 照明時間表設(shè)置 . 67 5.2 基準(zhǔn)能耗模擬結(jié)果分析 . 70 5.3 不同照明策略對建筑能耗的影響 . 72 5.3.1 熱負荷受到的影響 . 72 5.3.2 冷負荷受到的影響 . 73 5.3.3 建筑總能耗受到的影響 . 75 第6章 結(jié)論 . 79 第1章 引言 1 第1章 引言

14、1.1 課題背景 人類社會的高速發(fā)展也推動著能耗的飛速上升。與人們的日常生活息息相關(guān)的首先是建筑能耗，這一部分在社會總能耗中占據(jù)著舉足輕重的地位。如果保持現(xiàn)有的能耗與排放水平，2030年中國建筑行業(yè)的直接與間接碳排放總量將達到32億噸，接近全國排放總量的1/31。而在美國，商業(yè)建筑每年消耗社會一次能源總量也超過三分之一2。由于我國人均耗電量仍處于較低水平，隨著人們生活水平的提高，在未來仍有很大的上升潛力。為減緩建筑能耗增長，總體上達到二氧化碳減排目標(biāo)，各個國家都制定了相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。中國已于05年頒布實施GB501892005公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)期通過該標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，以20世紀80年代改革開放初期

15、建造的公共建筑為比較基準(zhǔn)，達到全年采暖、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)和照明的總能耗減少50%的目標(biāo)3。 在建筑能耗中，用于空調(diào)制冷與采暖系統(tǒng)的比例約50%60%，照明約20%30%3, 4，在中國南方地區(qū)，如廣州，甚至可達到40%5。這兩部分是建筑能耗中最重要的方面。如果能夠有效地減少照明電耗，對于以制冷為主的地區(qū)，由于照明散熱減少，還可進一步降低其空調(diào)能耗，從而更大程度地提高建筑的運行能效。而且，照明能耗在全球能耗中占去19%的比例6，其降耗潛力不容忽視。 為推行照明降耗，全世界各國家和地區(qū)都根據(jù)自身需求制定了多項法律法規(guī)。如歐洲出臺的指導(dǎo)性規(guī)范包括EuP（Eco-design Requirements

16、for Energy-using Products Directive，歐盟用能產(chǎn)品生態(tài)設(shè)計框架指令7, 8），EPBD（Energy Performance of Buildings Directive9，建筑能效指令10, 11）等，都屬于強制性法令。美國也獨立推行了EPAct（ Energy Policy Act，能源政策法案），EISA（Energy Independence and Security Act，能源獨立與安全法案）及ARRA（American Recovery and Reinvestment Act，美國復(fù)蘇與再投資法案）等6要求。南非04年頒布能源策略，計劃在201

17、2年之前，將政府建筑內(nèi)的白熾燈全部替換為節(jié)能燈，同時，到2014年實現(xiàn)政府建筑節(jié)能25%的目標(biāo)。而我國也配合公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)3，在照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)12中，通過對不同建筑、房間類型中的LPD（照明功率密度）和工作面照度的規(guī)定，為照明節(jié)能提供了設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以實現(xiàn)十一五計劃中單位GDP能耗降低20%的目標(biāo)。此外，現(xiàn)在隨著節(jié)能燈（緊湊型熒光燈）、LED燈等的普及、燈具和鎮(zhèn)流器的發(fā)展，通過提高轉(zhuǎn)化效率來實現(xiàn)照明降耗的同濟大學(xué) 碩士學(xué)位論文 上海地區(qū)照明控制策略對建筑能耗的影響 2 措施和技術(shù)已被廣泛實施并取得良好效果。而采用適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)來實現(xiàn)照明降耗，由于初期投資較高，系統(tǒng)形式較為復(fù)雜，其應(yīng)用受到限制。 由

18、此可見，在建筑節(jié)能領(lǐng)域，采用適當(dāng)方式進行照明節(jié)能無疑是一個重要方面。綜合考慮各種建筑類型，公共建筑由于管理集中，節(jié)能潛力大，受到廣泛關(guān)注。作為公共建筑的主要類型之一，辦公建筑在建筑總面積中占有相當(dāng)高的比例。據(jù)不完全統(tǒng)計13，平均每年新增辦公樓面積在全國各地各不相同，如上海和北京約40萬50萬m2，廣州約為3035萬m2，深圳約為20萬m2。相應(yīng)的，辦公建筑消耗的能量也逐年迅速上升。所以，不同的照明控制策略在辦公建筑中節(jié)能效果如何，建筑其他部分能耗如空調(diào)采暖能耗會受到這些策略什么樣的影響，這些策略對于建筑整體節(jié)能意義何在，又是否具有實用性，就成為亟待回答的問題。 1.2 研究現(xiàn)狀 現(xiàn)在，生活中常

19、用的照明形式主要還是已有一百多年歷史的白熾燈，而辦公建筑中，熒光燈占絕對優(yōu)勢。照明能效最受關(guān)注的因素包括：能量轉(zhuǎn)換效率，日光利用，照明獨立控制，光照質(zhì)量，全生命周期的排放及總成本6。而多項調(diào)查結(jié)果表明，提高照明能效是一種經(jīng)濟性很高的二氧化碳減排方法，是節(jié)能潛力最大的領(lǐng)域之一14。這些照明節(jié)能措施最多的采用見于發(fā)展中國家，其次是其經(jīng)濟處于過渡期的國家，最后是工業(yè)化國家6。 要確定不同照明控制模式的區(qū)別，或比較不同建筑設(shè)計方案下某種控制模式的適用性，最好的方法當(dāng)然是做實驗。然而在建筑設(shè)計階段，這種實驗條件是不可能滿足的，再加上照明能耗的影響因素非常多，因此，光環(huán)境模擬軟件應(yīng)運而生。用于靜態(tài)模擬的較

20、流行的軟件有： Radiance、由Radiance衍生的Desktop Radiance（RD）、Ecotect、AGi32和Dialux等，Adeline15可用于自然采光計算；Daysim可進行動態(tài)模擬；、EnergyPlus、DOE2、TRNSYS和IES等，可用于建筑能耗的綜合模擬。這些軟件中采用的光照模型包括光線跟蹤、光能傳遞和幾何計算等。為統(tǒng)一自然光比較標(biāo)準(zhǔn)，國際照明委員會（CIE，International Commission on Illumination）確定了15種通用標(biāo)準(zhǔn)天空模型，常用的有均勻天空模型（Intermediate Sky）、全陰天模型（Overcast

21、Sky）、晴天模型（Clear Sky）和Perez全氣象條件天空模型（Perez All Weather Sky）等。其中，最后一種的天空亮度分布更為真實，可以根據(jù)直散射輻照度和其他相關(guān)數(shù)據(jù)計算天空亮度，從而獲得全年動態(tài)自然光數(shù)據(jù)，彌補了傳統(tǒng)模型只能針對特定天氣情況的缺陷16。由于建筑與系統(tǒng)的的影響因素眾多，且在實際工程完成前只能進行預(yù)測，所以關(guān)于人工照明、自然采光以及建筑總能耗的研究中，很大比例的成果是基于模擬結(jié)第1章 引言 3 果得到的。值得一提的是，在動態(tài)模擬軟件Daysim中，不僅對全年動態(tài)條件有比較好的覆蓋，還定義了主動與被動式行為，將人對遮陽、照明的控制行為模式也結(jié)合到了照明能耗

22、模擬計算中17。然而，這些工具在實際的工程中應(yīng)用范圍仍然較小。以新加坡為例，只有25%的建筑公司采用照明或采光模擬軟件；而針對美、加、德三國187名設(shè)計員、工程師和研究人員的網(wǎng)絡(luò)調(diào)查表明，其中只有134人在考慮自然采光的同時還使用了模擬軟件進行結(jié)果預(yù)測18。 雖然增加智能照明控制，如根據(jù)自然光調(diào)節(jié)人工照明，對建筑節(jié)能應(yīng)該是有利的，但現(xiàn)今在辦公建筑中對這種系統(tǒng)的使用率還很低。阻礙其發(fā)展的原因之一，就是缺少確定控制方式節(jié)能潛力的計算工具，或者存在這種工具，但其使用起來非常復(fù)雜。比如前面提到的各種模擬軟件，無論采用哪種光照模型，隨著計算精度和輸出結(jié)果（圖像/數(shù)字，人工照明/自然采光）方面要求的提高，

23、都會增加輸入?yún)?shù)，延長計算時間。因此，不同照明控制方式的經(jīng)濟性很難在項目初期就得到確定。針對這個問題，很多研究者致力于簡易評估方法的開發(fā)。Moncef Krarti2等人根據(jù)模擬結(jié)果整理出一個簡化的評價公式，以室外照度水平、室內(nèi)照度設(shè)定值、日光控制方式、窗戶透光率和面積、外區(qū)面積和房間面積為輸入，即可得出一個房間內(nèi)采用日光控制的節(jié)能潛力，即全年采光滿足率（DA，Daylight Autonomy）或稱為“全自然采光時間百分比”。經(jīng)模擬和實際驗證，這種簡易計算法絕對誤差在0.5%以內(nèi)。類似的，余瓊等19以上述自然采光滿足率為評價標(biāo)準(zhǔn)，用詳細模擬軟件回歸分析，擬合出該值計算的經(jīng)驗公式，從而建立模型

24、，用于建筑方案設(shè)計階段對使用基于自然光控制的照明系統(tǒng)能耗進行預(yù)測。 另一方面，由于照明能耗本身和建筑采光設(shè)計對采暖、空調(diào)能耗也有影響，所以如何平衡它們間的關(guān)系，降低建筑總能耗，學(xué)者們也進行了相關(guān)研究。文獻19中即提到了建筑設(shè)計參數(shù)對總能耗的影響與照明控制方式有關(guān)。Christelle Franzetti20等人分析了建筑和系統(tǒng)中各要素之間的關(guān)系，比較其對建筑總能耗的影響后，認為窗地面積比是其中最敏感的因子。文獻21, 22指出，照明密度對于建筑能耗的影響和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件關(guān)系十分密切。在上海所處的夏熱冬冷地區(qū)，其全年能耗對照明密度的敏感度比其他城市要高出許多，即照明能耗下降可導(dǎo)致建筑能耗較大幅度

25、降低。香港城市大學(xué)D.H.W. Li、J.C. Lam等人對能耗預(yù)測進行了一系列研究 21-33，他們使用CA-SIS和LIGHT先模擬室內(nèi)單獨使用日光照明時的亮度情況，再在特定照明控制方法下，如恒光照明控制，計算所需要的逐時照明功率；然后結(jié)合建筑熱特性，預(yù)測建筑總體能耗值22。由于對室內(nèi)照度模擬的精度較高，預(yù)測結(jié)果較為可信。在香港地區(qū)，自然光控制的調(diào)光照明系統(tǒng)可節(jié)約30%以上的照明電耗29，降低空調(diào)峰值負荷，節(jié)約設(shè)備初投資33，且在照度設(shè)定值較低時，僅用開關(guān)控制即可實現(xiàn)節(jié)能29。鑒于建筑負荷成因的復(fù)雜同濟大學(xué) 碩士學(xué)位論文 上海地區(qū)照明控制策略對建筑能耗的影響 4 性，自上世紀九十年代Par

26、k等人34提出用ANN（artificial neural network，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）預(yù)測電網(wǎng)負荷的方法后，便出現(xiàn)很多關(guān)于用類似方法預(yù)測建筑負荷的研究成果。Aydinalp Merih35和Wong S L36分別針對住宅和辦公建筑，挑選建筑能耗最敏感的幾個因子，包括建筑參數(shù)，天氣參數(shù)和建筑內(nèi)的電器應(yīng)用等，建立了建筑整體能耗預(yù)測模型，可分別輸出建筑總能耗，采暖、制冷能耗和照明能耗。但這些模型都需要大量數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，才能輸出較準(zhǔn)確的預(yù)測值。 綜上所述，關(guān)于自然采光和照明能耗間的關(guān)系主要通過模擬來確定，仍缺乏一定的實測數(shù)據(jù)支持。同時，在能耗預(yù)測模型的訓(xùn)練中，也需要這些數(shù)據(jù)的輸入。所以，本文旨在

27、獲取實驗數(shù)據(jù)，最終為工程應(yīng)用提供支持，為不同的建筑類型或房間使用方式中照明控制策略的選擇提供依據(jù)。 1.3 論文的研究目的及主要內(nèi)容 1.3.1 研究目的 本文的研究目的是：通過實驗的方法，獲得具體數(shù)據(jù)，用其進行智能照明控制系統(tǒng)的不同策略在辦公建筑中的節(jié)能作用的比較，最終確定直接導(dǎo)致的照明降耗和建筑總能耗（主要是空調(diào)和采暖）受到的影響。 1.3.2 主要內(nèi)容 分析辦公建筑的照明節(jié)能潛力，如日光的可利用度，人員的行為模式，原有照明控制等； 智能照明控制實驗臺搭建； 對不同照明控制策略的節(jié)電效果進行實驗，并比較各個情況下的照度水平； 建立實驗臺所在辦公室的建筑模型，利用實驗數(shù)據(jù)作為輸入，采用模擬

28、的方法，分析不同照明控制策略對建筑各分項能耗的影響。 1.3.3 技術(shù)路線與結(jié)構(gòu)框架 根據(jù)上述內(nèi)容和研究目的，確定本文技術(shù)路線，如圖 1-1所示： 第1章 引言 5 圖 1-1全文技術(shù)路線圖 第2章 照明控制與能耗綜述 7 第2章 照明控制與能耗綜述 本章為全文的理論基礎(chǔ)概述，在簡介照明控制方式和策略的基礎(chǔ)上，分析關(guān)鍵因子，如日光、人員行為等，對不同控制方式效果的影響。 2.1 控制方式 由于全文所涉及系統(tǒng)均位于辦公建筑內(nèi)，所以這里所指的控制方式也以辦公室適用的方式為主。照明的自動控制方式主要包括37通斷控制和調(diào)光控制。按照控制的信號種類，可分為日光控制、時間控制、來人探測控制、場景控制等。將

29、不同的控制方式進行組合，可形成不同的控制策略。圖 2-1為銳高公司的一項調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果37，辦公室內(nèi)采用不同照明控制策略，節(jié)能效果不盡相同。圖中綠色部分代表節(jié)能率。以高頻電子鎮(zhèn)流器的使用作為比較基準(zhǔn)，使用電感鎮(zhèn)流器會使照明能耗增加30%，如紅色柱形所示。而使用日光控制高頻電子鎮(zhèn)流器調(diào)光，結(jié)合來人探測和手動調(diào)光是最節(jié)能的控制方式，可節(jié)約照明能耗約75%。 圖 2-1辦公室不同照明策略節(jié)能百分比37 2.1.1 時間表控制（schedule control） 描述：預(yù)先設(shè)置亮燈或滅燈的時間，更常見于路燈等公共區(qū)域的照明控制，+30%-25%-50%-60%-75%020406080100120140

30、%電感鎮(zhèn)流器（固定輸出）高頻電子鎮(zhèn)流器（固定輸出）調(diào)光式高頻電子鎮(zhèn)流器（手動調(diào)光）調(diào)光式高頻電子鎮(zhèn)流器（來人探測+手動調(diào)光）調(diào)光式高頻電子鎮(zhèn)流器（日光控制調(diào)光）調(diào)光式高頻電子鎮(zhèn)流器（日光控制調(diào)光+來人探測+手動調(diào)光）同濟大學(xué) 碩士學(xué)位論文 上海地區(qū)照明控制策略對建筑能耗的影響 8 辦公室照明也可以采用。 這種控制方式既簡單又有效，是很容易實現(xiàn)的一種基于節(jié)能考慮的控制方式。但缺點是忽視了使用者主動控制的需求，不夠靈活。在預(yù)設(shè)的亮燈時間之外，可能無法滿足室內(nèi)人員對照明的需求。不需要安裝傳感器，任何有定時功能的控制裝置都可實現(xiàn)。 2.1.2 人員探測/來人探測控制（occupancy detecti

31、on/ motion sensor） 描述：開燈信號為人員在室，關(guān)燈信號為人員離室。開燈或關(guān)燈動作可同時或選擇其一依據(jù)人員信號來控制。 無人時關(guān)燈的控制模式，可以有效防止人員離室卻忘記關(guān)燈情況下的電能浪費。常見于走廊等公共交通區(qū)域，也可應(yīng)用于辦公室照明。通常“來人開燈”為即時性動作，而“無人關(guān)燈”是延遲性動作。原因是大部分實際傳感器都只能判斷運動的人員這一動態(tài)信號，但人員靜坐這一信號難以檢測。所以，延遲關(guān)燈可以減少光源的頻繁啟停，延遲光源壽命，提高使用者的舒適性。 由于必須加裝相應(yīng)的傳感器，所以初投資較高。且可能造成照明電路的頻繁通斷，所以控制策略和系統(tǒng)設(shè)計需特別注意，如延遲時間的確定等。這一

32、點是這種控制方法的一個難點，可以利用時間序列的方法進行預(yù)測38。 2.1.3 日光相關(guān)控制(daylight linked control) 描述：可以為開關(guān)或調(diào)光控制，在日照充足時，關(guān)閉全部或部分光源，或者調(diào)暗燈光；日照不足時，開啟部分或全部光源，或者調(diào)亮燈光。辦公室內(nèi)通常以照度為恒控指標(biāo)。在對視覺環(huán)境要求高的場所，還有亮度控制，以人工光源的補充來減小自然采光引起的過大的亮度差異。這種亮度控制在普通辦公室內(nèi)涉及較少，本章節(jié)內(nèi)便不再贅述。 日光相關(guān)的控制方式旨在利用免費的自然光，降低人工照明平均用電量（調(diào)光控制）或運行時長（開關(guān)控制）。在采光充足的建筑中尤其適用，節(jié)能潛力很大。但由于必須配備相

33、應(yīng)的照度傳感器和控制器，在調(diào)光控制時，還需要合適的可調(diào)光鎮(zhèn)流器，投資較高，所以其經(jīng)濟性需在項目初期即加以考察。這就必須用到光環(huán)境模擬或建筑能耗模擬等相關(guān)軟件對其進行預(yù)評估。當(dāng)然，這些額外工作也會增加投資。 這種控制方式的節(jié)能效果的影響因素來自多方面，首先是建筑本體，包括遮陽設(shè)施、采光性能等。由該方式的節(jié)能原理也可得知，凡是影響自然采光的因素，第2章 照明控制與能耗綜述 9 都同樣是影響它節(jié)能潛力的因素。所以在下一節(jié)將具體討論自然采光與照明節(jié)能之間的關(guān)系。其次，對它的影響還來自控制設(shè)置本身。比如桌面設(shè)定的照度值不同，選擇開關(guān)控制和調(diào)光控制帶來的節(jié)能量就非常不一樣。以香港某個安裝了照度傳感器的教室

34、為例，當(dāng)所需照度值較低時（該實驗中低于150lux）采用開關(guān)控制方式反而有更好的節(jié)能效果29，如圖2-2所示。由此可見，在某些情況下，可以采用開關(guān)控制這種更經(jīng)濟的方式實現(xiàn)節(jié)能潛力最大化。 通過采用調(diào)光方式對日光進行利用時，模擬結(jié)果表明，人工照明用電量可減少20%到70%39。 圖 2-2 開關(guān)控制和調(diào)光控制方式下照明節(jié)能量29 實際工程中，由于室內(nèi)安裝的控制用傳感器只能檢測到人工照明和自然采光共同作用下的混合照度，所以很難實現(xiàn)照度充足時關(guān)閉照明的控制方法。這個問題可以通過模糊算法40以及自適應(yīng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)41的幫助來解決。 2.2 自然采光 對自然光的有效利用，在調(diào)光控制和日光傳感器發(fā)展日趨成

35、熟的今天，不失為一種值得推薦的照明節(jié)能設(shè)計方向。照明環(huán)境，尤其是白天，通常由自然采光和人工照明共同形成。自然光通過各種透光介質(zhì)直接對室內(nèi)照度起作用，而人工照明首先輸入建筑的是電能，然后才轉(zhuǎn)化為可見光，為室內(nèi)照明做出貢獻（見圖 2-3）。所以，自然采光的利用有以下優(yōu)點： 同濟大學(xué) 碩士學(xué)位論文 上海地區(qū)照明控制策略對建筑能耗的影響 10 圖 2-3電能和自然光到照明的轉(zhuǎn)化過程6 可以減少室內(nèi)人工照明得熱，降低室內(nèi)暖通空調(diào)系統(tǒng)的制冷負荷，進而減小制冷設(shè)備的運行費用。對制冷負荷遠大于加熱負荷的建筑十分有效。 削減商業(yè)建筑白天，特別是午后的電力負荷高峰。 增加使用者滿意度并提高工作效率42。 優(yōu)化不同

36、照明控制策略的節(jié)能效果43。如圖 2-4所示，不同控制方式下，建筑總能耗隨天窗面積比的變化而變化，并存在一個峰值。當(dāng)實際建筑的天窗面積符合峰值所示情況時，總能耗最低。 圖 2-4天窗面積比例對不同照明控制策略節(jié)能率的影響43 建筑本身如何影響自然采光，用什么指標(biāo)可以判斷日光相關(guān)控制的節(jié)能潛力，如何協(xié)調(diào)采光和照明的控制，都是本節(jié)需要討論的問題。 窗戶 電能輸入 控制器 光源 燈具 第2章 照明控制與能耗綜述 11 2.2.1 自然采光利用 2.2.1.1 采光窗設(shè)計 從位置上，可將常見采光設(shè)計分為兩類，即頂部采光（或稱天窗采光），側(cè)向采光（或稱側(cè)窗采光）和中庭采光等44。 （1） 頂部采光 優(yōu)點

37、是，光線自上而下，有利于獲得較為充足與均勻的室外光線，光效果自然宜人，在現(xiàn)代建筑設(shè)計和室內(nèi)設(shè)計中經(jīng)常采用。但缺點是在直射陽光和輻射熱的問題上有所不足，前者會對工作效率產(chǎn)生不利影響；后者則需要加強通風(fēng)以解決夏日悶熱現(xiàn)象。 天窗采光系統(tǒng)根據(jù)開窗形狀可分為矩形天窗、鋸齒形天窗、橫向天窗、井形天窗和平天窗等類型。其中平天窗在公共建筑中應(yīng)用較為廣泛，如果使用合理，是使光線進入房間的最有效的方法。天窗通常布置成網(wǎng)格狀，天窗之間的距離大約為地面到頂棚平面距離的15倍。最佳天窗窗地比可以從5到10或更高，具體數(shù)值根據(jù)玻璃的透射率、天窗設(shè)計的效率、需要的照度水平和頂棚的高度以及房間是否有機械空調(diào)系統(tǒng)而變化。大多

38、數(shù)平天窗需要散射玻璃以控制太陽輻射，所以無法看到外面。 （2） 側(cè)向采光 側(cè)窗采光系統(tǒng)是在房間的一側(cè)或兩側(cè)上開采光口，是最常用的一種采光系統(tǒng)。光線具有明確的方向性，有利于形成陰影，并可通過它看到室外風(fēng)景，擴大視野。主要缺點是照度分布不均勻，靠近窗戶的地方照度大，從窗戶往里照度下降很快。一般房間的窗洞上口至房間深處的連線與地面所成的角度不小于26度，則可以保證自然光在房間進深方向的均勻性。高側(cè)窗可以看作側(cè)窗的特例，是一種非常好的使日光深入內(nèi)部空間的方法。除了房間進深影響光線的均勻以外，建筑物的間距、窗戶的面積、分布及形狀都會影響房間的照度和均勻程度。 （3） 中庭采光 中庭最大的貢獻在于提供了優(yōu)

39、良的光線和射入到平面進深最遠處的可能性，使得進深較大的建筑能夠自然采光，本身則成為一個自然光的收集器和分配器。而庭院、天井和建筑凹口等都可以看作中庭的特殊形式。 中庭的采光除了考慮直射光外，更主要的是光線在中庭內(nèi)部界面反射形成的第二次或第三次漫反射光。中庭起了一個“光通道”的作用，面向使用空間的開口就是這條光通道的出口處，這條光通道四周的墻體決定了這一光線的強弱，以及有多少光線可照到中庭底部和進入建筑物底層房間的內(nèi)部。 同濟大學(xué) 碩士學(xué)位論文 上海地區(qū)照明控制策略對建筑能耗的影響 12 從單個窗的形式和輔助設(shè)施方面，又可分為帶反射擋光板的采光窗，陽光凹井采光窗，水平遮陽百葉，采光高窗，棱鏡窗，薄膜采光窗等。舉例如下： （1） 帶反射擋光板的采光窗 這是大面積側(cè)面采光最常用的一種采光窗。這種窗的優(yōu)點是能有效地把陽光反射到室內(nèi)深處，提高靠內(nèi)墻部位的照度，同時也起到降低靠窗口部位亮度，使整個室內(nèi)光線分布更加均勻的作用。 （2） 陽光凹井采光窗 這是一種接收由頂部或高側(cè)窗入射的太陽光的比較有效的采光窗。陽光凹井分南向和北向兩種。在一個內(nèi)部可反射光的豎井上部或頂部開采光口，和擋光板采光窗一樣將直射陽光經(jīng)過反射轉(zhuǎn)變成間接光。 （3） 水平遮陽百葉 可以把太陽光直射到天花板上