超低能耗办公建筑开放办公室照明设计研究

赵瑞轩，刘 洁

(1.中国科学院大学，北京 100049；2.中国科学院软件研究所，北京 100190；3.北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

引言

响应“碳达峰、碳中和”目标，绿色建筑早已从示范性应用变为强制性条款，不断降低建筑能耗、提升建筑能效、推动建筑迈向超低能耗、近零能耗和零能耗是建筑节能领域的中长期发展目标。

控制能耗并不等于牺牲舒适度，根据《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》,“要坚持以人为本，满足人民群众对建筑舒适性、健康性不断提高的要求，使广大人民群众切实体验到发展成果”。依靠智能化手段，以数据为驱动，落地系统按需提供，实现在同一空间内满足超低能耗办公建筑+健康建筑[1]。

据有关统计，办公建筑的照明能耗约占总建筑能耗的10%～30%，以开放办公室为主的新建写字楼能耗高于传统小开间办公室，不同办公建筑的照明能耗水平可以达到8倍以上[2]。随着办公方式的改变，开放办公室在办公楼的占比逐年提高，因此开敞办公的照明节能对办公建筑的节能减排尤为重要[3]。

1 建筑特点及需求分析

1.1 超低能耗办公建筑特点

超低能耗办公建筑关注在除建筑办公设备(如办公用计算机、投影机等)以外的能源消耗，此类建筑的供暖、空调和照明一次能源消耗量与满足《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2015)的参照建筑相比，相对节能率应达到50%以上。

1.2 超低能耗办公建筑对照明的需求分析

现有建筑技术手段对供暖、空调和照明无法达到相同的节能率。即使配置高性能围护结构，避免建筑热桥，空调能耗的削减也有限。因此，对夏季需空调系统制冷的地区，超低能耗办公建筑对照明能耗的节能率应达到70%以上，需最大化地利用自然采光。

1.3 健康建筑的特点

健康建筑指在满足建筑功能的基础上，为建筑使用者提供更加健康的环境、设施和服务，促进建筑使用者身心健康、实现健康性能提升的建筑。国内外针对健康建筑均已颁布各类相关的评价方法，无外乎都从以下几个维度出发：建筑空间、建筑材料、建筑设备、企业管理、周边环境；其中建筑设备相关的内容有：空气、水、光、热舒适、声环境等等。

1.4 健康建筑对照明的需求分析

健康的光环境是从满足使用人视觉功能需求、非视觉需求两方面考虑。满足视觉需求考虑视觉功能、视觉舒适、视觉疲劳的影响；满足非视觉功能考虑人体昼夜节律、警觉性、认知行为等影响[4]。

1.5 超低能耗建筑与健康建筑的结合点

超低能耗建筑重在“结果”，从水电气热计量仪表中体现节能。健康建筑着眼点在“舒适”，从人工光源质量、充足且适度的照度、使用者个性化需求、昼夜节律照明控制等层面满足健康需求。在硬件品质靠拢健康建筑；硬件能耗指标执行超低能耗建筑；在照明运行过程中，采用按需提供、精准控制的策略，实现超低能耗建筑与健康建筑的结合。

2 技术路线

实现超低能耗建筑首要是控制照明系统的能耗。影响照明系统能耗的因素很多(图1)，建筑的窗墙比、室外气象参数、窗帘状态、人员行为、照明功率、灯具布置形式、灯具控制方式等。常规技术路线采用软件仿真，配合离散性传感器实测、阶段性能耗对比，定量揭示各种因素对能耗的影响，无法有效地实时检测各个因素、设备的动态变化过程。相应，也无法对系统的运行状态进行有效的监管，无法实现准确控制。

图1 影响照明能耗因素Fig.1 Factors affecting lighting energy consumption

由于影响照明系统能耗的数据通常封闭在不同的系统内、不同的系统由独立供货商提供，导致各个系统的数据无法共享。针对目前工程中的弊端，笔者搭建了智能化集成平台，以数据中台的模式，对各个系统进行实时监控；以数据为驱动，控制灯具运行，实现超低能耗办公建筑的运行目标[5]。

3 应用实践

3.1 项目概述

项目位于北京市西城区，作为办公建筑，地下1层，地上12层，总建筑面积8651.9 m2，其中地上建筑面积7 690 m2。项目建成于1985年，于2000年进行过一次改造。

3.2 改造目标

此次改造的目标是绿色环保、以人为本、智慧高效；改造标准是既有建筑绿色三星级、健康建筑三星级、LEED铂金级、WELL铂金级、超低能耗办公建筑(现已获得既有建筑绿色三星、LEED铂金、超低能耗办公建筑认证；被中国电力技术市场协会综合智慧能源专业委员会评定为“综合智慧能源优秀示范项目案例”)。

3.3 仿真模拟

采用Ecotect软件，充分分析建筑日照的相关效果，确定建筑遮阳和照明的相关控制策略，优化建筑节能措施利用效果。部分仿真结果如图2所示。

图2 夏至日(6月22日)10时日照阴影情况Fig.2 Sunshine shadow condition at 10 o’clock on summer solstice (June 22)

南向、东向、西向日照时数较长，需采取遮阳措施。由于开放办公空间，为建筑的南向和东向，因此这两个方向设置电动外遮阳，西向采用固定外遮阳及手动内遮阳。

3.4 照明系统方案

(1)系统概述。

照明系统的节能通常从光源选择、灯具布置、照明控制三个方面考虑。照明系统光源均采用LED光源。办公区照明灯具完全结合办公工位布置。照明系统控制方案充分考虑了能耗控制、以人为本、成本控制。在人员使用频率较少的机房区设置就地开关；卫生间设置自带延时开关灯具；人员使用频率高、有场景变化需求的办公空间、会议室、走廊采用智能照明控制系统进行集中控制管理；就地设置智能面板满足使用人的个性化需求。

(2)灯具设计及布局。

开敞办公灯具吊装于办公桌正上方，每个工位对应一套灯具，灯具角度垂直于外窗布置，布局如图3所示。开敞办公区人员长期使用电脑办公，电脑屏幕本身为发光体，对照度要求不高，因此将照明标准定为300 lx。使用电脑时，人眼的视线为斜向上，对眩光控制要求高。为满足上述要求，在开敞办公区域，创新性地采用双向LED可调光照明一体化灯具，每套灯具内设置2个DALI控制器；利用DALI控制器的特性每套灯具向上、向下出光可独立调光控制，灯具构造如图4所示。

充分考虑环境照明配合工位照明的应用场景。向上照明的光源作为主光源，主要用于点亮整个办公环境。单独打开时，满足桌面照度300 lx，符合环境照明需求。上照灯LED光源配合透明扣板，最大化利用LED光源高发光效率；无遮挡的上照灯光线照射至办公室天花，经二次反射后，照亮桌面，规避LED高眩光的缺点。向下照明的光源作为辅助光源，用于满足使用人的个性化照明，当使单独开启时，满足桌面照度200 lx。灯具硬件配置方案见表1、照度计算见表2。

由于充分采用LED光源，因此实际安装灯具功率密度值远低于国家相关规范。

(3)灯具控制方案。

在能耗管理上，办公区的灯具控制采取“人员在位+桌面照度”两个控制条件，对灯光进行实时控制(表3)。即当“使用人在工位办公”且“桌面照度低于300 lx”时，开启上照灯。上照灯开启后，不会采用全开模式，而是采用从外窗向内侧逐级递减的模式，充分利用室外自然光，实现自动恒照度控制。如使用人认为环境照明不符合要求，则可手动调节对应自己工位的下照明，调节局部照明，满足使用人的个性化需求。当每组工位两侧人员感应器探测到区域无人时，自动关闭本组工位对应的灯光。

图3 开敞办公灯具布局图Fig.3 Open office lamp layout

图4 开敞办公灯具构造图Fig.4 Open office lamp structure drawing

3.5 电动遮阳系统

为在控制眩光的同时，降低外围护结构传导系数，项目采用电动外遮阳系统。 在屋顶设置室外光照强度探测器，系统根据室外光照强度，对每一套电动遮阳进行实时控制。当太阳辐射强度>240 kcal/(m2·h)、阳光照射室内深度>0.5 m时，自动下降电动遮阳。电动遮阳采用百叶形式，当遮阳下降时，百叶角度垂直于太阳光线直射角度，避免太阳眩光干扰。

表1 灯具硬件配置方案

3.6 智慧建筑操作系统

按上述控制模式运行后，发现系统不能完全达到预期效果，主要问题如下：

表2 照度计算表

表3 灯具控制方案

1)控制精度不足：同一个探测器需要控制两组灯具，即每组灯光只有当两侧的探测器均探测器到人员不在工位时，方可关灯。但智能照明控制系统无法支持多项“与”逻辑编译。

2)实测照度不准：不同的探测器对应的开窗面积、开窗方向不同，因此探测精度偏移较大，智能照明控制系统无法对探测数值进行修正。

3)部分业主入住后，提高了照度标准，传统的智能照明控制系统对业主的修改需要专业工程师进行重新调试。

4)项目旁边有其他楼宇，在某些太阳高度角时，部分外窗会在阴影下，但常规投资系统不支持模型导入及计算。

5)智能照明控制系统、电动遮阳系统、屋顶气象站系统的数据仅支持单一数据的展示，无法实现各类数据的汇聚、分析、可视化。

为解决上述问题，项目采用智慧建筑操作系统，系统打破了各个系统的信息孤岛，基于物联网架构，连接建筑内的系统、设备设施，搭建一个开放共享的平台，实现数据汇集、互联，提供能源管理，安全管理、可视应用等功能。系统的特点是采用实时数据驱动逻辑控制，集成多维度的数据及场景，采用自动运行的模式，最大化地降低运维的人为操作。通过实时数据与原设计模拟进行对标，保障建筑的运维工况与设计分析保持一致。

3.7 运行效果

搭建智慧建筑操作系统后，连通智能照明控制系统、电动遮阳控制系统、屋顶气象站监测系统、电力监控系统，结合建筑BIM模型，加入实时太阳高度角及周边建筑的BIM模型，根据室外气候、人员行为、工作模式，自动控制建筑外维护结构系统(电动遮阳系统)、照明系统。将各个机电系统的历史数据、实时数据进行数据处理和数据分析，并将分析结果用于修正控制逻辑，在充分满足使用人需求的前提下，最大程度地节约系统整体能耗(图5)。

图5 灯具与传感器布局及控制方式Fig.5 Lighting and sensor layout and control mode

根据人员行为、自然光条件，精准控制灯具运行方式：仅当办公工位旁有人员活动、实时照度不满足设定照度时，工位上照灯自动开启；当办公工位两侧的人员均离开时，工位上照灯及下照灯自动关闭。

图6中每组上照灯的外侧、中部、内侧实时光通量由三种不同颜色表示；背景两种颜色分别表示灯具两侧是否有人员活动。当两侧均没有人员活动时，背景颜色变为白色。由图6可知，办公工位两侧人员离开时，灯具将立刻自动关闭。

图7中体现的是灯具两侧的实时照度数值，曲线两种颜色，分别为两个独立光照探测器的实时照度值。同时对比图6和图7中数据可知，当自然光照度超过300 lx时，上照灯将全部自动关闭，充分利用自然光；当自然光不足时，上照灯将以从外往里的梯度光通量逐渐增加。通过运行的可视化，符合了实际运行逻辑与设计方案一致。

当智慧建筑操作系统后，灯具能耗相比单一系统控制节能17%。对标《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2015)的参照建筑，按超低能耗办公建筑运行工况，本项目照明实际能耗数据节能率达到74.58%，如图9所示。

图9中照明能耗数据包含了环境照明及个性化照明。在人员工作时，环境照明最低满足300 lx，个别工位根据使用人的个性化要求达到500～800 lx。通过能耗曲线可知，智慧建筑操作系统的实时监控，满足了超低能耗建筑的能耗要求及个性化要求的双重指标。

图6 2021年5月17日 某组上照灯光通量及人员在位24 h历史数据Fig.6 May 17 2021，up lighting group and personnel sensor data in 24-hour

图7 2021年5月17日 照度探测器 24 h历史数据Fig.7 May 17 2021，illuminance detector data in 24-hour

图8 单一系统控制与智慧建筑操作系统控制的能耗对比图Fig.8 Energy consumption comparison diagram of single system control and intelligent building operating system control

图9 智慧建筑操作系统控制与参考建筑能耗对比图Fig.9 Comparison diagram of intelligent building operating system control and reference building energy consumption

4 结束语

根据相关部门统计，建筑的运维费用占建筑全生命周期费用的70%。但大多数项目在实际运行时，无法达到原有设计指标，越来越复杂的系统总用电量越高、绿色建筑耗能高、智能建筑不智慧。“不断降低建筑能耗、提升建筑能效和利用可再生能源、推动建筑迈向超低能耗、近零能耗和零能耗”是建筑节能领域的中长期发展目标，我国各级政府也对超低能耗办公建筑给予极大的支持。但降低能耗不应通过技术堆砌、提升投资、累加分值来简单粗暴的设计，不能依赖牺牲使用人的舒适性降低系统能耗，否则可能大幅度提升初次投资，增加运维难度，造成市场的抵触。不应过度采用主动式节能系统，应采取“被动为主，主动优化”的方案。应根据建筑所处的地域特征、周围环境，通过前期多维度的计算、评估、模拟验证，各个专业整体设计、核准、优化修正，充分落实系统性设计，深化控制方案，落实设计思想实际落地，控制综合投资。为保障设计阶段的控制逻辑能切实有效地延申至运维阶段，应在超低能耗办公建筑工程中设置智能化集成平台，确保系统数据的可用性、可视性，不让超低能耗办公建筑、健康建筑停留于“设计蓝图”。基于智慧建筑操作系统为设计、运维人员提供的巨大空间，本文现阶段仅探讨照明系统的应用效果，后续将对其他系统进行更深入的研究。