超低能耗辦公建筑開放辦公室照明設計研究

趙瑞軒，劉 潔

(1.中國科學院大學，北京 100049；2.中國科學院軟件研究所，北京 100190；3.北京市建筑設計研究院有限公司，北京 100045)

引言

響應“碳達峰、碳中和”目標，綠色建筑早已從示范性應用變?yōu)閺娭菩詶l款，不斷降低建筑能耗、提升建筑能效、推動建筑邁向超低能耗、近零能耗和零能耗是建筑節(jié)能領域的中長期發(fā)展目標。

控制能耗并不等于犧牲舒適度，根據(jù)《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》,“要堅持以人為本，滿足人民群眾對建筑舒適性、健康性不斷提高的要求，使廣大人民群眾切實體驗到發(fā)展成果”。依靠智能化手段，以數(shù)據(jù)為驅動，落地系統(tǒng)按需提供，實現(xiàn)在同一空間內(nèi)滿足超低能耗辦公建筑+健康建筑[1]。

據(jù)有關統(tǒng)計，辦公建筑的照明能耗約占總建筑能耗的10%～30%，以開放辦公室為主的新建寫字樓能耗高于傳統(tǒng)小開間辦公室，不同辦公建筑的照明能耗水平可以達到8倍以上[2]。隨著辦公方式的改變，開放辦公室在辦公樓的占比逐年提高，因此開敞辦公的照明節(jié)能對辦公建筑的節(jié)能減排尤為重要[3]。

1 建筑特點及需求分析

1.1 超低能耗辦公建筑特點

超低能耗辦公建筑關注在除建筑辦公設備(如辦公用計算機、投影機等)以外的能源消耗，此類建筑的供暖、空調(diào)和照明一次能源消耗量與滿足《公共建筑節(jié)能設計標準》(GB 50189—2015)的參照建筑相比，相對節(jié)能率應達到50%以上。

1.2 超低能耗辦公建筑對照明的需求分析

現(xiàn)有建筑技術手段對供暖、空調(diào)和照明無法達到相同的節(jié)能率。即使配置高性能圍護結構，避免建筑熱橋，空調(diào)能耗的削減也有限。因此，對夏季需空調(diào)系統(tǒng)制冷的地區(qū)，超低能耗辦公建筑對照明能耗的節(jié)能率應達到70%以上，需最大化地利用自然采光。

1.3 健康建筑的特點

健康建筑指在滿足建筑功能的基礎上，為建筑使用者提供更加健康的環(huán)境、設施和服務，促進建筑使用者身心健康、實現(xiàn)健康性能提升的建筑。國內(nèi)外針對健康建筑均已頒布各類相關的評價方法，無外乎都從以下幾個維度出發(fā)：建筑空間、建筑材料、建筑設備、企業(yè)管理、周邊環(huán)境；其中建筑設備相關的內(nèi)容有：空氣、水、光、熱舒適、聲環(huán)境等等。

1.4 健康建筑對照明的需求分析

健康的光環(huán)境是從滿足使用人視覺功能需求、非視覺需求兩方面考慮。滿足視覺需求考慮視覺功能、視覺舒適、視覺疲勞的影響；滿足非視覺功能考慮人體晝夜節(jié)律、警覺性、認知行為等影響[4]。

1.5 超低能耗建筑與健康建筑的結合點

超低能耗建筑重在“結果”，從水電氣熱計量儀表中體現(xiàn)節(jié)能。健康建筑著眼點在“舒適”，從人工光源質(zhì)量、充足且適度的照度、使用者個性化需求、晝夜節(jié)律照明控制等層面滿足健康需求。在硬件品質(zhì)靠攏健康建筑；硬件能耗指標執(zhí)行超低能耗建筑；在照明運行過程中，采用按需提供、精準控制的策略，實現(xiàn)超低能耗建筑與健康建筑的結合。

2 技術路線

實現(xiàn)超低能耗建筑首要是控制照明系統(tǒng)的能耗。影響照明系統(tǒng)能耗的因素很多(圖1)，建筑的窗墻比、室外氣象參數(shù)、窗簾狀態(tài)、人員行為、照明功率、燈具布置形式、燈具控制方式等。常規(guī)技術路線采用軟件仿真，配合離散性傳感器實測、階段性能耗對比，定量揭示各種因素對能耗的影響，無法有效地實時檢測各個因素、設備的動態(tài)變化過程。相應，也無法對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行有效的監(jiān)管，無法實現(xiàn)準確控制。

圖1 影響照明能耗因素Fig.1 Factors affecting lighting energy consumption

由于影響照明系統(tǒng)能耗的數(shù)據(jù)通常封閉在不同的系統(tǒng)內(nèi)、不同的系統(tǒng)由獨立供貨商提供，導致各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)無法共享。針對目前工程中的弊端，筆者搭建了智能化集成平臺，以數(shù)據(jù)中臺的模式，對各個系統(tǒng)進行實時監(jiān)控；以數(shù)據(jù)為驅動，控制燈具運行，實現(xiàn)超低能耗辦公建筑的運行目標[5]。

3 應用實踐

3.1 項目概述

項目位于北京市西城區(qū)，作為辦公建筑，地下1層，地上12層，總建筑面積8651.9 m2，其中地上建筑面積7 690 m2。項目建成于1985年，于2000年進行過一次改造。

3.2 改造目標

此次改造的目標是綠色環(huán)保、以人為本、智慧高效；改造標準是既有建筑綠色三星級、健康建筑三星級、LEED鉑金級、WELL鉑金級、超低能耗辦公建筑(現(xiàn)已獲得既有建筑綠色三星、LEED鉑金、超低能耗辦公建筑認證；被中國電力技術市場協(xié)會綜合智慧能源專業(yè)委員會評定為“綜合智慧能源優(yōu)秀示范項目案例”)。

3.3 仿真模擬

采用Ecotect軟件，充分分析建筑日照的相關效果，確定建筑遮陽和照明的相關控制策略，優(yōu)化建筑節(jié)能措施利用效果。部分仿真結果如圖2所示。

圖2 夏至日(6月22日)10時日照陰影情況Fig.2 Sunshine shadow condition at 10 o’clock on summer solstice (June 22)

南向、東向、西向日照時數(shù)較長，需采取遮陽措施。由于開放辦公空間，為建筑的南向和東向，因此這兩個方向設置電動外遮陽，西向采用固定外遮陽及手動內(nèi)遮陽。

3.4 照明系統(tǒng)方案

(1)系統(tǒng)概述。

照明系統(tǒng)的節(jié)能通常從光源選擇、燈具布置、照明控制三個方面考慮。照明系統(tǒng)光源均采用LED光源。辦公區(qū)照明燈具完全結合辦公工位布置。照明系統(tǒng)控制方案充分考慮了能耗控制、以人為本、成本控制。在人員使用頻率較少的機房區(qū)設置就地開關；衛(wèi)生間設置自帶延時開關燈具；人員使用頻率高、有場景變化需求的辦公空間、會議室、走廊采用智能照明控制系統(tǒng)進行集中控制管理；就地設置智能面板滿足使用人的個性化需求。

(2)燈具設計及布局。

開敞辦公燈具吊裝于辦公桌正上方，每個工位對應一套燈具，燈具角度垂直于外窗布置，布局如圖3所示。開敞辦公區(qū)人員長期使用電腦辦公，電腦屏幕本身為發(fā)光體，對照度要求不高，因此將照明標準定為300 lx。使用電腦時，人眼的視線為斜向上，對眩光控制要求高。為滿足上述要求，在開敞辦公區(qū)域，創(chuàng)新性地采用雙向LED可調(diào)光照明一體化燈具，每套燈具內(nèi)設置2個DALI控制器；利用DALI控制器的特性每套燈具向上、向下出光可獨立調(diào)光控制，燈具構造如圖4所示。

充分考慮環(huán)境照明配合工位照明的應用場景。向上照明的光源作為主光源，主要用于點亮整個辦公環(huán)境。單獨打開時，滿足桌面照度300 lx，符合環(huán)境照明需求。上照燈LED光源配合透明扣板，最大化利用LED光源高發(fā)光效率；無遮擋的上照燈光線照射至辦公室天花，經(jīng)二次反射后，照亮桌面，規(guī)避LED高眩光的缺點。向下照明的光源作為輔助光源，用于滿足使用人的個性化照明，當使單獨開啟時，滿足桌面照度200 lx。燈具硬件配置方案見表1、照度計算見表2。

由于充分采用LED光源，因此實際安裝燈具功率密度值遠低于國家相關規(guī)范。

(3)燈具控制方案。

在能耗管理上，辦公區(qū)的燈具控制采取“人員在位+桌面照度”兩個控制條件，對燈光進行實時控制(表3)。即當“使用人在工位辦公”且“桌面照度低于300 lx”時，開啟上照燈。上照燈開啟后，不會采用全開模式，而是采用從外窗向內(nèi)側逐級遞減的模式，充分利用室外自然光，實現(xiàn)自動恒照度控制。如使用人認為環(huán)境照明不符合要求，則可手動調(diào)節(jié)對應自己工位的下照明，調(diào)節(jié)局部照明，滿足使用人的個性化需求。當每組工位兩側人員感應器探測到區(qū)域無人時，自動關閉本組工位對應的燈光。

圖3 開敞辦公燈具布局圖Fig.3 Open office lamp layout

圖4 開敞辦公燈具構造圖Fig.4 Open office lamp structure drawing

3.5 電動遮陽系統(tǒng)

為在控制眩光的同時，降低外圍護結構傳導系數(shù)，項目采用電動外遮陽系統(tǒng)。 在屋頂設置室外光照強度探測器，系統(tǒng)根據(jù)室外光照強度，對每一套電動遮陽進行實時控制。當太陽輻射強度>240 kcal/(m2·h)、陽光照射室內(nèi)深度>0.5 m時，自動下降電動遮陽。電動遮陽采用百葉形式，當遮陽下降時，百葉角度垂直于太陽光線直射角度，避免太陽眩光干擾。

表1 燈具硬件配置方案

3.6 智慧建筑操作系統(tǒng)

按上述控制模式運行后，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不能完全達到預期效果，主要問題如下：

表2 照度計算表

表3 燈具控制方案

1)控制精度不足：同一個探測器需要控制兩組燈具，即每組燈光只有當兩側的探測器均探測器到人員不在工位時，方可關燈。但智能照明控制系統(tǒng)無法支持多項“與”邏輯編譯。

2)實測照度不準：不同的探測器對應的開窗面積、開窗方向不同，因此探測精度偏移較大，智能照明控制系統(tǒng)無法對探測數(shù)值進行修正。

3)部分業(yè)主入住后，提高了照度標準，傳統(tǒng)的智能照明控制系統(tǒng)對業(yè)主的修改需要專業(yè)工程師進行重新調(diào)試。

4)項目旁邊有其他樓宇，在某些太陽高度角時，部分外窗會在陰影下，但常規(guī)投資系統(tǒng)不支持模型導入及計算。

5)智能照明控制系統(tǒng)、電動遮陽系統(tǒng)、屋頂氣象站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)僅支持單一數(shù)據(jù)的展示，無法實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的匯聚、分析、可視化。

為解決上述問題，項目采用智慧建筑操作系統(tǒng)，系統(tǒng)打破了各個系統(tǒng)的信息孤島，基于物聯(lián)網(wǎng)架構，連接建筑內(nèi)的系統(tǒng)、設備設施，搭建一個開放共享的平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集、互聯(lián)，提供能源管理，安全管理、可視應用等功能。系統(tǒng)的特點是采用實時數(shù)據(jù)驅動邏輯控制，集成多維度的數(shù)據(jù)及場景，采用自動運行的模式，最大化地降低運維的人為操作。通過實時數(shù)據(jù)與原設計模擬進行對標，保障建筑的運維工況與設計分析保持一致。

3.7 運行效果

搭建智慧建筑操作系統(tǒng)后，連通智能照明控制系統(tǒng)、電動遮陽控制系統(tǒng)、屋頂氣象站監(jiān)測系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)，結合建筑BIM模型，加入實時太陽高度角及周邊建筑的BIM模型，根據(jù)室外氣候、人員行為、工作模式，自動控制建筑外維護結構系統(tǒng)(電動遮陽系統(tǒng))、照明系統(tǒng)。將各個機電系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，并將分析結果用于修正控制邏輯，在充分滿足使用人需求的前提下，最大程度地節(jié)約系統(tǒng)整體能耗(圖5)。

圖5 燈具與傳感器布局及控制方式Fig.5 Lighting and sensor layout and control mode

根據(jù)人員行為、自然光條件，精準控制燈具運行方式：僅當辦公工位旁有人員活動、實時照度不滿足設定照度時，工位上照燈自動開啟；當辦公工位兩側的人員均離開時，工位上照燈及下照燈自動關閉。

圖6中每組上照燈的外側、中部、內(nèi)側實時光通量由三種不同顏色表示；背景兩種顏色分別表示燈具兩側是否有人員活動。當兩側均沒有人員活動時，背景顏色變?yōu)榘咨Ｓ蓤D6可知，辦公工位兩側人員離開時，燈具將立刻自動關閉。

圖7中體現(xiàn)的是燈具兩側的實時照度數(shù)值，曲線兩種顏色，分別為兩個獨立光照探測器的實時照度值。同時對比圖6和圖7中數(shù)據(jù)可知，當自然光照度超過300 lx時，上照燈將全部自動關閉，充分利用自然光；當自然光不足時，上照燈將以從外往里的梯度光通量逐漸增加。通過運行的可視化，符合了實際運行邏輯與設計方案一致。

當智慧建筑操作系統(tǒng)后，燈具能耗相比單一系統(tǒng)控制節(jié)能17%。對標《公共建筑節(jié)能設計標準》(GB 50189—2015)的參照建筑，按超低能耗辦公建筑運行工況，本項目照明實際能耗數(shù)據(jù)節(jié)能率達到74.58%，如圖9所示。

圖9中照明能耗數(shù)據(jù)包含了環(huán)境照明及個性化照明。在人員工作時，環(huán)境照明最低滿足300 lx，個別工位根據(jù)使用人的個性化要求達到500～800 lx。通過能耗曲線可知，智慧建筑操作系統(tǒng)的實時監(jiān)控，滿足了超低能耗建筑的能耗要求及個性化要求的雙重指標。

圖6 2021年5月17日 某組上照燈光通量及人員在位24 h歷史數(shù)據(jù)Fig.6 May 17 2021，up lighting group and personnel sensor data in 24-hour

圖7 2021年5月17日 照度探測器 24 h歷史數(shù)據(jù)Fig.7 May 17 2021，illuminance detector data in 24-hour

圖8 單一系統(tǒng)控制與智慧建筑操作系統(tǒng)控制的能耗對比圖Fig.8 Energy consumption comparison diagram of single system control and intelligent building operating system control

圖9 智慧建筑操作系統(tǒng)控制與參考建筑能耗對比圖Fig.9 Comparison diagram of intelligent building operating system control and reference building energy consumption

4 結束語

根據(jù)相關部門統(tǒng)計，建筑的運維費用占建筑全生命周期費用的70%。但大多數(shù)項目在實際運行時，無法達到原有設計指標，越來越復雜的系統(tǒng)總用電量越高、綠色建筑耗能高、智能建筑不智慧。“不斷降低建筑能耗、提升建筑能效和利用可再生能源、推動建筑邁向超低能耗、近零能耗和零能耗”是建筑節(jié)能領域的中長期發(fā)展目標，我國各級政府也對超低能耗辦公建筑給予極大的支持。但降低能耗不應通過技術堆砌、提升投資、累加分值來簡單粗暴的設計，不能依賴犧牲使用人的舒適性降低系統(tǒng)能耗，否則可能大幅度提升初次投資，增加運維難度，造成市場的抵觸。不應過度采用主動式節(jié)能系統(tǒng)，應采取“被動為主，主動優(yōu)化”的方案。應根據(jù)建筑所處的地域特征、周圍環(huán)境，通過前期多維度的計算、評估、模擬驗證，各個專業(yè)整體設計、核準、優(yōu)化修正，充分落實系統(tǒng)性設計，深化控制方案，落實設計思想實際落地，控制綜合投資。為保障設計階段的控制邏輯能切實有效地延申至運維階段，應在超低能耗辦公建筑工程中設置智能化集成平臺，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可用性、可視性，不讓超低能耗辦公建筑、健康建筑停留于“設計藍圖”。基于智慧建筑操作系統(tǒng)為設計、運維人員提供的巨大空間，本文現(xiàn)階段僅探討照明系統(tǒng)的應用效果，后續(xù)將對其他系統(tǒng)進行更深入的研究。