天然采光与人工照明相结合的教室照明策略研究*

郑盛梅

衢州职业技术学院 信息工程学院，浙江 衢州 324000

0 引言

从中国的能源消费和碳排放现状来看，在资源禀赋的约束下，中国的能源结构仍然以化石能源为主。2019年，在能源消费中，中国煤炭消费占比57.5%，石油消费占比18.9%，天然气消费占比8.1%，化石能源消费总量占比接近85%。不断增长的能源需求及以化石能源为主的能源消费结构导致中国的二氧化碳排放较高。从不同行业的碳排放来看，作为一个高度工业化的国家，中国的碳排放主要集中于发电和工业端。要实现“碳中和”目标，一方面要大力开发绿色能源，另一方面要降低电耗[1]。

研究表明，建筑的能源消耗是全球能源总消耗的主要组成，根据相关能耗调查结果，建筑能耗占全球能耗的比重为40%左右。其中，照明用电是大型建筑不可忽略的一项能源消耗，占建筑总能耗的20%～40%。因此，降低照明系统的耗电量，对节能减排工作有十分重要的意义。太阳能作为一种清洁、无污染的可再生能源，在建筑照明智能化的大潮流中越来越受到重视。合理利用天然采光，能够减少建筑空间内人工照明的用电损耗，实现建筑节能。同时，适宜的天然光有利于提升人们的舒适感，可以舒缓心情、提高工作效率[2]。如何有效地将天然采光与人工照明相结合，节省人工照明的使用频次、使用时间或使用功率，成为各国专家学者的研究重点[3]。文章以一教室为例，具体阐述了如何将天然采光与人工照明相结合，以同时实现室内空间的均匀照明与能耗降低。

1 理论分析与仿真结果

文章选择的研究对象是位于衢州职业技术学院教学楼2楼的一个教室，教室的长、宽、高分别为6.5 m、8 m和3.2 m。根据《建筑照明设计标准》（GB 50034—2013）[4]第5.3.2条，普通教室的参考平面取0.75 m，照度标准值为500 lx。为了确定在没有天然采光的情况下，教室照明系统满足照明需求，文章选择CREE照明公司生产的600 mm×600 mm的LED平板灯具进行照明设计，其主要信息参数为色温4 000 K、光通量3 200 lm、灯具功率35 W。

照度的计算公式为

式中：E为工作面平均照度，lx；N为所需灯具数量，个；A为工作面面积，m2；Ф为光源光通量，lm；U为利用系数，与灯具的远程光强分布曲线有关，查灯具的规格书可知此款灯具U=0.7；K为灯具的维护系数，常取0.8。

由式（1）可得，房间内所需灯具数量为

通过计算可得N=14.5，取整数得到N=15。由DIALuxEvo仿真可以得到，在5行3列的布灯方式下，平均照度为536 lx，能够满足照度的要求。没有考虑天然采光时的教室工作面照度分布图如图1所示。

图1 没有天然采光时教室工作面的照度分布图（单位：lx）

在教室的侧墙（东面墙）上，有高为1.4 m的窗户贯通整个墙面。在7：00，天气晴朗的情况下，即使教室里不开灯，由于受到天然采光的影响，平均照度有773 lx，高于标准要求。考虑从窗户入射到教室的天然采光时，得到的教室工作面的照度分布图如图2所示。

图2 有天然采光时教室工作面的照度分布图（单位：lx）

根据图2，虽然教室工作面的平均照度高于标准要求，但是照度分布很不均匀（最高照度为1 349 lx，最低照度为342 lx），而且照度在平行侧窗的方向上基本均匀分布，在垂直侧窗的方向上随着距离侧窗的距离变远，照度越来越低。将工作面划分为靠窗区域、中间区域和靠墙区域3个区域，分别对应3列灯的照明区域，得到的照度分布图如图3所示。靠窗区域、中间区域、靠墙区域的平均照度分别为1 028 lx、728 lx和512 lx。

图3 教室工作面的分区照度分布图（单位：lx）

根据图3，由于受到天然采光的影响，靠墙区域即使在不开灯的情况下，照度也远高于照明标准的要求，容易造成眩光，给室内的人员带来不适，因此需要使用窗帘等遮光用具遮挡一部分天然光[5]；靠墙区域的照度满足照明标准的要求，但是如果窗帘遮挡了一部分天然光，靠墙区域的照度会低于照明标准的要求，需要使用一定的人工照明来进行补光[6]。

根据以上分析，在采用天然采光和人工照明相结合的照明策略后，对该教室在7：00，天气晴朗的情况下的照度分布进行重新模拟，得到在窗帘遮光指数为79%（遮挡面积占整个窗户面积的比例为79%）、靠窗灯具调光指数为0（灯具没有开启）、中间和靠墙区域调光指数为80%（实际功率为额定功率的80%）的情况下，靠窗区域、中间区域、靠墙区域的平均照度分别为543 lx、498 lx和482 lx，满足照明标准的要求。教室各个区域的照度分布图如图4所示。采用天然采光和人工照明相结合的照明策略，可以满足整个照明空间对恒照度的要求[7]。

图4 调整后的教室工作面的分区照度分布图（单位：lx）

由于自然光线变化较快，且供电的波动也会影响灯具的亮度，如果使用《建筑照明设计标准》（GB 50034—2013）规定的500 lx的照度标准值，在现实中难以通过调光设备实现精确的控制。因此，研究项目使用调光控制将工作面的照度控制在±10%偏差的范围内，即保证工作面照度始终保持在450～550 lx[8]。

采用天然采光和人工照明相结合的照明策略，利用DIALux Evo软件模拟了该教室在2021年3月1日（晴天），从6：00～19：00，达到各个区域的平均照度都是450～550 lx时，各个区域的灯具的调光情况和窗帘的遮挡情况，结果如表1所示。表1中只列出了6：00～19：00的调光指数，因为只有在这个时段内才存在天然光，灯具可以不用满功率运行；在其他的时段内没有天然光，灯具以100%的功率运行。在计算灯具一天的能耗时，需要以教室灯具的实际使用时间（8：00～22：00）来计算。

表1 灯具调光指数与窗帘遮光指数

2 能耗分析

对全人工照明及天然采光与人工照明相结合的照明策略下的照明能耗进行分析。当完全采用人工照明时，该教室需要采用15盏功率为35 W的LED灯具。假设一天中的开灯时间为8：00～22：00，则该教室1 d的电能消耗为

式中：P为单灯功率，W；N为灯具数量，个；t为每天的使用时间，h。

当采取天然采光与人工照明相结合的照明策略时，可以根据表1得到一天中的整点时刻的灯具的调光指数。虽然调光指数会实时根据外部光照条件调整，但是跟整点时刻的数值不会相差太大，因此以每个整点时刻的灯具功率作为接下来1 h内的灯具的平均功率。可以得到该教室1 d的电能消耗为

式中：Pi为灯具在i时刻的功率，W，i的取值范围为8：00～22：00；N为每个区域的灯具数量，此处的N为5；t为时间，h，此处的t为1；j为灯具分区控制的分区数，因为分为3个区域，j取值为1、2、3。

根据式（4）计算得到在天然采光与人工照明相结合的照明策略下的照明能耗为4.25 kW·h，对比完全依赖人工照明的用电能耗，电能的节约率为42%。

3 结论

文章的研究结果表明，采用天然采光与人工照明相结合的照明策略，不仅能够实现室内的均匀照明，给用户带来良好的照明体验，而且可以节约人工照明的能耗，为国家早日实现“碳达峰”和“碳中和”的目标作出贡献。