室内工作光环境控制与节能研究

蔡汉源

摘要:文章从建筑本身的光环境着手,依据智能控制和节能环保的原则,提出了自然采光和人工照明相结合的光环境节能优化控制的方法。

关键词:智能建筑;光环境;节能

中图分类号:TU113文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)22-0132-02

舒适环保、高效节能一直是照明科技发展的主线,世界各国研究人员从不同角度做了深入细致的研究。大量的研究结论表明,良好的室内光环境对人的工作效率和心理状态都会产生积极的影响。如何将智能控制和节能环保合理得结合在一起,文章针对如何搭配自然光环境和人工光环境,从而创造一个节能舒适的室内工作场所光环境,提出了一种新型的光环境节能优化控制的方法,对这方面进行了论述。

1 概述

{1}研究背景。智能建筑光环境可分为自然光环境和人工光环境,前者通过建筑空间、形体上开口,将自然光引入建筑物内部所形成,后者由建筑物内部经照明设计所形成[1]。

办公环境内人体的舒适度很大程度上取决于室内工作光环境,就照度水平来说,人眼存在着一个最佳亮度,视野中如果存在不适宜的亮度分布,或在空间或时间上存在极端的亮度比较,会导致视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件,这就是我们通常说的眩光。反之,如果长期在照度不足的光环境下工作,不仅会降低工作效率,还会损伤视力。

{2}问题的提出。室内办公照明主要是满足办公需要,往往会出现各式各样的问题,比如配光不合理、光源与灯具使用不当、光环境气氛欠佳等等。而室内照明浪费主要表现在“长明灯”问题。“长明灯”可以分为两种情况:一是晚上的“长明灯”,主要表现为晚上忘记关灯;二是白天的“长明灯”,主要表现在上班时,自然光照不足,需要人工照明进行补光,但随着室外自然光线的加强,在能满足办公需要的时候,人们往往忽视及时关灯,造成白天的“长明灯”现象。

针对第一种现象,我们可以通过智能控制系统的定时模块对整体的照明设备进行总控,在固定的时间段内切断所有办公区域的照明,从而杜绝夜晚“长明灯”的现象。针对第二种现象,如何通过智能控制,测定室外光照强度,调节百叶窗角度和人工照明补光控制,合理得分配自然光与人工光照的比例,创造一个舒适的室内工作的光环境,同时又最大限度得减少照明耗能,针对这一问题文章将做细致的阐述。

2 室内工作光环境控制

2.1简介

建筑内部自然光水平取决于建筑外部天空亮度,单纯从照明的能量消耗角度来考虑,最大化得利用自然光照是最节能的方式。在早晚阳光属于散射的条件下,可以使用这种方式。但是,当阳光属于直射条件下,就要考虑的眩光的问题,避免在视野中某—局部地方出现过高的亮度而造成视觉疲劳。

同时,长时间的低照度也会对人的视觉造成伤害,在阴天光照不足的自然光环境下,充分利用自然光仍不能达到室内光照度要求时,就需要对室内光环境进行人工补光,主要是通过人工照明,那么应如何合理得搭配自然光和人工补光的比例呢?

2.2光环境控制

2.2.1硬件

自然光照的强度取决于诸多因素,例如建筑物所在的纬度、季节导致的太阳方位角变化以及建筑墙面对自然光线的反射指数等等。对室内光环境的控制基于自然光照强度,针对这种需求,应该在建筑物南北两侧,即向阳和背阴面设置照度传感器,根据照度测量值来控制百叶窗的角度调节。

人工补光的重要性集中体现在自然光照不能满足光环境需求,或者为避免眩光需要对室内光照需要进行补光时。从智能控制和减少能耗的角度出发,灯具的设计应与侧窗平行,人工光照的硬件设计主要应注意灯具选择。照明的能耗主要集中在光源上,照明系统的光源选择目标在于选择高效节能的光源,即每瓦输出的光通量高的光源,除此之外还要综合考虑光源显色指数,平均寿命等因素。结合室内工作光环境的具体需求,可以看出对于办公室、教室和会议室等工作场所,适宜采用紧凑型荧光灯。同时作为电光源的“生力军”,LED灯也因其发光效率、能耗等优点逐渐受到建筑照明业者的推崇。

另外室内照明开关所控制的光源数不宜过多,应充分考虑节能需要和管理的灵活性。

2.2.2控制方式

当太阳光处于直射条件下,照度传感器的主要目标在于通过照度测量值,计算出百叶窗在保证避免眩光以及能耗最低的前提下允许的百叶窗的最大开度;在光照度为弱和早晚光照属于漫反射时,即不存在眩光情况下,直接将百叶窗角度全开,以满足室内光环境需要。在自然光照度处于上限与下限之间是,根据测定的光照度,调整百叶窗角度,同时配合人工补光。以冬至日正午上海地区(北纬31.4°)为例,冬至日太阳直射南纬23°26′,换算成度数为北纬23.43°,此时正午太阳高度角:90°-(23.43°+ 31.4°)=35.17°。

对于自然采光时百叶窗的偏转角度的问题,近年来许多学者提出了许多不同的计算方法。其中有通过模糊控制器来计算百叶窗最大角度,即输入照度传感器测定的自然光照度、太阳高度角以及太阳方位角,使用模糊控制器计算输出百叶窗的最佳角度[2]。

对于人工补光,人工光源在满足室内办公环境的同时,应该充分考虑节能环保的可能性,搭配红外移动感应器使用,当感应器检测到无人时,应关闭人工光源或者调节灯具的亮度低于某一初始值,使室内能耗降到最低。

由于自然光照在室内工作环境内分布不均,即在近窗处照度往往比室内较深处的强度要大。因此,出于减少能耗的考虑,将灯具设置为调光模式,灯具智能控制应按照与侧窗平行,工程上表现为在ETS中为每个平行的灯具组设置一个编码地址,即调节近窗处灯具的亮度相对较小,依次递增,充分利用自然光又减少能耗。

与此同时,除了能够根据百叶窗翻转的角度进行补光外,室内工作场所内的人工光源,应该能够同时通过智能控制系统设置场景,满足各种模式下的照明需要。比如一间会议室,应该根据不要的场景要求,如迎宾、会议、演讲、讨论和会场清理等等模式,并且对人工光源进行不同的亮度设置。

2.2.3人工智能在室内光环境控制中的应用

到目前为止,我们所讨论的控制理念还只局限于自动化,而非智能化。也就是说,我们预先有这样的一个知识库,在某个自然光照强度下,对应了特定的百叶窗偏转角度和人工补光的照度,但是这样的一个知识库的初始化往往是因时因地而异,而且工程量浩大。在工程上表现为,对于每个回路和灯具的状态编程的工作量是非常大的,而且考虑到纬度和地理的因素,对于不同地区建筑的可移植性也是很差的。

智能建筑的控制理念在于,我们希望通过,当当前问题的解不符合需要,人工修正得到一个新的解的时候,系统能够修正当前知识库,进行一个学习的过程。通过这样的方式,我们只需要对室内光环境,包括百叶窗和人工光源在内的各个控制单元进行一次状态编制,把它作为求解问题的起点,通过不断地适应性修正,并更新知识库,得到问题的最优解。

3结语

节能降耗是一项系统工程,建筑照明节能更是其中的一个重要环节。文章提出的室内光环境节能优化控制方案,改变了传统照明控制系统中独立的,本地的,局部的特点,协调了自然光照和人工光照,有效控制了照明系统的能耗,达到真正节能的目的。

建筑节能就是要在保证和提高建筑舒适度的条件下,合理使用能源,不断提高能源利用效率。我国大型的公共建筑单位能耗大约是普通居民建筑的10倍左右,而大型公共建筑主要是智能建筑,因此智能建筑的节能潜力非常巨大。

参考文献

[1]Randall McMullan.张振南,李溯译.建筑环境学[M].北京:机械工业出版社,2003.

[2]吴洲.室内光环境节能优化控制研究[J].建筑节能,2009,(2).