大開窗辦公建筑室內照明節能研究

許 楠，張紹煒，江南舟

(中科院建筑設計研究院有限公司，北京 100190)

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大開窗辦公建筑室內照明節能研究

許 楠，張紹煒，江南舟

(中科院建筑設計研究院有限公司，北京 100190)

以實例的形式，在滿足大開窗辦公建筑室內空間照明需求的基礎上，采用Relux對影響室內的天然采光特性進行定量分析。根據各個影響因素在室內天然光分布和節能中的影響，計算對比T5、LED、結合天然光的感應式LED單點控制照明系統的照明節能效果。數據顯示，采用天然光智能控制的設計節能對大開窗辦公空間系統整體節能中所發揮的實際效益十分可觀。

室內照明;辦公空間;智能控制;照明節能

本文針對玻璃幕墻為主形式的大開窗辦公建筑的室內照明進行模擬分析，探討在新的智能控制技術革新背景下采用新型照明設計方法對室內照明整體節能效果的影響程度。

1 目前辦公空間室內照明設計與節能面臨的主要問題

1.1 室內照明設計缺乏節能設計方法的關注，天然光與人工照明的結合應用極為落后

長期以來，設計者在室內照明設計過程中，只單純對人工照明進行模擬照度計算，不考慮天然光對室內光環境的影響，實際上是不科學的。設計者往往建立了一個假設前提，即在不受任何天然光的影響下，室內人工照明就達到《建筑照明設計標準》(GB 50034—2013)的照度標準值(見表1)。如一個辦公空間預期平均照度為300lx，那么僅僅布置的燈具全部正常開啟就能達到預期照度，但現實中建筑側窗采光而產生的大量的天然光射進室內空間，一天時間對室內亮度環境的影響很大，如果室內的燈具仍然常亮不變，會遠大于預期照度(300lx)，在過高的光照環境下作業，不僅浪費照明用電，而且還會對室內作業造成干擾，為了避免眩光與過高照度，人們常常不自覺的“拉著窗簾開著燈”，導致既不節能也不利于人的健康。如果能夠有效利用天然光，根本沒有必要在白天全程度(燈具全額開啟滿足300lx)開啟人工照明[1]。

而對于天然光，建設部 2006 年頒布的《辦公建筑設計規范》(JGJ 67—2006)中規定，辦公室、會議室宜有天然采光，采光系數的標準值應符合表2的規定。但是，表1、表2二者之間似乎沒有聯系，這使得在進行室內照明設計時不夠切合實際，割裂了人工光與天然光之間的有機聯系，忽略了二者之間的相互影響和幫助[2]。

表1 《建筑照明設計標準》GB 50034—2013辦公 建筑照明標準[3]Table 1 GB 50034—2013 office lighting standards

注：①*垂直照度不宜低于300lx； ②此表適用于所有類型建筑的辦公室照明。

表2 辦公建筑的采光系數最低值[4]Table 2 Daylight factor in office space

舊的問題、新的需求使得現代辦公建筑的光環境設計面臨新的挑戰，在無法改變建筑開窗形式和面積的條件下，大開窗建筑盡量優先利用天然光，減少人工照明、燈具使用量和開啟時間是非常必要的。但由于天然光的不穩定性，受天氣影響(晴朗、陰雨、霧霾等)、建筑開窗朝向、建筑空間等各方面因素影響，給基于天然光的人工照明設計帶來很大難度[5-6]。但不容否認，自然采光與人工照明各有利弊，未來的設計需要借助智能化控制和針對性的設計方案來將二者合理結合，這將是室內照明節能設計的必然發展方向。1.2 單純重視設備節能，忽視設計節能，缺乏對設備應用上的優化設計，照明節能流于其表

室內照明節能取決于兩方面：設備節能與設計節能。設備節能主要指采用節能型光源、采用電子鎮流器、采用照明節能控制設備[7]。而設計節能是通過系統性的照明設計、燈具合理布置與智能化手段去實現節約能源。當前， LED技術的進步與快速發展導致LED產品大量應用于室外照明、商業照明、室內照明中，但在照明節能中關注點多在“燈泡換燈泡”的簡單思維，而缺乏對在照明系統中的采取新型的節能設計方法，硬件上去了，軟件跟不上，僅僅替換光源是無法適應在新的辦公功能下人對光環境的更高需求，技術含量低，大大降低了整體節能效率。而設計節能的技術的關鍵點是進一步實現智能控制，即如何更充分的適應場景需求和有效結合天然光對室內人工照明進行實時的控制優化。

2 結合天然光的人工智能照明系統設計探索——以SOHO某辦公樓為例

為了研究結合天然光的照明設計對室內照明整體節能效果的影響程度，筆者選擇了一個小型玻璃幕墻辦公建筑——北京銀河SOHO某辦公樓不同照明方案進行模擬，對比節能效果。玻璃幕墻建筑是現代辦公建筑的常見類型，由于該類建筑采用玻璃幕作為外表皮形成了大開窗，能夠充分利用天然光，外部光線對室內照明的影響極大，而現實中室內人工照明又與天然采光結合不足，各成系統，所以該類建筑具有普遍代表性。

2.1 SOHO某辦公空間內的照明布置方式及照度模擬計算

SOHO某小型辦公樓作為模型，共四層，每層面積約1000平米，其外墻以玻璃幕為主，辦公空間呈弧形，由于四周均為玻璃幕采光，可以充分利用自然光。室內照明設計方案采用了常規的行列式的布燈方式，光源為 T5節能燈管，功率為14W/21W/28W，色溫為5000K。按照慣例，室內照明設計首先經排列布局燈具后，模擬計算照度、均勻度等。需強調的是，這種模擬計算是假設房間不受其他光(天然光)影響的。那么，按照如圖1～圖4排布的T5節能燈管經DIAlux模擬計算的結果是平均照度約300lx，達到辦公空間所要求的照度目標值(見表3，圖5～圖8)。

圖1 1F燈位布置圖Fig.1 1F Plan

圖2 2F燈位布置圖Fig.2 2F Plan表3 1F～4F照明DIAlux結果報告Table 3 1F～4F DIAlux Report

照明對象平均照度/lx最小照度/lx最大照度/lx最小照度/平均照度最小照度/最大照度1F工作面302794590.2630.1732F工作面300725640.2410.1283F工作面300725640.2410.1284F工作面302904710.2990.192

圖3 3F燈位布置圖Fig.3 3F Plan

圖4 4F燈位布置圖Fig.4 4F Plan

2.2 節能方案及對比分析

2.2.1 采用T5燈具的能耗情況

采用傳統的辦公照明常用的T5燈具(功率為14W/21W/28W)放置在空間中進行計算，得出該空間使用T5燈具，每小時能耗約為28.8kWh，一天(按9小時)的能耗約為259.5kWh。

圖5 1F照明DIAlux 報告-等照度圖Fig.5 1F DIAlux Report-Illuminance figure

圖6 2F 照明DIAlux 報告-等照度圖Fig.6 2F DIAlux Report- Illuminance figure

圖7 3F照明DIAlux 報告-等照度圖Fig.7 3F DIAlux Report- Illuminance figure

圖8 4F照明DIAlux 報告-等照度圖Fig.8 4F DIAlux Report- Illuminance figure

2.2.2 采用LED燈具的能耗情況

在滿足相同照度下，將T5燈具替換成LED燈具(功率為12W/19W/26W)，放置在空間中進行計算，每小時能耗約為26.6kWh，一天(按9小時)的能耗約為239.7kWh，比采用T5燈具節能7.6%。

2.2.3 基于自然光與人工光的實時互補照明的能耗情況(采用智能控制)

不論是選用T5還是LED，都是在沒有考慮到受室外天然光影響下的室內人工光照明效果。本節是在優先利用天然光模式的情況下，啟用人工照明并調光，由此對室內天然光照明和人工照明結合后發生的能耗變化，進行節能分析。

在對模型空間所處的地理位置的采光情況和一天乃至一年當中的太陽運動軌跡等因素后，利用RELUX可視化自然采光分析，根據相關時間點準確地模擬采光量，分析場地自然光可利用情況，得出LED燈具配合天然光智能控制系統的節能結果。

在目前使用的大多數的采光模擬程序中,通常采用CIE全陰天空亮度模型(CIE standard overcast sky)和全晴天空亮度模型(CIE standard clear sky),本次RELUX軟件模擬采用的是全陰天模型。全陰天是指天空全部被云層遮蓋的天氣。全陰天中室外天然光全部為天空擴散光，其天空亮度分布相對穩定。同時CIE全陰天模型也是天然光最不利條件下的情況。其他天氣情況下，自然采光效果都會比全陰天好。全陰天的日光特點是分布比較均勻[8]。

采光系數[9](daylight factor)，是用來衡量室內自然光照水平的一個數值，指在室內參考平面上的一點，由直接或間接地接收來自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而產生的照度與同一時刻該天空半球在室外無遮擋水平面上產生的天空漫射光照度之比。室內不同位置的采光系數會有明顯的差異。一般來說，室內采光系數達到2.5%就可以滿足基本的活動需要，如果要達到良好的自然采光效果，即滿足長時間工作的需求，那么采光系數最好達到5%以上。采光系數不足2%時，通常需要用人工照明來輔助照明。影響采光系數的因素很多，包括室外遮蔽物、窗戶的大小及位置、玻璃的可見光透射率，以及墻壁和室內家具的顏色。因此，一座建筑的采光系數，也反映了該建筑的整體設計質量。

本模型設置場地玻璃幕墻玻璃可見光透射率為45%，并考慮百葉遮陽等不同遮陽裝置對室內照度的影響。模擬計算得出場地采光情況見圖9。

地理數據： 北京

緯度：39.93°；經度：116.39°

平均采光系數Dav=2.28

圖9 場地采光情況計算結果Fig.9 Daylight factor data of office area

最小采光系數Dmin=0.44

最大采光系數Dmax=8.38

場地內不同位置具有不同的采光系數，即自然采光條件有差異。例如，場地內采光系數為6%的位置，全年工作時間內，93%的時間不需要采用人工照明，見表4：

表4 日光提供充足照明時間的百分比Table 4 Resulting data of daylight providing sufficient light level

注：①地理位置：北京 ②場地0.75m 水平面所需最低照度：300 lx ③每天工作時間：09:00—18:00；工休：12:00—13:30

根據表4，繪制出兩條采光系數的等值線，一條是采光系數值為1時場地內所有點的連線，另一條是值為2時點的連線。兩條等值線將場地劃分為三個區域，各區域理想情況下可節約燈具的能力見表5：

表5 各區域節能情況Table 5 Energy saving data of different zones

各區域范圍內的燈位情況見圖10～圖13：

圖10 一層平面采光系數等值圖Fig.10 1F Daylight condition

圖11 二層平面采光系數等值圖Fig.11 2F Daylight condition

圖12 三層平面采光系數等值圖Fig.12 3F Daylight condition

圖13 四層平面采光系數等值圖Fig.13 4F Daylight condition

與單純使用LED燈具的情況相比，每年結合天然光采光智能系統可節約的能耗詳見表6。

2.2.4 基于LED結合場景模式照明的能耗情況(采用智能控制)

本模式是在午休時間將辦公空間照度降低，大部分人會出行吃午飯或者散步，也會有人留在辦公室休息或上網，由于這個時段是非工作時間，辦公照明需求并不高，適當降低照度不僅不影響辦公活動，而且會使人放松，更符合實際中的人性化需求[10]。

通過人工智能照明控制系統，控制公共區亮度不變，降低午休時間辦公區的照度。將12：00—13:30辦公區燈具亮度降低50%，平均照度為150lx，滿足基本照明需要。正常開啟模式下，每小時耗能為26.6 kWh。取辦公區與公共區燈具能耗比例為8∶2，得出通過對午休時間辦公區燈具亮度的控制，照明系統與單純使用LED的情況相比每天節約能耗 15.9 kWh，節能率7.1%；同使用傳統T5節能燈方案相比，節能率11.1%。

表6 各區域LED燈具結合天然光智能控制后的節能情況Table 6 Result data of LED equipped with daylight control system in different zones

2.2.5 四種照明方案耗能情況的綜合比較(見表7)

經計算，該SOHO模型空間室內照明全年采用LED(12W/19W/26W)替換T5節能燈的節能率為 7.6%；采用LED+午休模式智能控制，即午休時間將辦公位水平照度降低50%，節能率為11.1%； LED+天然光智能控制每天9小時結合天然光感光系統，節能率17.1%。如果天然光模式與午休場景模式結合，那么節能率會超過20%。由此看出，通過實際模擬與計算求證出采用天然光智能控制的設計節能在大開窗辦公空間照明的節能率(17.1%)遠大于單純光源替換的節能率(7.6%)，在系統整體節能中所發揮的實際效益十分可觀。

表7 四種方案能耗比較Table 7 Different control plans comparison

盡管所采取的建筑模型具有特殊性，假設前提條件也會影響計算結果，如假設采用CIE全陰天模型(天然光最不利條件下)，假設玻璃窗的可見光透射率為45%，取值偏低(已經是很大程度的遮陽效果)，針對其他建筑的不同玻璃材質對光的透射或不同百葉遮陽裝置對室內照度的不同影響，而導致對計算結果的節能率都會有不同程度的影響，但其影響在一定幅度內，該類型建筑與辦公空間作為一個真實模型，具有一定的代表性。

3 總結

當前，LED技術的進步與快速發展導致LED產品大量應用于室外泛光照明、商業照明、室內照明中，但在照明節能中關注點多在替換光源，由于照明節能設計被很大程度忽視，普遍缺乏對室內照明人工光與天然光的結合與實時的智能控制，這種脫離新設計理念的單純替換LED，大大折損了整個系統節能效率，使很多節能改造流于形式。本文側重研究設計節能的作用，通過在已有模型下，將晝間天然光優先利用于室內照明，通過智能照明控制，實現人工照明作為天然光照明的補償，模擬計算結論證明系統能耗有明顯的降低，其節能程度遠大于單純替換LED光源。

綜上所述，設計節能是保障照明節能的首要步驟，應在照明節能改造過程中首先結合智能控制系統進行節能方法的設計，其次是節能光源的替換。但設計節能的前提是必須以場所的使用特性和人的活動規律來制定不同的設計策略，實現精準的智能化控制，這將是未來室內照明設計與節能的重點發展方向。影響室內照明質量有很多因素，除亮度、均勻性外還有眩光、色溫、顯色性、對人心理的影響等等，因此需要從多方面對后續工作開展研究和探討：(1)進一步加強室內照明評價指標的研究，通過研究各種照明指標對人生理與心理的影響，確立光環境舒適性的科學標準。(2)進一步針對更多的室內空間工作模式，探索滿足各種室內空間不同需求的特殊光環境，如會議模式、休眠模式等。(3)使用 LED智能控制系統進行照明設計方案時，將遮陽簾、空調等的智能調節也集成在本系統內同步控制，進一步達成更廣泛的辦公環境智能化與節能系統。(4)在后續工作中結合大數據可以加入天氣因素，根據光照度探測，確定當前的天氣情況，并自動切換到合適的控制策略。

[1] Athienitis A K, Tzempelikos A. A methodology for simulation of daylight room illuminancedistribution and light dimming for a room with a controlled shading device[J]. Solar Energy,2002,72(4): 271-281.

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[4] 中華人民共和國建設部.JGJ 67-89辦公建筑設計規范[S].北京:建設部標準定額研究所，1993.

[5] Francis Miguet, Dominique Groleau. A daylight simulation tool for urban and architecturalspaces-application to transmitted direct and diffuse light through glazing[J]. Building and Environment,2002,37(8-9):833-843.

[6] 張利.辦公室室內數字智能化LED照明光環境研究[D].北京:北京工業大學,2010.

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[9] 中華人民共和國建設部.GB 50033—2013建筑采光設計標準[S].北京:建設部標準定額研究所，2013.

[10] 劉煒.住宅人工照明光環境智能控制研究[D].重慶:重慶大學,2003.

簡 訊

◆ 2014年12月9日，“光繪中國——綠色照明跨越行：綠色照明工程設計及改造案例解析系列宣傳培訓活動”首場活動在北京舉辦，活動由“中國逐步淘汰白熾燈、加快推廣節能燈”項目辦公室、中國照明學會主辦。中國照明學會副理事長汪猛介紹了獲獎項目。

◆ 2014年12月15日，中國科協在北京人大會堂舉辦中國科協會員日暨第六屆“全國優秀科技工作者”頒獎大會，32名“全國優秀科技工作者”受到表彰。中國照明學會副理事長華樹明榮獲第六屆“全國優秀科技工作者”。

◆ 2014年12月17日，中國照明學會、國家半導體照明工程研發及產業聯盟(CSA)和中國節能協會聯合發布了半導體照明節能產業能效“領跑者”第一批產品名單。

◆ 2014年12月19日，由中國照明學會指導、中國照明網主辦、河南省洛陽市新安縣人民政府承辦的“中筑天佑杯·2014金手指獎”頒獎典禮在洛陽市舉行。洛陽市政府領導、新安縣政府領導，以及來自照明行業眾多專家學者、企業廠家代表、照明設計師、媒體代表400多人出席此次盛典。中國照明學會秘書長竇林平出席。

◆ 2014年12月20日，由中國照明學會主辦、中國照明學會半導體照明技術與應用專業委員會和中國LED照明產業網聯合承辦的2015“雷曼光電杯·中國LED首創獎”足球賽在深圳拉開帷幕。各球隊公司領導代表、協會領導、來自15支優秀球隊隊員、各球隊拉拉隊以及觀賽人員300余人參加了開幕式。

Energy Efficiency of Lighting Design in Office Space with Glass Fa?ades

Xu Nan, Zhang Shaowei, Jiang Nanzhou

(InstituteofArchitectureDesignandResearch,ChineseAcademyofScience，Beijing100190，China)

In this paper, it uses the professional lighting design software Relux to build a digital scene and analyzes various factors which affect daylight conditions of interior spaces. Based on the impacts which caused by the factors to the daylight distribution and energy saving, the lighting energy saving effects are calculated and compared among three lamps, such as the LEDs with intelligent daylight sensors, traditional T5 tubes and LEDs only. The findings from the stimulation show that intelligent daylight control system integrating with LEDs can greatly improve the effect of energy saving in office space which has big area of glass fa?ades.

interior lighting; office space; intelligent control; energy efficiency

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.006