恒定工作面水平照度的智能照明控制策略與節能研究

王 磊

(清華大學 建筑設計研究院有限公司，北京 100084)

0 引言

在照明設計中，采用基于工作面恒定水平照度的照明控制系統是創造良好光環境的一種手段。與普通手動控制相比，此種控制方式在滿足照度水平的同時，理論上還可以實現節能。

為了定量評估辦公建筑中采用智能照明控制所帶來的節能效果和達到最佳效果所需的照明策略。在文章中，筆者以參與設計的某辦公樓為實驗平臺，以采用基于數字式可尋址照明接口(DALI)的智能照明控制系統控制的照明燈具為實驗對象，對辦公空間在相應時間段的耗能指標和照明環境參數進行了測試和分析(見圖1)。

1 測試手段和過程

測試中選取了辦公樓12 層兩個相鄰房間進行比對，兩個房間結構和自然光采光條件差異較小，有利于排除控制模式之外的其他影響因素。

兩組使用功能相似的辦公室在照明配置上，一組為采用人工啟停無調光控制，另一組為基于工作面水平照度的智能照明調光系統自動控制。采取調光控制的辦公區采用DALI 控制器，房間內設光感應器，配合數字可尋址燈光鎮流器，實現室內熒光燈的單燈調節控制。

測試的方法為在多個時段，對辦公室的照明耗能進行計量，并測量本時段內房間的工作面實際照度，來判斷兩種方式的耗能差異和光環境差異。

圖1 房間照明設計圖

辦公室面積35 m2，設6 套三管T8 的18 W 格柵熒光燈，配置了DALI 的可調光鎮流器，房間設5 鍵照明控制器，設置了全開、全關、半開、智能控制、清掃5個模式。在房間吊頂安裝了紅外人體探測器和房間照度探測器，同時配置了窗簾控制器(未使用)。

實際測試目標房間的地面平均照度為360 lx，最大照度為380 lx，最低照度為275 lx。

經現場調試，一個房間設定的模式為全手動模式，4 個開關分別對應全開、全關、開靠窗三組燈、開靠門三組燈。其他控制模式被屏蔽，房間內照度控制器關閉。

圖2 不同輸出情況下的房間照片

對照房間設定為自動模式，2 個開關模式設定為智能開和全關，其他模式被屏蔽。

在2014年v4月7日和4月8日晚上7 點到9 點45 分，筆者對兩個房間的照明環境進行了持續測試，以5～10 min 為間隔，記錄兩個房間的4 個工作面水平照度，房間地面照度和窗口位置的水平照度。同時通過連接計算機上的智能儀表實時記錄了設置智能照明控制房間的電流值和功率，分析了房間內智能照明系統在室外自然光變化的過程中調節燈具輸出的過程(見圖2)。

2 測試結果與分析

智能照明控制系統的節能主要體現在減少不必要的高于照明標準的照明，從而減少能耗，即在室外自然光的強度不滿足使用要求時自動開啟人工照明進行補光，在室外自然光滿足照明使用要求時自動關閉人工照明。相對于需要手動控制的照明系統，智能照明控制一方面滿足了照明環境的照度一致性，另一方面在室外照明環境變化時提供了更節能的控制方式，在更適當的時刻開關燈具，也防止人為忘記關燈等過度照明問題。

本次實驗在4月8日黃昏時進行，表1 為僅有室外自然光的條件下，房間內照明情況，A，B，C，D 分別代表房間內4 個工作面上的水平照度值。

表1 無人工照明房間4 工作面水平照度值(lx)

圖3 無人工照明房間內4 工作面水平照度變化曲線

從表1 可以看出，房間內C，D 兩個工位靠近外窗，在白天時水平照度超過300 lx，不需要人工照明，A，B 兩個工位遠離外窗，照度明顯低于另兩個工位，8 ∶00 時太陽接近地平線，自然光強度降低，桌面照度水平在傍晚8 ∶00 到8 ∶20 太陽沒入地平線這段時間逐漸降低，在8 ∶20 到8 ∶40 這段時間顯著降低，其后，由于大氣層的散射，室外天光還會在一段時間維持一定強度，直至降至較低水平(見圖3)。

開啟了智能照明控制系統的對比房間，隨著室外亮度的降低，室內照明開啟，逐漸提高輸出，直至滿功率輸出(見圖4～6)。具體數據如表2 所示。

表2 開啟智能照明控制房間內4 工作面水平照度值(lx)

圖4 智能照明控制房間內4 工作面水平照度變化曲線

圖5 智能照明控制房間內燈具功率輸出百分數

圖6 智能照明控制房間內燈具功率輸出曲線

從表2 可以看出，房間照度隨時間慢慢降低，至8點32 分，現場的照度水平低于房間照度傳感器設置的啟動閾值，燈具開啟，光輸出慢慢增加，最終維持在380 lx 水平上。

由于房間探頭的閾值是在房間沒有安裝家具之前設定的，在放置家具后，改變了房間的自然光和人工光分布，光線的遮擋、反射都影響了房間內照度水平，因此，上述結果并不完全代表智能照明的節能效果。由于A，B 兩個工位在燈具開啟之前已經低至75 lx，不能滿足閱讀的基本要求，故房間的使用者以臺燈作為重點照明工具，這已經違背了采用智能照明控制的初衷，因此測試得出的數據并不具有準確的參考價值。房間內設置了兩個亮度傳感器，更準確的方式應該根據距外窗的距離分別控制房間內兩行燈具。另外其設置的閾值也應該在家具布置好以后按照房間桌面的照度設置，以反映房間內的實際情況。

靠近外窗的C，D 兩個工位的情況相對滿足桌面照度的要求。實際房間測試能耗的數據除以2 后就可以反映C，D 工位的能耗情況。A，B 工位的照度因遠離外窗，家具遮擋，其需要照明的時間更長，其節能計算的數據也應有所不同。

C，D 功率輸出曲線線性化后可分為3 個階段。

T0—T1:太陽的下緣與地平線交匯前10 min。

T1—T2:T1到太陽的上緣交匯于地平線，持續時間約為5 min。

T2—T3:大約20 min，室外自然光下降到10 lx以下。

分析此時間段，如果采用手動控制，在T0時間點開啟人工照明，在T0到T3這段時間，由于過度照明，導致與智能照明控制系統相比，手動控制系統消耗了更多的電能。

對于智能照明控制系統，消耗的電能為圖6 中功率曲線對時間的積分，根據儀表的記錄數據，在T0到T3這段時間，房間C，D 兩個工位消耗電能見表3。

表3 C，D 兩個工位的能耗(kWh)

從表3 可以得出，在T0到T3這段時間，采用智能照明系統后的能耗是手動全開模式的72.8%。這個結果的前提是手動模式在T0時立刻開啟，而且其基數為T0到T3的35 min。如果房間燈具的工作時間為3 h，那么能耗的差異為5%，如果房間燈具的工作時間為5 h，那么能耗的差異只有3%，工作時間越長，兩者的差異越小。

3 小 結

在智能照明控制空間內的照明能耗取決于以下幾個因素:

1)空間接收自然光的時間和強度，體現在設計中為采光條件和外窗參數;

2)空間所處的地理位置所決定的日出和日落的轉換時間，這體現為工程所在的地理位置、經緯度、當地天氣情況、云量多少、空氣污染的情況等;

3)工作時間與自然光不滿足照度水平時間的交集長短，體現為房間的布局、家具的布置;

4)控制系統的控制策略設置，這與控制方式中調節輸出的步長、延時時間、傳感器精度、運算的方式有關;

5)工作場所的控制照度水平與房間的使用功能，采用的光源、燈具形式有關。

總之，智能照明控制系統最主要的功能是提高照明環境舒適性和方便性，以最低照度為基準在手動或自動控制的前提下，智能照明控制的節能僅僅體現在室外自然光變化的一段時間。對全黑的房間或者自然光充足的房間，其節能效果將大打折扣。

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