顶部采光的节能分析.pdf

2 0 0 7年 3月 第 1 8 卷第 I 期 照明工程学报 Z HAO MI N G G ON GC HE NG XU E B AO Ma r Vo l 2 0 0 7 1 8 N o I 彭鹏郑洁周玉礼朱磊 重庆大学 城市建设与环境工程学院 重庆4 0 0 0 4 5 摘要 在定性分析天窗采光对建筑能耗影响的基础上 利用e Q U E S T 能耗模拟软件为工具计算分析了天窗采光照 明在不同天窗开口大小下的供冷 供热及照明能耗节约量的变化规律 探讨了照明功率密度 照明控制方式以及不 同气候地区的典型城市采用天然光照明的节能特性 关键词 天窗 天然采光 天窗开口率 照明功率密度 能耗 T h e E n e r g y E f f i c i e n t A n a l y s i s o f T o p D a y l i g h t i n g S y s t e m P e n g P e n g Z h e n g J i e Z h o u Y u h Z h u L e i F a c u l t y o f U r b a n C o n s t r u c t i o n a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g C h o n g q i n g U n iv e r s i ty C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 5 Ab s t r a c t B a s e d o n t h e q u a l i t a t i v e a n a l y s i s o f t h e i n fl u e n c e o f t o p d a y l i g h t i n g t o t h e b u i l d i n g e n e r g y c o n s u m p t i o n w e u s e t h e e Q U E S T a n a l y s i s t h e i n fl u e n c e o f t o p d a y l i g h t i n g s y s t e m t o t h e e n e r g y s a v i n g s o f c o o l i n g h e a t i n g a n d a r t i f i c i a l l i g h t i n g i n d i f f e r e n t s k y l i g h t t o fl o o r r a t i o a n d d i s c u s s e d t h e e n e r g y e f fi c i e n t c h a r a c t e r i s t i c o f t o p d a y l i g h t i n g i n d i f f e r e n t l i g h t i n g d e n s i t y c o n t ro l t y p e s a n d c l i m a t e s K e y w o r d s s k y l i g h t t o p d a y l i g h t i n g s k y l i g h t t o fl o o r r a t i o l i g h t i n g p o w e r d e n s i t y e n e r g y c o n s u m p t i o n 引言 随着经济的发展 建筑能耗在国家的能源消费 中所占的比例越来越大 在保证良好的室内环境的 同时 降低建筑能耗 促进城市的可持续发展已成 为一个重要的课题 据调查 目前公共建筑能耗中 采暖空调和照明能耗所占比例很大 以北京市某大 型商场为例 其用电量中 空调系统所占比重最大 达到5 0 其次为照明用电 达4 0 其余 1 0 为 电梯用电 而在美国商业建筑中 照明用电所占 比 例为3 9 在荷兰这一比 例高达5 5 3 在巴 西 照明用电在有空调的商业建筑中所占比例为 2 4 而在无空调的商业建筑中所占这一比例更是 高达7 0 14 1 可见 照明在建筑能耗中占有很大的 比例 因此也有着巨大的节能潜力 在绿色照明工程中 需要特别重视的是天然光 照明 利用天然光进行室内采光照明不仅可以有益 于环境 而且在天然光下人们在心理和生理上感到 舒服 有利于身心健康 提高视觉功效 利用天然 光照明 是对天然资源的有效利用 符合可持续建 筑的发展思想 然而 目前国内有关天然采光对建 筑能耗影响方面的定量研究较少 鉴于此 本文在 定性分析天然光照明对建筑能耗影响的基础上 利 用基于D O E 2 2 的e Q U E S T 能耗模拟软件分析公共 建筑中天窗的采光对供冷 供热以及照明能耗之间 的相互影响 探求照明功率密度 照明控制方式对 能耗节约量的影响 并分析不同城市采用天窗的昼 照明工程学报2 0 0 7年 3月 光照明的节能潜力 1 定性分析 为了更清晰地了解天然光照明对建筑能耗的影 响 我们 首先介绍一下本文提到的天然采光 d a y l i g h t i n g 这里的天然光照明是指天然采光与合 理控制的人工照明系统的结合 其思想是 当室内 光线的照度达到或超过工作面的照度设定值时 调 暗或关掉人工照明 这样可以最大限度地利用天然 光 从而达到节能的目的 单纯的天然采光如果不 采用照明控制的话 除了建筑美学上的意义外 根 本不能降低照明能耗 从而也达不到节能的目的 昼光照明根据窗户的位置和朝向可分为侧窗采 光 高侧窗采光和顶部 天窗 采光 5 1 天窗采光 对建筑用能项 目的影响主要有三个 照明能耗 供 冷能耗和供热能耗 三者之间的交互作用决定着采 用天然光照明时对整幢建筑的能耗影响情况 一方 面 当室内照度水平达到或超过设计标准值时 通 过调暗或关掉照明灯具 利用自然光照明 从而降 低了照明能耗 另一方面 在调暗或关掉照明灯具 的同时 减少了照明散热量 在夏季会降低空调冷 负荷 而在冬季又会增加采暖热负荷 与此同时 通过天窗的导热和太阳辐射对供暖和空调能耗都有 着重要的影响 天窗采光照明对建筑能耗各因素的 影响可用图 1 表示 光以及各种不同的照明控制策略来分析天然采光的 能耗 计算过程主要有三个步骤 1 采光系数的计算 结合每个窗户 或天 窗 的面积 计算标准晴天空和全云天空条件下2 0 种不同太阳位置的室内照度 计算的照度来源包括 来自太阳光及天空光的各种直射及反射光线的照度 照度的计算还考虑到了天空亮度分布 窗户大小 形状 朝向 玻璃的透光率 内反射系数 日光控 制方法如遮阳 屋檐及外遮挡等 2 逐时天然光照度及眩光计算 通过添人 预先计算好的由当前逐时太阳位置与云量计算得来 的采光系数获取进人各个窗户的逐时照度及眩光 3 逐时照明控制的计算 计算各种照明控 制方式下的照明电耗 然后将照明所需的能耗信息 传送到负荷计算模块 来计算整幢建筑的能源消耗 情况 3 计算模型的建立 本研究以重庆市为例 利用e Q U E S T能耗模拟 软件建立一办公楼仿真模型进行研究 由于天窗采 光只对顶层能耗产生影响 所以本研究只建立一 1 3 8 4 耐 的单层建筑作为模型来研究 为了保证天然 光照明计算的准确性 建模过程中充分考虑了顶棚 高度对天然采光的影响 并尽可能使各种参数设置 更为理想 其中 仅在建筑内区采用天窗采光 外 区可利用侧窗采光 没必要设置天窗 计算的初始 设置条件如表 1 所示 表 1 初始设皿条件 内容详细参数信息 建筑外形 天窗 单层矩形结构5 2 8 x 2 6 4 1 3 8 4 时 弧形天窗 U二 5 2 W 甘 K V T 0 4 9 5 S C二 0 5 4 图 l 顶部的采光照明对各因素的影响 平均照明 功率密度 设计照度水平 天窗井深度为0 1 5 m 内反射系数为 7 0 1 3 W 2 Z 计算原理 e Q U E S T 的计算内核是基于D O E 2 的高级版本 D O E 2 2 其中采光计算部分用来分析采光照 明对整幢建筑能耗 峰值负荷等的能源消费情况 采光的模拟计算是在 D O E 2 的L O A D S 模块下进 行的 通过计算逐时日照特性 太阳辐射得热 眩 照明控制方式 HVAC 3 0 0 1 x 1 0 型连续调光控制 C o n t i n u o u s M i n i m u m l i 沙 t 1 0 空调采用风机盘管系统 利用集中供应的冷热水 采暖空调 4 天然采光的能耗特性分析 为了表示方便 笔者在这里定义天窗的总面积 第 i 8 卷第 I 期彭鹏等 顶部采光的节能分析 与屋顶总面积的比为天窗的开口率S F R S k y l i g h t t o F l o o r R a t i o S F R对建筑能耗有着重W的影响 大 的S F R 可以使室内从室外获得较多的天然光线 起 到良好的天然光照明作用 但S F R过大又会导致过 多的太阳辐射热进人室内 从而增加夏季的空调能 耗 同时 S F R过大 还会增加冬季通过天窗导热 而造成的热损失 增加采暖能耗 另一方面 S F R 过小又会使得进人室内的天然光线不足 达不到理 想的节能效果 因此 合理的S F R对提供照明和太 阳得热负荷之间的平衡就显得格外重要 4 1 S F R对建筑各用能项的影晌 采用夭窗采光后 对建筑能耗影响主要有 照 明能耗 由于照明散热量的减小而造成的供冷能耗 及供热能耗的变化 图 2分别是无天窗 S F R二 0 采用天 窗天然光照明后 S F R I S F R二 2 S F R 二 1 4 时各能耗节约量的变化趋势 图 能耗增加 另一方面 由此而异致的散热量增加又 减小了冬季供暖能耗 而建筑总能耗则是照明能耗 空调能耗以及供热能耗三者之间交互作用的综合结 果 为了研究天然光照明时照明功率密度对建筑能 耗的影响 我们分别计算了不同天窗开口率时照明 功率密度 W l o w 扩 1 5 W 时 W二2 O W 时 和 W 2 5 W 耐 时各用能项的能耗 图3 是采用天然 光照明时不同照明密度下建筑总能耗节约量的变化 曲线 补 0 工x考孜渊 姗君护军茫钧 人窗开I i 率S F R A 份丫 一一 不二弓 W 1 S 一 门 卜 W 1 5 A W 2 1 0 W 2 5 图3 照明功率密度对总能耗节约量的影响 w I 8 1 0 1 2 1 一 东 J 大窗刀 l I S F R 刊 卜 供冷能l L 一 杏一 供热能耗 卜 一 照明能K 总i se t 图 2 能耗节约最随 S F 日的变化 从m中可以看出 利用天然采光后照明能耗的 节省是对建筑能耗影响的主要因素 随着 S F R的增 加 照明节约的能耗刚开始时迅速地增加 后来随 着S F R的增加继续平缓地增加 供冷能耗节约量相 对较小 而供热能耗节约薰始终为负值 且随着 S F R 的增大而增大 综合照明 供冷 供热能耗的 影响 建筑总能耗的节约量则开始时随 S F R的增大 而增大 当 S F R为 4 时达一最大值 后来随着 S F R的继续增大而逐渐减小 此时照明节约的电量 为1 3 2 5 0 k W h a 占照明总耗电量的2 4 6 建筑 总能耗节约量为 9 5 7 0 k W h a 总能耗节能率为 7 7 a 4 2 照明功率密度对建筑能耗的影响 照明功率密度对建筑能耗有着重要的影响 一 方面 随着照明功率密度的增大 照明能耗和空调 研究发现 采用天然光照明时 不同照明功率 密度下的总能耗节约量有着很大的差异 其中 照 明功率密度大的情形下能耗节约量比照明功率密度 小的要大得多 从计算结果可知 照明功率密度 W 二 1 0 W m 2 时 在S F R为3 a 时总能耗节能量达最大 值 此时节约的电量为7 7 9 0 k W h a 总能耗节能率 6 5 而 W 2 5 W 时 时 在S F R为5 时有最大 节能量 节约的电量为3 2 1 1 0 k W h a 节能率高达 1 7 5 两者的差异相当之大 W二1 5 W m 2 和 W 2 0 W m 时的最大节能率则分别为1 0 9 和 1 4 5 造成这种差异的主要原因是由于照明功率密度大时 采用天然光照明后人工照明能耗节约量大而造成的 因此 对于照明功率密度较大的建筑如商场 高档 办公楼等采用天然光照明将有更大的节能潜力 且 节能潜力相当可观 4 3 控制方式对建筑能耗的影响 在天然光照明中 控制对其节能有着重要的作 用 单纯的天然采光如果不采用照明控制的话 除 了 建筑美学上的意义外 根本不能降低照明能耗 从而也达不到节能的目的 为了研究不同控制方式对建筑能耗的影响 我 们分别模拟计算了在不同S F R下开l 关控制 二阶阶 IO 八们巴月nlJ口n倪刁0亡do 口封 Ll 受ltL竹山 一1 00 Tx石 彝洲 碱毓拼宾提扮 照明工程学报2 0 0 7年 3 月 段式控制 三 阶 阶段式 控制 5 型连续 控制 C o n t i n u o u s M i n i m u m L i g h t 5 1 0 型连续控制 C o n t i n u o u s M i n i m u m L i g h t 1 0 以及2 0 型连续 控制 C o n t i n u o u s M i n i m u m L i g h t 2 0 时的能耗 各种控制方式的建筑总能耗节约量随S F R的变化如 图 4所示 区的哈尔滨 长春 寒冷地区的北京 郑州 夏热 冬冷地区的上海 武汉 重庆以及夏热冬暖地区的 广州 福州等城市进行了模拟研究 图5 是同一建 筑模型在不同城市采用天窗采光照明后的节能率变 化趋势图 0 0 02 一 04 户簇 二 4 1 0 ti 北京 广州 哈尔滨 上海 武汉 重庆 一郑州 福州 一长春 S F R 图5 各城市总能耗节能率的比较 000工X泞彝巴 酬鱿护冀提钩 S F R 劝 卜 开 关控制 卜 二阶阶段式控制 卜 三阶阶段式控制 一 i f 一 1 0 型连续控制 一 2 0 型连续控制 叫卜 5 型连续控制 图4 不同控制方式对总能耗节约量的影响 从图中可以看出 不同的控制方式其节能效果 和最佳天窗开口率是不同的 其中 1 0 和 5 型 连续控制在 S F R为 4 时所节约的能耗最大 2 0 型连续控制在 S F R为 3 时达到最大能耗节约量 而另外三种阶段式控制方式则在更大的天窗开口率 S F R均为5 时有最大能耗节约量 在这六种控 制方式中 开 关控制节能量最小 2 0 型连续控制 节能量最大 其次为三阶阶段式控制 其节能量大 于 1 0 和5 型连续控制 另外值得注意的是 在阶段式控制中 当S F R 为较小值 1 时 其节能量与连续控制有很大的差 异 其中开 关控制的节能量甚至为负值 二阶阶段 式控制的节能量几乎为 0 而三阶阶段式控制的节 能量也远远小于连续控制 这是由于在天窗开口率 较小时 进入室内的天然光照度较小 尚不足以达 到关掉灯具所要求的照度 因此就没有足够的照明 能耗节约量来平衡供冷和供暖由于开天窗而散失的 能源消耗量 但是从计算结果可以看出 二阶阶段 式控制和三阶阶段式控制的最大能耗节约量 S F R 5 时 丝毫不比5 和 1 0 型连续控制的能耗节 约量小 因此 在考虑经济性和节能两者之间的平 衡时 选择合适的控制方式尤为必要 4 4 天然光照明的气候差异性 为了研究不同气候地区天窗的天然采光对建筑 能耗的影响 我们针对同一建筑模型分别在严寒地 从图中可以看出 严寒地区的哈尔滨 长春与 其它城市的节能率有着显著的差异 其中 哈尔滨 长春的节能率非常接近 且均当S F R为 3 时有最 大节能率 分别仅为2 6 和2 8 这是由于该地 区建筑中供暖起主导作用 采用天然光照明后供暖 能耗有较大的增加 抵消了所节约的照明能耗而造 成的 而广州由于供暖不起主导作用 采用天窗天 然光照明的节能率最大 且当 S F R为 5 时 节能 率达最大值 为 1 3 其次为福州 最大节能率为 1 1 其它几个城市节能率由小到大依次为北京 最大节能率6 3 郑州 7 1 重庆 上海和 武汉 因此 天然光照明对于无需冬季供暖的地区 有着更大的节能潜力 而在哈尔滨 长春等冬季供 暖能耗较大的地区由于天然光照明对供暖能耗的负 面影响较大 其节能潜力较小 5 结论 5 1 建筑采用天窗采光后 如果设计得当 不仅可 以降低照明能耗 而且还可以在一定程度上降低供 冷能耗 且存在一供冷能耗 供热能耗及照明能耗 三者之间的最佳平衡点 使建筑总能耗达最小值 5 2 采用天然光照明时 最佳开窗率与照明功率密 度 照明控制方式以及气候等诸多因素有关 5 3 空调建筑采用天然光照明时 不同照明功率密 度下的总能耗节能率有着很大的差异 而且对于照 明密度较大的建筑采用天然光照明将有更大的节能 潜力 下转 P 2 0 照明工程学报2 0 0 年 3月 参考文献 飞 J JFeseses 盆07 r LL JF L 1 C I E 1 2 7一1 9 9 7 M e a s u r e m e n t o f L E D s 2 P h o to m e tr ic M e t h o d o f L i g h t E m i tt i n g D io d e 照明学会 志 1 9 9 7 第6 1 卷第2 号 3 L u x e o n S ta r T e c h n ic a l D a t a s h e e t P h il ip s L u m il e d s L i 沙t i n g C o m p a n y 2 0 0 6 4 簇U s i n g t h e P T 6 I O O i 6 2 1 0 i 6 3 0 0 a s a C o n s t a n t C u r r e n t S o u r c e T e x a s I n s t r u m e n t s I n c o r p o r a t e d 2 0 0 1 目亮等 发光二极管国家光度标准的研究 现代 计蚤测试 2 0 0 2 1 1 8 一 2 1 发光二极管测试技术和标准 物理学和高新技 术 2 1 0 3 5 3 1 9 一 3 2 4 N I S T的 L E D光通量测量 中国照明电器 2 0 0 6 5 2 2 2 5 1 JJ工 4尤J6 尸己 r了 七 上接第 1 2页 5 4 不同气候地区采用天然光照明的节能效果差异 很大 在供冷为主导的地区采用天然光照明有着更 大的节能潜力 而在严寒地区由于天然光照明对供 暖能耗的负面影响较大 其节能潜力较小 参考文献 I 薛志峰 江亿 北京市大型公共建筑用能现状与 节能潜力分析暖通空调 2 0 0 4 3 4 9 8 一 l i t 2 E I A E n e r g y e n d u s e i n t e n s i t i e s i n c o m m e rc i a l b u i l d i n g s E n e r g y I n f o r m a t i o n A d m in i s t r a t i o n U S D e p a r t m e n t o f E n e r g y W a s h 咭 to u S e p t e m b e r 1 9 9 4 L 3 S li e p e n b e e k W V a n B r o e k h o v e n L E v a l u a t io n o f s t i m e v t h e a l l D u t c h u t i l i t y s p o n s e n e d l i 沙r i n g r e b a t e p r o g r a m s R i g h t L i 婀T h r e e T h i r d E u r o p e a n C o n f e r e n c e o n E n e r g y E ff i c i e n t L i g h t i n g P ro c e e d i n gs 仁 7 V o l I P r e s e n t e d p a p e rs E n g l a n d 1 9 9 5 P R O C E L H a n d b o o k o f e n e r g y s a v i n g s i n p u b l i c a n d c o m m e r c i a l b u i l d i n g s 1 9 9 3 李农 杨燕译 旧 照明协会编 照明手册 北京 科学出版社 2 0 0 5 F r e d e r i c k W i n k e l m a n n a n d S t e p h e n S e l k o w i t z D a y l i 沙t i n g s i m u l a t i o n i n D O E 2 T h e