利用簡單工具對一個典型辦公大樓照明系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行關(guān)于日光照明和人工照明的能量分析

利用簡單工具對一個典型辦公大樓照明系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行關(guān)于日光照明和人工照明的能量分析內(nèi)容摘要現(xiàn)今社會，能源欠缺和碳排放量是所有國家都正在面臨的要緊挑戰(zhàn)。要解決那個問題有很多方式，能夠通過在許多領(lǐng)域節(jié)約能源來實現(xiàn)。照明被普遍應(yīng)用在許多領(lǐng)域，其中之一確實是被用來提高能源利用效率從而減少能源消耗。在這篇文章中，迪拜一座典型的辦公大樓被用于分析考慮。本文的第一部份對有效利用自然采光為一座辦公大樓來提高能源效率進(jìn)行了報告。本研究利用威盧克斯日光可視化工具2進(jìn)行仿真，對仿真結(jié)果具體討論。研究說明，在迪拜，一個理想辦公空間有足夠的潛能來獲取自然光并減少人工照明的需要。在第二部份中，人工照明被用來補(bǔ)充自然采光,以知足所需的照明標(biāo)準(zhǔn)。德國專業(yè)照明設(shè)計軟件版本照明向?qū)к浖糜谠O(shè)計和評估關(guān)于同一個辦公空間，通過應(yīng)用不同種類的燈具，人工照明打算和其相似的照明能力，評估結(jié)果被重點突出。其造成的阻礙也被進(jìn)行了研究。對暖通系統(tǒng)利用自然采光和人工照明造成的阻礙也被用來調(diào)查和重點突出。關(guān)鍵字人工照明，熒光燈，發(fā)光二極管（LED）介紹能源消耗是工程師、科學(xué)家和決策者們在全世界討論中的一個要緊關(guān)注點。照明是住宅和商業(yè)建筑能源消耗的要緊因素之一。天天，每一個國家對能源消耗的需求都在不斷增加，因此，有一個提高能源效率的研究需求。在迪拜，和世界其他國家一樣，在辦公樓中，盡管自然采光存在著普遍的應(yīng)用，用作功能性和裝飾性目的的人工照明仍占總的電能消耗中相當(dāng)大的一部份。在少數(shù)建筑物中存在一個很嚴(yán)重的問題，那確實是過度照明和后續(xù)的本錢效益。這些本錢能夠通過利用一些照明策略而大大的降低，例如照明操縱系統(tǒng)來有效的獲取日光來用作室內(nèi)照明目的。因此，照明現(xiàn)在代表了能源消耗中專門大的一部份，而且受到了大量的關(guān)注，尤其是在辦公大樓的利用中。本文的要緊目標(biāo)是探討在辦公大樓中優(yōu)化日光照明利用的可能性而且通過利用人工照明的同時限制其對冷負(fù)荷的阻礙從而減少能源消耗。最終目標(biāo)是實現(xiàn)節(jié)能照明系統(tǒng)設(shè)計。降低照明能源消耗是大樓所有者、政府和公用事業(yè)所關(guān)切的要緊問題。一份由Nicol，WilsonandChiancarella(2006,pp.802–813)所作出的研究說明，照明是居民樓和商業(yè)樓中最大的能源消耗者。另一份由Ryckaertet.al.(2020,pp.341-347)所作出的研究表明室內(nèi)照明設(shè)備耗能占電能消耗總量的5–15%。政府、公用事業(yè)和所有其他構(gòu)建利益相關(guān)者已經(jīng)開始實施策略，那確實是采納高效節(jié)能照明源來替代現(xiàn)有的照明。在本文中，在中東地域迪拜的一座典型辦公空間被用來分析，目的是找到不同策略的平穩(wěn)點，這能夠用來減少電氣照明消耗。在對照傳統(tǒng)照明燈具例如熒光燈和LED(發(fā)光二極管)，為了用來充分利用日光照明的研究中，大樓的建設(shè)方向和本地的氣候條件都被加入考慮當(dāng)中。本錢分析對每一個技術(shù)都進(jìn)行了探討。本研究能夠在其他建筑物在那個區(qū)域中的進(jìn)一步驗證頂用作基線。所分析利用的辦公大樓的建筑布局別離如圖1和圖2所示。大樓共有六層。每層樓有12間長米寬5米的辦公室。圖1.地板上的布局圖2.典型辦公室布局方式中東地域的迪拜位于波斯灣，在阿拉伯聯(lián)合酋長國的東北部。迪拜的氣候由于其接近北回歸線而一般是溫暖且晴朗的。由于北回歸線穿過阿拉伯聯(lián)合酋長國，迪拜的氣候在一年中的大部份時候都是酷熱和潮濕的。偶然有陣雨，但并非會持續(xù)很長時刻。若是下雨的話，大部份會發(fā)生在冬季，以短時刻持續(xù)降雨和偶然的雷暴的形式發(fā)生。在沿海地域，濕度超過90%，但是迪拜一年的平均降水量只有5天。夏日是超級酷熱、多風(fēng)和干燥的。迪拜氣象局網(wǎng)站顯示，迪拜已經(jīng)記錄的平均高溫為40℃(104F)，晚間氣溫低點約為30℃(86°F)，迪拜地域最高氣溫記錄在2021年7月27日為49℃(119°F)。冬季通常很涼爽，可是短時期內(nèi)能達(dá)到平均23℃(73°F)高溫，隔夜低點達(dá)到14℃(57F)。建筑物的方向是優(yōu)化建筑物的能源性能的要緊因素。關(guān)于迪拜來講，有建議建筑物被設(shè)計成東西軸線的，如此與任安在南北兩個方向上的玻璃窗都能補(bǔ)充適當(dāng)?shù)年幱昂脱９獠倏v。考慮到從太陽輻射而取得的高溫體驗，遮光是在阿拉伯聯(lián)合酋長國的另一個重要方面。遮光是通過一系列的策略，例如種植大型樹木，建筑集群，或在其他陰影特點中逼近或取代窗戶而實現(xiàn)的?？刹僮鞯恼陉栐O(shè)備通過改變?nèi)~片材質(zhì)來提供許諾通風(fēng)和日光照明進(jìn)入室內(nèi)空間的靈活性，而不許諾取得任何直接熱能。外觀的選擇，建筑物的方向?qū)⒃陬A(yù)測建筑物熱增益中起到相當(dāng)重要的作用。利用威盧克斯日光照明可視化工具軟件進(jìn)行日光照明仿真威盧克斯日光可視化工具2仿真軟件是用來依照建筑的方向來評估照度水平（勒克斯）的。本部份中假設(shè)沒有由于臨近的樹木或高層建筑而產(chǎn)生的外部陰影。這款軟件用來評估日光照明條件而且在以后提供有價值的輸入給一個有效、綜合的日光照明策略的進(jìn)展。模擬輸入圖3.辦公室空間布局日期—本次評估于2021年3月21日春分和9月21日秋分時實施。辦公空間尺寸—長：米，高：4米，寬：5米，衡宇面積平方米，墻面積30平方米窗戶—在建筑物正面有兩扇窗戶。窗戶高：米，窗戶寬：米，窗戶面積：平方米，窗戶總面積×平方米，窗墻面積比：，窗口地板面積比：，距地高度：米，透射率：位置—迪拜經(jīng)度°，緯度°建筑物方向—順時針250度可見光透射率—圖3顯示了辦公空間，它的3D視圖在圖4中顯示。圖4.辦公空間布局的3D視圖仿真結(jié)果從威盧克斯中取得的在春分/秋分（3月21日/9月21日）正午12點晴朗天空條件下的日光照明結(jié)果在圖5-8中顯示。衡宇裝備工程師學(xué)會照明法典建議在一般辦公室中維持500勒克斯的照度。圖5.3月21日正午12點的照度水平（轉(zhuǎn)角：312度，傾斜：-15，高度：米，焦距：22毫米）圖6.9月21日正午12點的照度水平（轉(zhuǎn)角：312度，傾斜：-15，高度：米，焦距：22毫米）圖7.3月21日正午12點照度水平剖視圖（高度米）圖8.9月21日正午12點照度水平剖視圖（高度米）仿真的結(jié)果用來對已選擇例如辦公空間利用綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)(LEED日光)最正確日光進(jìn)行分析。裝配玻璃的邊緣照明視圖座落在離地面米至米（窗臺高度）的窗戶被以為是視覺窗戶。模擬進(jìn)程中窗戶擬為距地面米?？梢姽馔高^率可見光透射率(VT，tvi或VLT)是一種說明可見光傳播數(shù)量的光學(xué)屬性。大多數(shù)可見光透射率的值都在和之間。值越高，傳播的光量越多。高可見光透射率是尋求日光最大化，可是在最優(yōu)平穩(wěn)中應(yīng)將可能的眩光問題考慮進(jìn)去。在這次設(shè)計中，可見光透射率為，這是在可同意范圍內(nèi)的。玻璃系數(shù)玻璃系數(shù)是在已知陰天條件下給定平面上給定的點(一般是工作平面)室內(nèi)照度與室外照度的比值。玻璃系數(shù)要求是最小值的2%超過按期利用區(qū)域的75%。表1總結(jié)了計算結(jié)果。玻璃系數(shù)=｛｝（1）=表1.玻璃系數(shù)電子表格空間名稱空間面積（平方米）裝配玻璃的邊緣日光照明裝配玻璃的邊緣照明視圖玻璃系數(shù)面積（平方米）可見光透射率面積（平方米）可見光透射率辦公室03.59%所占據(jù)空間的總地板面積=（一個區(qū)域的辦公空間×12）+會議室面積+行政辦公室面積平方米（2）地板表面總面積=715平方米計算空間有3.59%的玻璃的百分比為78.8%。從圖5看出3月21日正午12點最小照度為勒克斯，從圖6看出9月21日正午12點最小照度為勒克斯。從結(jié)果中能夠很清楚的看出，3.59%的玻璃系數(shù)達(dá)到了常常被利用面積的78.8%,遠(yuǎn)高于2%常常利用面積的75%的最低要求。這已經(jīng)達(dá)到了勒克斯的最低日光照明水平。照明邊緣區(qū)域提出設(shè)計中照明邊緣區(qū)域的值應(yīng)知足綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)LEED要求（0.150<窗戶地板面積比×可見光透視率）。窗戶地板面積比=，可見光透視率=因此從上述結(jié)果中能夠很清楚的看出提出的建議知足要求。天空有效角天空角是從辦公室空間中接收到的沒有受到阻礙的日光數(shù)量。咱們假設(shè)在那個時期沒有障礙物。因此，有效的天空角為90度。采光系數(shù)采光系數(shù)(DF)是一種用于量化可用空間中日光數(shù)量的氣宇。它被在一個標(biāo)準(zhǔn)化的CIE陰天，工作平面高度上測量。采光系數(shù)由公式（3）給出。DF=(Ein/Eext)×100(3)Ein：定點工作平面的室內(nèi)照度。Eext：陰天時的室外照度。一個房間的平均采光系數(shù)是一個在工作平面高度延伸穿過房間的傳感器的平均采光系數(shù)值。依照英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會BS8206第二部份，空間平均采光系數(shù)在2%和5%之間被以為是充沛的，白天需要很少或不需要額外的照明。采光系數(shù)小于2%的空間會顯現(xiàn)昏暗的現(xiàn)象。威盧克斯在陰天條件下模擬日光的因素別離為圖9和圖10所示。表2對結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)。D遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于D值是因為它的值取在窗戶周圍。假設(shè)D是能夠的因為為了加倍準(zhǔn)確，它需要考慮遠(yuǎn)離窗口的空間。圖9.3月21日正午12點陰暗條件下的采光系數(shù)圖10.9月21日正午12點陰暗條件下的采光系數(shù)表2采光系數(shù)結(jié)果3月21日正午12點9月21日正午12點D=20.4(DF最大值)D=20.2(DF最大值)D=1.7(DF最小值)D=1.7(DF最小值)D=5.3(DF平均值)D=5.27(DF平均值)D=2.94(面積75%的DF平均值)D=2.92(面積75%的DF平均值)窗墻比（WWR）側(cè)光空間所需的最小窗墻比由公式4給出。WWR>0.088xDFx90°/（skyangle）(4)建議DF最小值為2%，假設(shè)天空角度為90度，辦公空間的窗墻比為。因此由上述計算可知關(guān)于一個側(cè)光空間，數(shù)值為的窗墻比知足條件。尺寸約束--日光一致性/限制深度這是日光照度水平在空間中均勻下降的距離。限制深度能夠由公式（5）計算。限制深度=(5)Rmean=平均地表反射率(地板，墻面，天花板=0.84)，W=墻寬（米），H=窗高（米）。限制深度=米深度比限制深度低的空間別離顯示了自然光的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。依照計算，最大限制深度為米，而建議辦公室深度為5米。因此，從仿真結(jié)果很明顯的看出，因為其符合所需的標(biāo)準(zhǔn)，因此辦公空間設(shè)計是理想的照明。它的目的不僅是收成的一天照明，還提供住戶室內(nèi)空間和室外通過采光和視野引入常常利用區(qū)域的建筑物之間的連接。模擬室內(nèi)照明本節(jié)討論用人工照明來補(bǔ)充所選辦公空間照明。DIALux光向?qū)к浖糜诜治隼脽晒鉄艉蚅ED燈具的室內(nèi)照明方案。假設(shè)辦公室在正常辦公時刻（上午9點至下午5點）被限制利用人工照明而沒有利用自然光。依照標(biāo)準(zhǔn)，在分析中每間辦公室利用500勒克斯的照度水平。選用以下發(fā)光體進(jìn)行分析，因為它們有相似的照明能力：熒光發(fā)光體-TL50005506/236/6/EB圖11.熒光發(fā)光體辦公室空間通過利用通用電氣照明熒光燈TL50005506/236/6/EB進(jìn)行照明。圖12顯示了照明燈具的極值。圖13顯示熒光發(fā)光體TL50005506/236/6/EB的DIALux仿真結(jié)果。圖12.燈具極值圖13.熒光燈具仿真結(jié)果從結(jié)果中能夠很明顯的看出，需要12件設(shè)備來知足辦公空間所需要的500勒克斯的照度要求。LED發(fā)光體辦公空間通過利用LED燈ENDOGXLX7009W進(jìn)行照明。圖15顯示了照明燈的極值。圖16顯示了DIALux的LED發(fā)光體仿真結(jié)果。功率為125W,光通量是6279流明。圖14.LED燈具圖15.LED燈的極值圖16.LED仿真結(jié)果從結(jié)果中能夠很明顯的看出，需要6件設(shè)備來知足辦公空間所需要的500勒克斯的照度要求。運(yùn)算機(jī)模擬的兩種辦公空間照明水平通過利用DIAlux照明向?qū)к浖〉?，結(jié)果在表3中做了總結(jié)。假設(shè)平安系數(shù)為。2021年6月23日，迪拜的電價和燃油附加費(fèi)別離為23fils/kWh和6fils/kWh。這些值用來進(jìn)行計算，結(jié)果列在表3中。表3.DIALux仿真結(jié)果總結(jié)內(nèi)容熒光燈具LED燈具需要的燈具數(shù)量126平均照度—EAVE624lux505lux最小照度—EMIN376lux279lux最大照度—EMAX807lux656lux平均系數(shù)—EMIN/EAVE平均系數(shù)—EMIN/EMAX辦公空間所有燈具總光通量804Klum辦公空間一個月所有燈具的總功率消耗186kWh單個辦公空間年度能源成本單個辦公空間年度能量成本133AED年度總開銷結(jié)果和結(jié)論中東地域迪拜的一座典型辦公空間被用于分析，以此來找到不同策略的平穩(wěn)點，而且能夠用來減少電氣照明能耗。利用威盧克斯日光照明可視化工具2軟件分析有效利用自然采光時，建筑方向和本地氣候條件被加入考慮中，以后常規(guī)照明例如熒光燈和LED燈將進(jìn)行比較研究。辦公空間被設(shè)計來知足在迪拜地域一天的采光照度需求。它的目的不僅是收成的一天照明，還提供住戶室內(nèi)空間和室外通過采光和視野引入常常利用區(qū)域的建筑物之間的連接。從威盧克斯仿真結(jié)果中很明顯的看出，辦公空間設(shè)計是理想的照明，因為它符合所需的標(biāo)準(zhǔn)。DIAlux光向?qū)к浖怯糜诜治鐾瑫r利用熒光燈和LED燈的室內(nèi)照明方案的。若是在整個工作時刻的室內(nèi)照明中只利用熒光燈具，單個辦公空間每一年的運(yùn)營本錢將約為745.65AED(阿拉伯聯(lián)合酋長國，迪拉姆)。每層有12間辦公室，這讓本錢約為8950AED（大約）。若是利用LED燈具，運(yùn)營本錢將約為646.36AED，單層樓年度本錢約為7756AED（大約）。單層樓中這兩種費(fèi)用的差是1194AE