采光照明一體化研究與應用*

羅濤

(中國建筑科學研究院有限公司)

摘要：建筑光學在傳統(tǒng)上分為天然采光和人工照明兩大部分，兩者有著各自的評價指標和方法，但在實際應用中往往脫節(jié)，出現(xiàn)了很多不合理的設計。采光照明一體化是實現(xiàn)采光和照明有機結合的最終目標，本文探討了采光照明一體化的原則、設計方法以及關鍵應用技術，對光環(huán)境優(yōu)化設計及照明節(jié)能具有重要的參考價值。

關鍵詞：光環(huán)境；節(jié)能；非視覺效應；智能控制引言

研究表明，良好的光環(huán)境可提升環(huán)境滿意度，對健康和工作效率具有重要的影響[1]。天然采光不僅可以顯著提升公共建筑的光環(huán)境，同時對于其照明節(jié)能甚至建筑整體節(jié)能具有至關重要的影響。Heschong等[2]的研究發(fā)現(xiàn)，采光充足的教室區(qū)域的學生成績提高了7%^18%；天然采光與人工照明有機結合，可降低公共建筑的照明能耗20%^60%，減少建筑整體能耗10%^16%[3,4]。

然而，由于傳統(tǒng)應用中通常將天然采光和人工照明分別放在兩個不同的設計階段，兩者建立了各自的評價指標和方法，在設計過程中分別由建筑師和電氣工程師負責，這樣的分工使得采光與照明設計完全分離，光環(huán)境僅滿足于符合相應的采光和照明標準，缺乏精細化設計，忽略了使用者的需求和實際運行的特點。比如很多新建的寫字樓，采用了大面積的玻璃幕墻，但由于過量的太陽輻射帶來的眩光和室內(nèi)過熱等問題，實際應用中往往大白天是拉下窗簾，室內(nèi)長時間開燈；又比如有些照明設計未考慮天然采光的狀況和實際使用要求，照明分區(qū)不合理，照明控制過于集中或設置不合理，只能全開或全關，即使臨近窗的區(qū)域采光良好或只有少數(shù)人在室內(nèi)時，也只能全部開燈。這不僅與設計的初衷相矛盾，也不利于室內(nèi)環(huán)境，同時還增加了建筑能耗[5]。

為了克服傳統(tǒng)設計方法帶來的弊端，解決上述不合理的問題，采光與照明需要在設計階段統(tǒng)一考慮，并進行有機結合，也就是實現(xiàn)采光照明一體化，將采光照明的各種單個的技術(部件)整合成系統(tǒng)的解決方案。本文結合目前正在進行的國際合作項目《采光照明一體化解決方案研究》，對適應于我國的采光照明一體化的原則、設計方法以及關鍵應用技術進行了探討，從而可為光環(huán)境優(yōu)化設計提供重要的參考。

1 IEA-SHC Task 61 / EBC Annex 77項目

該項目是國際能源署太陽能供熱制冷實施協(xié)議(IEASHC)的研究任務，項目名稱為“采光與照明的綜合解決方案(Integrated Solutions for daylight and electric lighting)”。該項目的研究對象是非居住建筑，總體目標是提升使用者滿意度并降低能源消耗，通過研究采光與照明設計及應用過程中的關鍵技術問題，提出建筑采光與照明的綜合解決方案。

該項目的實施時間為2018年1月1日至2021年6月31日，并于2018年2月28日至3月2日在瑞典隆德大學召開了啟動會(圖1)。項目負責人是德國Fraunhofer建筑物理研究所的Jan de Boer博士，參與國家包括德國、奧地利、丹麥、挪威、中國、美國、比利時、芬蘭、瑞典、瑞士、意大利、斯洛伐克、日本、新加坡和巴西等。筆者有幸作為中國代表參與該項目研究工作。

圖1 IEA-SHC Task 61項目啟動會專家合影

該項目分為使用者的照明需求(SubTask A)、采光與照明的優(yōu)化設計(SubTask B)、方法工具(SubTask C)和案例研究(SubTask D)四個子任務，以及1個聯(lián)合工作組。其中，SubTask A的主要任務是研究使用者的照明需求，包括：(1)視覺舒適性方面的因素：眩光、頻閃和對比等；(2)非視覺效應方面的因素：光譜特性、輻照水平、照射時間和持續(xù)時間等；(3)心理方面的因素：視野、私密性和室內(nèi)空間感受等，研究中還需要考慮不同年齡、性別以及不同氣候和文化背景的使用者的差異性。SubTask B則對采光照明技術進行梳理，并重點關注新的技術，特別是照明控制技術，包括：(1)利益相關者的調(diào)研，了解目前技術的問題與缺陷；(2)對現(xiàn)有采光照明技術的調(diào)研分析；(3)對新的技術，特別是控制技術的調(diào)研分析；(4)對照明控制交互界面的研究；(5)對相關標準的調(diào)研分析。SubTask C的主要任務是采光照明一體化的設計流程和方法進行研究，包括：(1)現(xiàn)有設計流程的調(diào)研分析；(2)采光系統(tǒng)雙向透射反射模型(BSDF)的研究；(3)天空光譜模型的研究；(4)評價方法和工具研究。SubTask D的主要任務是研究監(jiān)測方法，并對實驗室和實際案例進行跟蹤監(jiān)測研究，包括：(1)對現(xiàn)有研究的調(diào)研分析；(2)監(jiān)測方法研究；(3)對典型案例的測試研究。聯(lián)合工作組的主要工作則是協(xié)調(diào)4個子任務的研究工作和成果，提出基于逐時分析的采光照明一體化分析工具，以及虛擬現(xiàn)實(VR)技術應用導則。

參與該項目的專家來自高校、研究院所和知名跨國企業(yè)，研究內(nèi)容涉及基礎理論、設計和測試方法、應用技術等，其成果將對未來光環(huán)境領域的標準、新產(chǎn)品、設計及應用產(chǎn)生重要影響。

2 采光照明一體化的原則與設計方法

我國的設計標準、技術體系、氣候特點以及使用者習慣與國外有較大差異，采光照明一體化應結合我國的實際情況進行應用。充分利用天然采光可改善光環(huán)境和實現(xiàn)照明節(jié)能，同時由于采光設計處于建筑設計階段，一旦確定，后期的照明設計很難去修正，只能去被動適應，也難以彌補。因此公共建筑的采光照明一體化應堅持“被動優(yōu)先，主動優(yōu)化”的原則，把充分利用天然光作為首要的目標。同時，采光系統(tǒng)應從光熱兩方面綜合權衡，照明也應考慮與遮陽進行聯(lián)動控制，采用動態(tài)評價指標和設計方法[6,7]。

公共建筑分為新建和既有兩類，既有建筑由于受到自身條件限制，立面和室內(nèi)裝修等現(xiàn)狀條件不易修改，而新建建筑則受限制較少，因此新建和既有建筑在采光照明一體化應用中有著不同的工作流程和處理方法。

1)既有建筑。我國既有公共建筑的存量巨大，這些建筑的照明系統(tǒng)老化，能效較低，光環(huán)境較差，這類建筑通常以節(jié)能改造為主，因而采光照明一體化應用應結合節(jié)能改造的目標進行。既有建筑的照明改造需要在測試和調(diào)研分析現(xiàn)有問題的基礎上，確定合理的改造目標，再進行技術方案的比選。圖2是既有建筑照明改造技術的矩陣圖。

圖2既有建筑照明改造技術[8]

水平方向從左至右表示技術實施的復雜程度或難度，越往右說明實施難度越大，改造費用越高，但相應的改造效果也越好；垂直方向列舉了四類改造技術方案，可根據(jù)改造目標和建筑的實際情況進行選擇。在燈具布置和照明控制選擇時，需要充分考慮與采光結合，以充分利用天然采光。同時需要考慮使用者的特點，特別是控制設備要符合使用者的行為習慣。

2)新建建筑。相對于既有建筑而言，新建建筑的技術方案可選余地更大，同時設計過程顯得更為重要。采光照明一體化設計，要考慮充分利用天然光，特別是重視對直射日光的處理，要兼顧光熱兩方面的影響，綜合考慮其全年的綜合節(jié)能效果。不同的采光方案對于光熱環(huán)境和照明能耗有著顯著的影響，通過權衡分析確定建筑總體節(jié)能的優(yōu)化方案，同時考慮與照明設計的銜接，為后期的照明設計提供良好的基礎條件。在此基礎上，進行照明優(yōu)化設計，與采光進行協(xié)調(diào)和銜接，特別是燈具的分組要與采光進行結合，以及合理的照明控制策略等。

從實踐經(jīng)驗來看，窗簾及遮陽對于室內(nèi)光環(huán)境和照明能耗有較大的影響，但往往被忽視，多數(shù)項目僅在后期把窗簾作為一種室內(nèi)裝飾性構件來考慮，在采光照明設計時對窗系統(tǒng)就應進行精細化設計，充分考慮其對光熱環(huán)境的重要影響。

圖3表明，由于采用了更為優(yōu)化的采光方案，與傳統(tǒng)側(cè)窗采光相比，照明能耗降低27%左右。

圖3 某辦公室采光與照明結合的案例[7]

3)一體化設計方法。采光照明一體化的核心在于其設計方法。在設計環(huán)節(jié)，就綜合考慮采光與照明的協(xié)調(diào)與優(yōu)化，并兼顧使用者行為習慣和熱環(huán)境等因素的影響。該設計方法需要解決三個關鍵技術問題：(1)光熱權衡分析，即綜合考慮采光對光環(huán)境和熱環(huán)境的影響；(2)適用于不同地區(qū)，即與當?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)相結合；(3)考慮控制系統(tǒng)特性和使用者行為特點，即采用動態(tài)的分析方法。該設計方法考慮因素較多，包括氣候特點、建筑空間、采光系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、照明控制以及使用者行為特點，要想進行定量的分析，需要借助于計算機模擬的手段。

從20世紀80年代開始，國外學者就開始研究計算機模擬的方法用于建筑環(huán)境和能耗分析，并開發(fā)了相關的軟件。Clarke等[9,10]開展了相關研究，利用ESP-r+Radiance搭建的平臺，將光的模擬特別是室內(nèi)照度分布計算與熱的模擬相結合。DOE-2[11]和Energyplus[12]利用采光系數(shù)法，計算不同時刻的采光效果，并假設人工照明正好補充天然采光照度不足的部分，得到照明能耗。Daysim[13,14]則基于Radiance[15]內(nèi)核，采用Daylight Coefficients的方法，動態(tài)計算天然光照度分布，引入了手動控制照明和窗簾的模型，可用于分析單人房間在各種照明控制方式下的室內(nèi)照度分布和照明能耗情況，計算結果還可進一步導入到EnergyPlus軟件中，用于建筑能耗的模擬。

筆者針對我國氣候、使用者行為和工程應用的特點，研究并提出了適合于我國工程實踐要求的采光照明一體化模擬方法[6,7]。該方法的系統(tǒng)框架如圖4所示。

圖4 采光照明一體化分析方法 [6]

鑒于本文篇幅所限，此處不再贅述，詳細內(nèi)容可參閱本文的參考文獻[6][7]。該方法對于指導采光照明一體化的設計與實踐具有重要的作用，可用于建筑采光優(yōu)化設計、照明節(jié)能優(yōu)化設計以及基于建筑總體能耗的節(jié)能優(yōu)化設計等，并在工程實踐中得到了應用，取得了良好的效果。

3 采光照明一體化應用與實踐

采光照明一體化在實際應用中，除設計方法外，還有以下三方面的關鍵技術：(1)基于中國氣候特征的動態(tài)采光技術；(2)照明優(yōu)化設計技術；(3)智能照明控制技術。

3.1 基于中國氣候特征的動態(tài)采光技術

我國不同地區(qū)的氣候差異很大，天然光資源也有很大區(qū)別，不同地區(qū)采光策略應適應其氣候特征，選擇被動式、主動式或兩者結合的采光策略，實現(xiàn)充分利用天然光資源的目的。傳統(tǒng)的采光方式以利用天空散射光為主，為了充分利用天然光，綜合利用直射日光與散射天空光的采光技術已成為未來的發(fā)展趨勢。通過利用日光重定向和分光技術，實現(xiàn)對不同時段日光的空間和光譜分布的精準控制，解決傳統(tǒng)采光方式帶來的光熱不平衡以及環(huán)境質(zhì)量與節(jié)能之間的矛盾等問題，從而提升建筑光環(huán)境品質(zhì)和綜合節(jié)能水平。

目前已大量應用的導光管采光技術，實現(xiàn)對直射日光與散射天空光的綜合利用，并減少了太陽輻射得熱，優(yōu)化室內(nèi)光熱環(huán)境同時實現(xiàn)節(jié)能目標。適合于無窗房間和地下空間，以及大進深和傳統(tǒng)采光方式難以應用的場所。新型的采光系統(tǒng)則同時考慮了遮陽和采光的需求，采用了光回復反射和定向反射技術，通過特殊設計的微光學結構，可以控制太陽光線的透射及反射，從而滿足不同季節(jié)遮陽和采光的共同需求[16](圖5)。

圖5 新型采光系統(tǒng)[16]

3.2 照明優(yōu)化設計技術

照明的優(yōu)化設計，包括合理選擇照明設計標準、選擇高效的照明產(chǎn)品、燈具布置及分組等。照明設計中，燈具的分組是容易忽視的問題，需要進行定量的分析和比較，特別是燈具的分組要與采光進行結合。

圖6是一個案例分析，當采用不同的燈具分組方案時，其對照明能耗的影響是不同的。

當房間內(nèi)燈具不分組，只有1個開關控制時，其年開燈時數(shù)為4088小時，遠超過其它方案。當燈具分組合理時(方案3和方案4)，照明開燈時數(shù)和能耗顯著減少。

注：測點上方即為燈具方案1：房間內(nèi)所有燈具只有1個開關；方案2：垂直于窗的燈具分組；方案3：平行于窗的燈具分組；方案4：單燈控制圖6 不同燈具分組對開燈時數(shù)和照明能耗的影響[7]

3.3 智能照明控制技術

照明控制系統(tǒng)是照明方案的重要內(nèi)容之一，不合理的控制方式往往會增加照明能耗。實踐表明，不能片面擴大自動控制的作用，不合理的控制設置比手動控制的能耗更高。

隨著技術的發(fā)展，以LED為代表的半導體照明已得到廣泛的應用。而LED易于控制的特點，為智能照明的發(fā)展奠定了基礎。智能照明控制技術的關鍵在于協(xié)調(diào)好手動控制與自動控制的關系。耗能的動作建議由手動控制來實現(xiàn)，比如開燈、調(diào)高亮度等；而節(jié)能的動作建議由自動控制來輔助實現(xiàn)，比如感應光燈、根據(jù)采光情況調(diào)低或關閉照明、自動開啟窗簾等。同時還需要考慮控制系統(tǒng)自身的能耗問題，選擇低功耗的系統(tǒng)(包括運行和待機功耗)。

使用者與控制系統(tǒng)之間會相互影響，在節(jié)能設計中需要充分考慮使用者對于控制系統(tǒng)的需求，特別是控制系統(tǒng)設計時需要充分考慮使用者的特點，同時也應合理引導主動節(jié)能的行為。由于使用者需求的不確定性，意味著照明系統(tǒng)需要有一定的適應性，特別是對于智能照明系統(tǒng)而言，自適應性是重要的性能指標。控制系統(tǒng)的優(yōu)化不僅僅限于設計階段，在調(diào)試和運行階段，還可以對實際使用時的光環(huán)境和照明能耗情況進行監(jiān)測，持續(xù)對系統(tǒng)進行優(yōu)化，實現(xiàn)性能不斷提升，持續(xù)降低能耗的目標。

3.4 實踐案例

位于北京的中國建筑科學研究院(CABR)近零能耗節(jié)能示范樓是采光照明一體化實踐的經(jīng)典案例(圖7)。該辦公樓采用不同的技術策略，通過采光照明結合的優(yōu)化設計、照明優(yōu)化設計與控制這一系列的持續(xù)優(yōu)化技術措施，實現(xiàn)了持續(xù)降低照明能耗的目標，年照明用電量不足同類建筑的25%(圖8)。

圖7 CABR近零能耗節(jié)能示范樓

圖8 采光一體化技術措施應用的節(jié)能效果

4結語

隨著技術的發(fā)展，新的采光照明技術不斷出現(xiàn)，并逐步在國內(nèi)得到了廣泛應用。未來光環(huán)境的設計目標，不是追求某一產(chǎn)品或部件的性能或效能，而是借助于數(shù)字化和智能化的手段，通過技術的綜合運用，實現(xiàn)整體最佳的性能和節(jié)能效果，即提供系統(tǒng)的解決方案。本文提出了采光照明一體化的思路，將采光照明統(tǒng)籌考慮，兼顧了設計環(huán)節(jié)的特點與實際應用的需求，并對其原則、設計方法和關鍵應用技術進行了探討，將有助于解決目前設計與使用環(huán)節(jié)相脫離、采光與照明未有效結合等問題，對于光環(huán)境優(yōu)化設計及照明節(jié)能實踐具有重要的參考價值。