（系统工程专业论文）自然采光控制策略研究与节能分析.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 2 0 世纪7 0 年代爆发能源危机以来，能源和环境问题引起人们越来越多的 关注。近年来，我国社会经济发展迅速，同时也面临着严峻的能源短缺和环境 污染形势。节约能源，提高能源效率，可以有效缓解这一状况。建筑能源消耗 是我国能源消耗的大户。商业建筑能源消耗主要由两大部分组成：一是暖通空 调系统能源消耗，二是照明系统能源消耗。我国是一个自然光资源充足的国家， 充分利用自然光资源，降低照明能耗，是节约建筑用能，提高建筑能源效率非 常有效的途径。 与普通照明灯具发出的光不同，自然光由太阳直射光和天空散射光两部分 组成，它在不同季节、不同天气状况、一天中的不同时段差别很大。室内的自 然光分布更是受诸多因素的影响，比较复杂，这给利用自然光照明带来了诸多 不便。自然采光可以通过对窗帘的控制来实现。对窗帘的控制目前使用较多的 是手动控制，使用自动控制的并不多见，主要是因为自动控制系统比较难以捉 摸，频繁的调节会影响室内工作人员的心情。对灯具的控制目前应用较多的也 是手动控制，通常是上午第一个进入房间的人打开照明，最后一个离开房间的 人关掉照明，这样就造成了白天办公时间照明能源浪费。针对目前照明和自然 采光的状况以及节能的需求，主要开展了如下研究工作： 首先，本文在分析自然采光研究背景及意义的基础上，指出了当前自然采 光系统所存在的一些主要问题。通过分析当前采光研究方法的现状，比较各种 采光系统的优劣，最终确定本课题主要研究自然采光模型、自然采光控制策略 以及进行自然采光节能分析。 其次，通过对自然采光影响因素进行分析，建立了自然采光控制系统图。 由于伴随自然采光过程的太阳能增益会增加夏季制冷能耗，而在冬季有助于降 低加热功率，因此采光模型对冬季工况和夏季工况分别给出了采光效果衡量性 能指标。夏季工况侧重于照度指标和温度指标，冬季工况则侧重于照度指标和 空调加热功率指标，并分别建立了窗帘开度对工作面照度、室内温度、太阳能 增益的模型。 接下来建立了窗帘和照明的协调控制策略。自然光具有易变性和难以捉摸 山东大学硕士学位论文 的特性，为避免窗帘的频繁移动，采用模糊控制策略来控制窗帘开度。自然采 光节能要通过减少照明能耗来实现，照明灯具控制通常有两种方式：开关控制 方式和调光控制方式，应用较多的是开关控制。将窗帘控制和照明灯具控制结 合起来，给出了自然采光和人工照明综合控制策略：室内有人，采用照度优先 控制；室内无人，采用能量优先控制。 最后，选用典型建筑对自然采光在白天办公时间进行节能分析，分析结果 表明：利用自然采光的照明开关控制和调光控制都能带来较大的能源节约；与 开关控制相比，调光控制能节约更多的照明能源消耗。 关键词：自然采光：控制策略；照明控制；节能分析 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e o p l e h a v ep a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h ee n e r g ys i t u a t i o na n d e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m ss i n c et h ee n e r g yc r i s i sb r o k eo u ti nt h es e v e n t i e t ho fl a s t c e n t u r y i nt h ep a s tf e wy e a r s ，o u rc o u n t r yh a sg a i n e dg r e a tp r o g r e s si nt h es o c i a l a n de c o n o m i cf i e l d s a t t h es a m et i m ew ea r ef a c i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s s i t u a t i o n so fe n e r g y s u p p l ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h r o u g h c o n s e r v i n ge n e r g ya n di m p r o v i n ge n e r g ye f f i c i e n c y , w ec a na l l e v i a t et h es i t u a t i o n e f f e c t i v e l y b u i l d i n ge n e r g yu s ea c c o u n t sf o rag r e a tq u o t i e n to ft h et o t a le n e r g y c o n s u m p t i o n f o r c o m m e r c i a la n do f f i c eb u i l d i n g s ，t h e i re n e r g yu s em a i n l yi n c l u d e s t w op a r t s ，o n ei sc o n s u m e db yh v a cs y s t e m ，a n dt h eo t h e ri su s e db yl i g h t i n g s y s t e m o u rc o u n t r yi sr i c hi nd a y l i g h tr e s o u r c e m a k i n gs o u n du s eo fd a y l i g h ta n d r e d u c i n gl i g h t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o nc a ns a v eb u i l d i n ge n e r g yu s e ，w h i c hi sa l s oa u s e f u lm e t h o df o ri m p r o v i n gb u i l d i n ge n e r g ye f f i c i e n c y d i f f e r e n tf r o ma r t i f i c i a ll i g h t ，d a y l i g h ti sv e r yc h a n g e f u la c c o r d i n gt ot i m e ， w e a t h e r , a n ds e a s o n s d a y l i g h ti n c l u d e st w op a r t s ，d i r e c ts u n s h i n ea n ds c a t t e r e d s u n s h i n e ，w h i c hi sc a u s e db yt h ep a r t i c l e sf l o a t i n gi nt h es k y w h e nt h ed a y l i g h t p e n e t r a t e st h r o u g ht h ew i n d o wi n t oar o o m ，i t sd i s t r i b u t i o ni sv e r yc o m p l i c a t e d t h i sb r i n g sd i f f i c u l t i e sf o rt h ed a y l i g h th a r v e s t i n gc o n t r 0 1 t h et h e s i sa n a l y s e s s e v e r a lm a i nf a c t o ri n f l u e n c i n gd a y l i g h th a r v e s t i n g w eb u i l da ni n i t i a lm o d e lf o r d a y l i g h th a r v e s t i n g w ei m p l e m e n td a y l i g h th a r v e s t i n gt h r o u g h t h ec o n t r o lo f w i n d o wb l i n d n o w a d a y s ，t h ew i n d o wb l i n di sa l w a y sm a n u a l l yc o n t r o l l e d ，b e c a u s e t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi se l u s o r ya n dt h ef r e q u e n tm o t i o no ft h ew i n d o wb l i n d m a ya f f e c tt h em o o do fp e o p l ei n s i d et h er o o m f o rs o l v i n gt h e s ep r o b l e m s ，w eu s e t h ef u z z yi n f e r e n c es t r a t e g y , w h i c hm a i n l ye m p l o y sp e o p l e se x p e r i e n c e s t h i s s y s t e mc a nm a k eu s eo fd a y l i g h te f f e c t i v e l ya n d a l l e v i a t et h ef r e q u e n c yo fm o t i o no f t h ew i n d o wb l i n d s f o ra r t i f i c i a ll i g h t i n g ，t h eu s u a ls i t u a t i o ni st h a t ，t h ef i r s tp e r s o n e n t e r i n gt h er o o mo p e n st h el i g h t i n gs y s t e mi n t h em o r n i n g , a n dt h el a s tp e r s o n l e a v i n gt h er o o mc l o s e st h el i g h t i n g t h i si n e v i t a b l yb r i n g sl i g h t i n ge n e r g yw a s t e t h ep a p e ri n t r o d u c e ss e v e r a la u t o m a t i cl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m s ，w h i c he m p l o y s 山东大学硕士学位论文 o n o f fs w i t c hc o n t r o lo rd a y l i g h td i m m i n gc o n t r 0 1 w ep r o p o s ea ni n t e g r a t e d c o n t r o ls t r a t e g yf o rd a y l i g t i n ga n dl i g h t i n gc o n t r 0 1 i ft h e r ea r ep e o p l ei nt h er o o m ， w ee m p l o yt h el u m i n a n c ep r i o r i t ys t r a t e g y ；i fn o t ，w ee m p l o yt h ee n e r g yp r i o r i t y s t r a t e g y t h eg o a lo fm a k i n gu s eo fd a y l i g h ti ss a v i n ge n e r g yw ec a l c u l a t et h e e n e r g yu s eu n d e rd i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s ，i n c l u d i n gn o ti m p l e m e n t i n gc o n t r o l ， o n o f fs w i t c hc o n t r o l ，a n dd i m m i n gc o n t r 0 1 t h r o u g hc o m p a r i s o n ，w ec a nm a k e s u c hc o n c l u s i o n s ：b o t ho n o f fs w i t c hc o n t r o la n dd i m m i n gc o n t r o lc a nb r i n g a b o u tg r e a t e n e r g ys a v i n g s ；c o m p a r e dw i t ho n o f fs w i t c hc o n t r o l ，d i m m i n g c o n t r o lc a ns a v em o r ee n e r g y k e yw o r d s ：d a y l i g h t i n g ；c o n t r o ls t r a t e g y ；l i g h t i n gc o n t r o l ；e n e r g ys a v i n ga n a l y s i s 山东大学硕士学位论文 b a s b e e b e m c i e d f d a r e l 1 1 3 缩略词 b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m b u i l d i n ge n e r g ye f f i c i e n c y b u i l d i n ge n e r g ym a n a g e m e n t i n t e m a t i o n a lc o m m i s s i o no ni l l u m i n a t i o n d a y l i g h tf a c t o r d a y l i g h ta v a i l a b i l i t yr a t i o e n e r g yl o a d i n t e l l i g e n tb u i l d i n g 建筑自控系统 建筑能源效率 建筑能源管理 国际照明委员会 自然光因数 自然光自足率 能源负荷 智能建筑 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：j 晕唪 日期：型! 罗：i ：i 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 靼四师签名址日 期：印堡：受：三 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 自2 0 世纪7 0 年代爆发能源危机以来，能源和环境问题引起人们越来越广 泛的关注。近年来，随着我国经济社会快速发展，我们面临着越来越严峻的能 源短缺和环境污染形势。节约能源，提高能源效率，保护环境，是我国当前面 临的一项重要任务。 与发达国家相比，我国能源利用率较低。统计资料表明，我国当前能源总 体利用效率仅为3 4 ，比发达国家低1 0 个百分点，单位g d p 消耗的能源和资源 是发达国家的数倍，造成了能源和资源的极大的浪费，同时也给生态环境带来 很大的压力【1 1 。我国经济社会发展第十一个五年规划提出，在“十一五”期间 单位g d p 能耗同比下降2 0 。 建筑业是国民经济中的一个重要产业，也是一个耗能大户。建筑能源节约 有利于提高我国的能源利用效率，是减轻大气污染的需要，也是改善建筑热环 境的需要，还是发展建筑业的需要。中国工程院院士、清华大学江亿教授指出， 建筑能源节约应是解决我国经济社会发展与能源供应不足这一矛盾的最重要 的措施【1 1 。 建筑能耗严格意义上包括建筑建造能耗和使用能耗两大部分，而通常意义 上讲的建筑能耗主要是指建筑使用能耗，建筑节能则是减少建筑使用过程中的 能源消耗。它涉及建筑、施工、采暖、通风、空调、照明、电器、热工、能源、 环境、检测等许多专业领域。建筑节能是多学科边缘交叉和结合后形成的一门 综合性技术。商业建筑能源消耗主要由两大部分组成：一是暖通空调系统能源 消耗，二是照明系统能源消耗。我国是一个自然光资源充足的国家，充分利用 自然光资源，降低照明能耗，是节约建筑用能，提高建筑能源效率非常有效的 途径。 我国政府历来十分重视节能工作。早在上世纪8 0 年代初，就制定了“开 发与节约并重，近期把节约放在优先地位”的能源方针。温家宝总理在2 0 0 5 年6 月“高度重视加强领导，建设节约型社会 讲话中指出要“推动新建住宅、 山东大学硕士学位论文 公共建筑节能和现有建筑节能改造，推广节能环保型空调、冰箱等家电产品， 在公用设施、宾馆商厦、居民住宅和全社会推广采用节能照明产品”。2 0 0 5 年 修订的中国节能技术政策大纲也明确指出：推广科学照明设计，采用节能 型灯具和节能型控制系统；推广高效节能电子镇流器、陶瓷金属卤化物和半导 体照明灯具；推广t 4 、t 5 和t 8 荧光灯、紧凑型荧光灯、高压钠灯、金属卤化 物灯等高效照明电器产品；提高制造照明电器用的原材料、元器件质量。照明 节能主要有两种途径：一是使用新型照明器件，如前面提到的l e d 、荧光灯等； 另一种是现有灯具的基础上使用智能照明系统，即通过优化照明系统的运行来 达到节能的效果。 美国做过这样的统计，照明用电约占所有用电的2 0 一2 5 ，工业、商厦、 办公室和仓库的照明用电占照明总用电的8 0 一9 0 【3 l 。近年来，随着我国城镇 化进程加快，照明用电迅速增加，不但要增加大量的电力投资，而且会产生大 量污染。控制视觉环境的智能照明控制系统是非常有效的节能措施，随着照明 方式组合的变化以及受控空间功能的复杂化，照明控制系统的设计越来越重要 【2 】 o 建筑物如何充分利用自然光，节省照明用电，引起国际建筑和照明界的高 度重视。1 9 9 1 年1 月美国环保局( e p a ) 首先提出实施绿色照明( g r e e nl i g h t s ) 和推进“绿色照明计划( g r e e nl i g h t sp r o g r a m ) 的概念。1 9 9 3 年1 1 月我国 经贸委开始启动中国绿色照明工程，1 9 9 5 年1 1 月1 6 日召集八家单位研讨“中 国绿色照明实施规划 ，其中的一条就是倡导自然采光。目前我国的电能主要 是由燃烧化石燃料生产，在获得电能的同时向大气中排放了大量二氧化碳、二 氧化硫、氮氧化物等有害气体。充分利用自然光可以节约照明用电，节约照明 用电又可以间接减少自然资源的消耗及有害气体的排放。 1 2 研究意义 自然光具有一些物理特性，如波动性，微粒性，发出光辉，光色自然，能 够显示出质感，而且富于动态变化。基于这些特性，自然光有其它光源不可比 拟的独特表现力。自然光通过窗玻璃进入室内空间，由于光的质感和透明玻璃 的质感相似，而赋予人们以自然光的纯净的感觉。 2 山东大学硕士学位论文 自然光还具有透射、反射、折射等特性，将这些特性运用于光环境设计中， 可使光在室内空间产生丰富的表现力，赋予人们以开敞、凝缩、轻盈、含蕴精 力等感觉。此外，自然光还具有方向性。这不仅在室内空间可增强人和物的可 见度，改变室内空间的尺度和比例，还可产生光影效果，创造人和物的立体感。 由此可见，在室内空间利用自然光创造艺术环境是有很大魅力的。可以说这是 现代建筑喜用自然光的一个重要原因。 自然采光就是将日光引入建筑内部，并且将其按一定方式分配，以提供比 人工光源更理想和质量更好的照明。自然采光能够改变光的强度、颜色和视觉， 不但可以减少照明用电，还可以营造一个动态的室内环境，形成比人工照明系 统更为健康和兴奋的工作环境，开拓视野，放松神经，有益于室内人员的身心 健康。但是如果设计或者控制不当，会影响视觉效果，产生不舒适感，甚至会 增加建筑能源消耗。 很久以来，自然采光一直在建筑设计中获得广泛应用。随着空调、荧光灯 照明、钢结构框架等相关技术的发展，以及电能价格的下降，建筑开始向高层 化和大型化发展，这给自然采光带来了不便。对于大型建筑，楼层高，进深宽， 大部分区域离窗和屋顶较远，这些区域的采光完全靠人工照明来完成。但是， 最近的研究结果表明，在大型建筑的周边区域采用自然采光，还是非常有价值 的，虽然初始投资会高一些，但短期就可收回。 2 0 世纪7 0 年代初期，能源危机导致能源价格上涨，使得自然采光重新受 到人们的重视，因为它不仅节省能源和降低建筑能耗，还有助于减轻环境污染。 科学研究表明，自然光不仅对人的视觉系统有很大影响，而且还影响人体的光 生物学特性，可以改善人体身心健康、提高生产力。 自然光是取之不尽、用之不竭的绿色能源。在采用自然采光时，通过关闭 或调节一部分照明设备，节约照明用电，同时，还可以减少照明设备向室内空 间散热，降低空调制冷负荷。 利用自然光进行室内照明，对商业建筑节能具有重要意义，主要表现在以 下几个方面： ( 1 ) 资料表明，照明用电占整个商业建筑能耗的2 5 - 4 0 ，而自然采光在特 定的情况下可以节省5 2 的照明用叫1 1 ，数量相当可观。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 人工照明会向室内空间辐射大量的热。用自然光取代人工照明，可以 减少室内的热增益，进而降低室内暖通空调系统的制冷负荷【3 1 。对多数气候条 件下的商业建筑，制冷负荷远大于加热负荷。利用自然光，可以降低制冷设备 的运行费用。 ( 3 ) 商业建筑的电力负荷高峰通常发生在白天，特别是午后。利用自然光 可以削减电力需求高峰【4 1 。 ( 4 ) 相关研究表明，人在自然光条件下工作，可以增加满意度和提高工作 效率【5 ，6 1 。 1 3 自然采光研究现状 目前，国外关于自然采光的研究比较多，涉及的方面也比较广。d a n n y 和 j o s e p h 对一个全空调系统的走廊进行了照度测试，系统分析了影响自然采光的 人工照明负荷、荧光灯亮度、自然光照度水平和房间参数等因素，研究结果表 明，采用基于自然光的灯光控制系统可以节约照明用电7 0 左右【7 】。 a i a t h i e n i t i s 和a t z e m p e l i k o s 在文献 8 提出了一种自然光数字模拟模 型，它可以模拟先进的窗户系统，计算室内照度。这种特殊的窗户系统采用的 是一个双层玻璃窗，在两层玻璃之间安装有自动调节的百叶，整个系统的运行 操作由计算机自动控制来完成。模拟结果表明，在阴天采用这种控制系统可节 约7 5 的照明用电，在晴天可节约9 0 的照明用电。另外，对百叶进行控制可 以减少太阳直射得热和眩光。在时阴时晴的天气，室外的传感器感应天气参数， 自控系统决定天空类型，从而进一步控制百叶角度和室内自然光照度。 文献 9 - 1 1 回顾了自然采光的相关问题，包括建筑结构配置、太阳直射光 控制。文献 1 2 - 1 4 讨论了建筑自然采光的美学问题和营造戏剧舞台环境问题。 文献 1 5 - 1 8 研究自然采光时，室内照度计算和光环境评价技术。b o y c e 和r e a 系统研究了光环境对生产力和工作效率的影响【1 9 】。文献 2 0 - 2 4 研究了人对自 然光的反应，文献 2 5 ，2 6 研究了人对照明控制的反应，文献 1 5 ，2 7 着重讨 论了光对人的光生物学特性的影响。文献 2 8 3 0 介绍了如何把自然光传送至建 筑内区，文献 3 1 3 6 介绍了自然采光控制技术的新进展，文献 3 7 ，3 8 研究了 光传感器的性能。 4 山东大学硕士学位论文 国内关于自然采光的研究也比较多。天津大学的沈天行教授在这方面做了 大量的工作。早在1 9 9 2 年，沈教授在文献 3 9 4 1 中全面地分析了自然采光的 优缺点，系统介绍了自然采光的发展。就自然采光的方式、采光时间和空间的 突破、提高光的稳定性、采光测试技术、采光计算方法以及光资源的掌握与研 究等方面作了详细的分析。在文献 4 0 中，通过采光实测，分析了住宅小区室 外建筑遮挡对住宅自然采光的重要影响。对建筑遮挡系数及朝向系数提出了新 的观点，指出在不同的楼层室外建筑可以起挡光也可以起加强光的作用，对北 向房间往往起加强作用。在文献 4 1 】中，介绍了自然采光的新技术，如导光管、 光导纤维、采光搁板等，以及自然采光的新材料如热敏玻璃、光敏玻璃、光触 媒技术，为最大限度利用利用自然光提供了可能。华中科技大学的李保峰教授， 为了在建筑中增加自然采光和降低其采暖、制冷能耗，提出了一种“双皮式” 幕墙，对“双皮式 幕墙系统进行了分类比较，论述了其工作原理，分析了其 优缺点，并对其应用范围和发展前景做出阐述f 4 2 1 。在建筑光环境方面，北京建 筑工程学院的高履泰教授做了大量的研究工作，论述了自然采光如何与室内装 饰装修材料综合创造室内光环境以及创造室内自然光环境的方法 4 3 , 4 4 】。国内关 于自然采光的研究多是从建筑美学的角度考虑的，定性分析的较多，定量研究 的较少，文献 4 5 就办公建筑的特性参数如窗墙比、窗台高、透光率、窗形等 对自然采光和照明节能的影响进行了分析。 过去，自然采光研究总是强调天空亮度分布和自然光计算模型。近年来， 人们更注重自然光对室内人员的影响，以及如何改进建筑自然光设计技术，提 高工作效率。这些新的研究使得建筑更向人性化方向发展。 1 3 1 自然采光系统 建筑的自然采光需要在其维护结构上开口，即形成窗，允许日光进入并充 分分配和发散光线。设计良好的自然采光能避免因直射引起的削弱视力和产生 不舒适的多余得热和亮度，现代自然采光的创新为我们提供了范围很广的先 进、高效和高度完善的系统。根据窗位置、形式的不同我们可以将自然采光分 为侧窗采光系统、天窗采光系统、中庭采光系统和新型自然采光系统【4 1 1 。 ( 1 ) 侧窗采光系统 侧窗采光系统是在房间的一侧或两侧上开采光口，是最常用的一种采光系 山东大学硕士学位论文 统。光线具有明确的方向性，有利于形成阴影，并可通过它看到室外风景，扩 大视野。主要缺点是照度分布不均匀，靠近窗户的地方照度大，往里走照度下 降很快。一般房间的窗洞上口至房间深处的连线与地面所成的角度不小于2 6 度，则可以保证自然光在房间进深方向的均匀性。高侧窗可以看作侧窗的特例， 是一种非常好的使日光深入内部空间的方法。除了房间进深影响光线的均匀以 外，建筑物的间距、窗户的面积、分布及形状都影响房间的照度和均匀。 ( 2 ) 天窗采光系统 天窗采光时，光线自上而下，有利于获得较为充足与均匀的室外光线，光 效果自然宜人，在现代建筑设计和室内设计中经常采用。天窗采光除了上述优 点外，亦存在一些缺点，主要是直射阳光和辐射热的问题。前者由于是直射阳 光，对工作会产生不利影响；后者则需要加强通风以解决夏日闷热现象。 天窗采光系统根据开窗形状可分为矩形天窗、锯齿形天窗、横向天窗、井 形天窗和平天窗等类型，其中平天窗在公共建筑中应用较为广泛。平天窗就是 屋顶上的水平开口，是普遍采用的日光照明方法。如果用得合理，这是使光线 进入房间的最有效的方法。天窗通常布置成网格状，天窗之间的距离大约为地 面到顶棚平面距离的1 5 倍。最佳天窗窗地比可以从5 到1 0 或更高，具体数 值根据玻璃的透射率、天窗设计的效率、需要的照度水平和顶棚的高度以及房 间是否有机械空调系统而变化。大多数平天窗需要散射玻璃以控制太阳辐射， 所以无法看到外面。 ( 3 ) 中庭采光系统 中庭最大的贡献在于提供了优良的光线和射入到平面进深最远处的可能 性，允许进深较大的建筑能够自然采光，本身则成为一个自然光的收集器和分 配器。至于庭院、天井和建筑凹口可以看作中庭的特殊形式。 中庭的采光除了考虑直射光外，更主要的是光线在中庭内部界面反射形成 的第二次或第三次漫反射光。中庭起了一个“光通道”的作用，面向使用空间 的开口就是这条光通道的出口处，这条光通道四周的墙体决定了这一光线的强 弱，以及有多少光线可照到中庭底和进入建筑物底层房间的内部。 ( 4 ) 新型采光系统 随着现代科学技术的发展，出现了许多新型自然采光系统，如几何光学系 山东大学硕士学位论文 统、导光管采光系统、光导纤维引光系统等。 几何光学系统可以将光引至地下3 0 米的房间中。 导光管采光系统【4 6 4 7 , 4 8 1 将太阳集光器收集的光线送到室内需要采光的地 方，如中国建筑科学院已通过鉴定的无窗厂房和地下建筑自然采光研究成果， 就是用此法进行自然采光的。自然采光导光管照明系统的结构主要分为三部 分，一是采光部分，采光器由透明塑料注塑而成，表面有三角形全反射聚光器； 二是导光部分，一般由三段导光管组合而成，导光管内壁为高反射材料，反射 率可达9 2 9 5 ，导光管可以旋转弯曲重叠来改变导光角度和长度；三是散光部 分，可避免眩光现象的发生。由于这种自然采光导光管照明系统结构简单方便 安装，实际照明效果很好，在国内外发展十分迅速，应用也十分广泛。许多跨 国公司生产这种产品，如加拿大的s o l a t u b e 公司、美国的o d l 公司等。目前， 国外将这套系统广泛应用于家庭、工业、农业、商业等领域。 光导纤维也被称为导光纤维【4 9 , 5 0 】，是一种把光能闭合在纤维中而产生导光 作用的纤维。它能将光的明灭变化等信号从一端传送到另一端。光纤照明系统 可分成点发光系统和线发光系统。系统由发光器、发光导体和终端附件组成。 水平遮阳百叶可以把太阳光直射到天花板上，增加自然光的透射深度，保 证室内人员与外界的视觉沟通以及避免工作区亮度过高。然而，为了避免太阳 直射，遮阳百叶需要频繁地转动，在太阳位置变化之后，也要及时地重新调节 遮阳百叶。自动调节的遮阳百叶比较昂贵，并且有时噪音比较大，影响室内人 员工作和休息。 在过去的二十年，研究人员开发了多种自然采光系统，利用光学原理把太 阳光传送到建筑内部。通常，在屋顶利用两轴跟踪收集器收集太阳光，然后传 到光线传送系统。传送系统采用导光管、光学纤维或透镜和镜子传送光线，改 变光线方向，达到预定区域。但由于采光系统运行维护费用高，光束传送系统 光学损失大，另外由于建筑规范的限制，这些系统对一般的建筑照明来说并不 经济。 1 3 2 自然采光控制 控制是自然采光中非常关键的一个环节，它包含自然光的控制以及人工光 的控制两部分。 7 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 自然光控制 目前的窗帘应用主要有两个目的：一是防止室内局部光亮过大，引起人眼 不适；二是保护隔断室内外的自然联系，保护室内人员的隐私。在这种情况下， 对窗帘的控制多采用手工控制。当室内局部光亮过大时，手动调节窗帘开度， 降低室内光亮度，满足工作人员的照度需要。需要保护室内工作人员的隐私时， 手动关闭窗帘，这样就可以实现室内外的隔断。 相关研究表明，如果对窗帘施加合理的控制，可以有效地利用自然光，降 低照明能耗。这显然要比利用新型采光系统( 几何棱镜、导光管、光导纤维等) 来得方便，成本低廉。 对窗帘的控制，问题主要出在自然光强度和方向不断改变，太阳高度角的 变化，天空云朵的移动，都会影响到进入室内光线的强度、方向，导致室内自 然光照度的难以捉摸，给窗帘的控制带来诸多不便。 根据室内外光线的强弱、方向，灵活调节窗帘的开度，合理利用自然光， 一直是利用窗帘进行采光控制的中心环节。 ( 2 ) 人工光控制 人工照明控制有手动控制和自动控制两种。 通常情况下，上午第一个到来的人根据当时的室内亮度，决定要不要开灯。 灯一旦打开，就要一直亮下去，直到最后一个人离开房间，这就造成了照明能 源浪费。为了节约照明用电，最好对人工照明采用自动控制。常用的人工照明 自动控制系统有以下几种。 光电感应开关控制：这种控制方式以光电感应设定的照度来控制灯具的开 与关，光电感应开关通过测定工作面的照度与设定值比较，然后确定灯的工作 状态。这种控制方式在道路照明中已成功地使用了多年，国外在办公室和学校 也使用过这种控制系统。这种控制方式存在的问题是：当自然光水平在这个值 上下不规则波动时将引起开关的频繁动作。为了避免这种麻烦，一般采取延时。 分阶调光控制：这种控制方式是针对照度需要，配合使用者的个人爱好， 提供有不同效果照明器具，而不是只能以开关的方式控制照明。分阶式调光 使用较多为0 ，1 2 ，1 或者0 ，1 3 ，2 3 ，1 两种。一般应用在办公室、会议 室、走廊，采用的光源大多是荧光灯。 山东大学硕士学位论文 连续调光控制：当自然光照度超过照度设定值时，将灯关掉。但是，自然 光照度低于此值时，控制系统补充人工照明，以保持工作面照度值不变。连续 调光的调光器有两种，一种为电阻调光器，由电阻控制电流，而输入的总电能 不会因照明器光线的强弱变化多少，这种调光器价格低，主要目的是营造灯光 效果，无法达到节能的目的；另一种为电子调光器，它是利用控制电流改变输 入的电能，进而改变人工光源的发光量，实现能源节约。 复杂昂贵的照明控制系统运行效率并不必然比便宜简单的控制系统高。有 时，简单的开关控制比自动控制更经济、更有效。文献表明，在私人办公室采 用手动控制是一个比较高效的节能措施。对于开放式办公室和其它多人工作 区，工作人员更倾向于手动控制。采用手动控制时，照明开关必须设在工作人 员容易够到的地方。 距离窗户最近的一排照明灯要单独控制，这样，在自然光充足的时候可以 关掉建筑周边的照明灯，而建筑内部的灯仍然开着。对于多灯光源，可以采用 前后接线，保证室内人员可以全部关闭或者部分关闭同一排的照明灯。这种“阶 梯式控制比无级自动控制花费低，并且既可以人工控制，也可以自动控制。 目前，无级自动控制( 也称自动调光控制) 的研究方兴未艾，主要的灯具 生产厂商都在大力开发自动调光系统，提高灯具性能和调光器的可靠性。 自动调光系统的工作原理是，光传感器测量室内照度，发送信号给控制系 统，控制系统比较反馈值与设定值，再决定调暗或调亮照明光源。光传感器可 以在开环或者闭环系统工作。开环系统即光传感器只探测自然采光，闭环系统 即光传感器同时探测自然采光和人工照明。光传感器是自然采光自动控制系统 中的薄弱环节，最近发展的自运转光传感器技术可能会改善自然采光控制系统 的性能。 1 3 3 建筑能耗计算软件 建筑能耗的模拟和分析是进行建筑节能设计和评估的重要手段，相关的软 件在国内外已有广泛的应用，如：e n e r g yp l u s t 5 1 1 、d o e - z 5 2 】、a s e a m 、a l b s t 、 b l a s t 、t a s 等。下面将介绍几种目前国内外常用的建筑能耗模拟分析软件： ( 1 ) e n e r g yp l u s e n e r g yp l u s 是一个用来模拟建筑物及其相关的供热、通风和空调等设备 的软件，于1 9 9 6 年开始研制开发，2 0 0 1 年投入使用，是美国劳伦斯伯克利 山东大学硕士学位论文 国家实验室等科研机构开发的建筑能耗分析软件。主要特点有：采用集成同步 的负荷系统设备的模拟方法；在计算负荷时，用户可以定义小于l h 的时间 步长，在系统模拟中，时间步长自动调整；采用热平衡法模拟负荷；采用c t f 模拟墙体、屋顶、地板等的瞬态传热；采用三维有限差分土壤模型和简化的解 析方法对土壤传热进行模拟；采用联立的传热和传质模型对墙体的传热和传湿 进行模拟；采用基于人体活动量、室内温湿度等参数的热舒适模型模拟热舒适 度；采用各向异性的天空模型以改进倾斜表面的天空散射强度；先进的窗户传 热的计算，可以模拟包括可控的遮阳装置、可调光的电铬玻璃等；自然光照明 的模拟，包括室内照度的计算、眩光的模拟和控制、人工照明的减少对负荷的 影响等；基于环路的可调整结构的空调系统模拟，用户可以模拟典型的系统，而 无需修改源程序；与一些常用的模拟软件链接，如w i n d o w s ，c o m i s ，t r n s y s ， s p a r k 等，以便用户对建筑系统作更详细的模拟；源代码开放，用户可以根据自 己的需要加入新的模块或功能。 ( 2 ) d o e 一2 d o e 一2 是目前世界上最为流行的建筑全能耗分析软件，包括负荷计算模块、 空气系统模块、机房模块、经济分析模块。其中，负荷模块利用建筑描述信息 以及气象数据计算建筑全年逐时冷热负荷。冷热负荷，包括显热和潜热，与室外 气温、湿度、风速、太阳辐射、人员班次、灯光、设备、渗透、建筑结构的传 热延迟以及遮阳等因素有关。 ( 3 ) r a d i a n c e r a d i a n c e 是一个采光效果设计和照度计算的软件，旨在设计和优化建筑 的天然采光系统和人工照明系统。它是在c a d 平台上开发的一个插入模块，其 工作环境就是c a d 的工作环境，该软件通过r a d i a n c e 综合成像系统( r a d i a n c e s y n t h e t i ci m a g i n gs y s t e m ) 提供采光和照明效果，也可模拟计算某一点的照 度和采光因数。 ( 4 ) d e s t 5 3 ，矧 清华大学开发的d e s t 建筑环境设计软件包，这是一个基于功能的模拟软 件，用于对建筑、方案、系统及水力计算进行模拟，以校核设计，保证设计的 可靠性。d e s t 采用逆向的求解过程，基于全工况的设计，d e s t 在每一个设计 阶段都计算出逐时的各项要求( 风量、送风状态、水量等) ，使得设计可以从传 1 0 山东大学硕士学位论文 统的单点设计拓展到全工况设计；在实际设计过程中，减少消耗在数据输入上 的时间是非常重要的，d e s t 采用了各种集成技术并提供了良好的界面，因此可 以很方便地应用到工程实际中。 1 4 本文主要工作及章节安排 本课题先期以方案设计和仿真为主，后期拟以实验为主，结合各种控制策 略为指导，实现自然采光的智能化控制。 本课题的主要研究内容：分析了影响采光的主要因素，利用采光基本理论， 建立了基于窗帘控制的自然采光模型，该模型包括三部分：自然采光温度模型， 照度模型，太阳能增益模型；针对自然光的易变性和难以捉摸性，论文提出了 窗帘模糊控制策略，不仅可以较多地利用自然光，还可以有效地消除窗帘的频 繁移动；建立了自然采光和人工照明综合控制策略，室内有人，采用照度优先 控制，室内没人，采用能量优先控制；利用自然采光的目的是节能，主要体现 在照明能耗的减少上，通过对典型建筑在不使用自然光、使用自然光的开关控 制以及使用自然光的调光控制三种情况下的照明能源消耗的计算、比较，得出 了自然采光节能结论。 本文各章节的安排如下： 第一章绪论主要介绍了本课题的研究背景和研究意义，指出了自然采 光研究的重点和难点，并对自然采光的研究现状进行较为详细的介绍。对各种 采光系统进行了介绍，总结了当前应用较多的自然采光控制技术，并指出它们 的不足之处。 第二章自然采光基础知识简要介绍了基本光度单位的定义和天空模 型，并重点介绍了室内照度的计算。 第三章自然采光模型介绍了建筑光环境，在对采光影响因素分析的基 础上，建立自然采光模型。 第四章自然采光控制策略研究本章为本文的重点，在这一章里，着重 阐述了窗帘的模糊推理控制，介绍了常用的智能照明控制系统，最后提出了窗 帘和照明的协调控制策略。 第五章自然采光节能性分析本章通过对典型建筑在不使用自然光、使 山东大学硕士学位论文 用自然光的开关控制以及使用自然光的调光控制三种情况下的照明能源消耗 的计算、比较，得出自然采光节能性结论。 第六章结论总结本课题从问题的提出到解决的整体思路，总结本课题 的优缺点，提出下一步工作的重点。 山东大学硕士学位论文 第二章预备知识 本章主要介绍采光基础知识、天空模型、室内照度计算，为接下来章节的 讨论做准备。 2 1 光度量单位 本节将介绍基本光度量单位，包括光通量、照度、发光强度、亮度、对比 度 5 5 , 5 6 , 5 7 】。 2 1 1 光通量 由于人眼对不同波长电磁波具有不同的灵敏度，我们就不能直接使用光源 的辐射功率或者辐射通量来衡量光能量，必须采用以人眼对光的感觉量为基准 的单位光通量来衡量。光通量常用符号来表示，单位为流明( 1 m ) ，由式 ( 2 1 ) 计算： 矽( 五) = p ( 五) y ( 五) k ( 2 1 ) 式中： ( 旯) 波长为允的光通量，单位为流明( 1 m ) ； 尸( 五) 波长为五的辐射通量( 辐射源在单位时间内发射的能量) ，单位为瓦( w ) ； 矿( 五) 波长为五的光谱光效率； 以最大光谱光效率，对明视觉来说，在a = 5 5 5 n m 处，其值为6 8 3 1 m w 如为多色光，其光通量为各单色光的总和，即 矽( 九) = 矽( 五) + 矽( 五) + 。= k 尸( 力) y ( 名) 】 ( 2 2 ) 2 1 2 照度 对于被照面而言，常用落在单位面积上的光通量多少的数值来衡量它被照 射的程度，这就是常用的照度( 常用符号e ) ，它表示被照明面上的光通量密 1 3 山东大学硕士学位论文 度，设被照面无限小面积d a 上接受的光通量为彤，则该点的照度e 为： e ：坐 c l a ( 2 - 3 ) 当光通量矽均匀分布在被照面a 上时，则此被照面的照度为： e ：鱼( 2 4 ) a 照度的常用单位为勒克斯( 简称“勒”，常用符号为l x ) ，它等于1 流明的光 通量均匀分布在1 平方米的被照面上。