【《基于建筑光环境的办公建筑节能设计》19000字】

II一引言1.1研究背景与意义在城市化发展过程中，随着城市化率的不断提高，建筑规模在迅速扩大，大量办公建筑在各大小城市中拔地而起。然而，大多数办公楼的设计主要集中在自身的质量上，而对内部消耗的忽视导致了日益严重的能源消耗问题。在发达国家所经历的社会主义发展时期和过程中,随着我国城市化的不断推进,人民群众的物质和文化水平也将得到极大地改善,而第三产业的增长将持续加速，在未来较长时间内建筑能耗将持续增长，致使我国在建筑节能问题上也将会面对较大挑战，因此降低建筑能耗的问题已经迫在眉睫。国家发改委能源研究所联合美国劳伦斯伯克利国家实验室、落基山研究所和能源基金会(中国)联合发布的《重塑能源：中国》项目成果报告中指出，在重塑场景下，建筑部门于三大能源消耗部门中减排潜力最大，相较于参考情景相比其减排潜力为74%，它可以提供大约50%的能源节约，以实现减少碳排放的目标[1]。对于办公类建筑来说，人工照明的能耗在其整个生命周期的能源消耗中占据了很大比例。在办公建筑室内环境中，光环境是其不可或缺的一大组成部分，而光环境的舒适性则大多是通过大量的人工照明所提供的，以至于办公楼写字楼等建筑白天照明系统满负荷运行的现象频现。有研究表明，当今办公建筑能耗占比中人工照明能耗已经排名第二，仅次于空调系统，且不止于办公建筑，非常多的常规建筑如教育建筑等，照明的能耗占到总能耗的35%上下[2]，而在全国电力总消耗的结构上，照明能耗占据超五分之一，显然这与社会中所提倡的“绿色、低碳、可持续”是相背离的。由此，将办公建筑作为研究的对象，分析其特征并构建节能方案，以降低照明系统能耗，改善总能耗结构，有着实质性的意义。通过查阅相关资料了解到，照明系统中有四大类因素拥有较大的节能潜力，分别为灯具类型、照明方式、天然光利用与人的行为。以构成照明系统的各种照明灯具产品为代表的案例,其发展历程经过了很多个阶段,如今我们在照明中常见的led灯相较于传统的荧光灯具,它们有着消耗低、体积小、使用寿命长、更好地保护环境等特点,并且于我们的照明灯具制造者而言,led灯具可以在有限的时间里做到尽量最大限度地为人们所设计艳丽的灯光,因此LED逐渐被应用开来。在建筑光环境中，不仅包括照明灯具提供的光环境，天然光环境也是不可忽视的一部分，合理利用天然光并结合人工照明，为办公建筑提供舒适的光环境的同时降低能耗已经成为了当今照明领域的热点课题。1.2国内外研究现状营造可持续发展的建筑生态环境,通过照明系统进行照度控制策略,使得室内环境能够得到有效的管理和调控,营造出舒适且安全节能的建筑室内环境,其与国内学者江亿等人提出的营造“改善型”室内环境的理念如出一辙[3]。因此，建立一个舒适的建筑环境和减少能源消耗是建立可持续建筑环境的目标，而规范建筑环境则是实现可持续建筑环境的一种手段。想要建设可持续建筑环境需要在光舒适环境、能源消耗等多个方面协同进行调控，以建成可持续的建筑环境有机整体。1.2.1建筑光环境舒适性研究现状Galasiu等人研究了建筑用户接受和满足办公楼内照明光环境的条件[4]。ArajiMT等人深入地研究了室内光环境的舒适度与整个办公室内部他人行为之间的相互关系,并在研究中提出了一种基于太阳光舒适度的办公室门窗口装修设计理念,以进一步提高办公室内部的光环境质量[5]。KimSY等人研究了在不同的桌面光照度水平下,光照度的波动对于纸张和计算机所使用工作中的不同影响,并通过使用相关的数据模型拟和得出其相对应的数学公式[6]。CarlucciS等人通过分析和研究总结了过去十多年间国内专家学者们对室内光环境和其舒适度的主要研究成果，详细地描述了用来评价室内光照射环境的主要指标和室内光舒适的主要指标，为与室内建筑环境相关的设计从业者提供了有效的建筑设计评价依据[7]。唐蕾、钱桦等人研究了对于人体饿需求和室内视觉饿舒适性之间的四个重要因素方面的关系，概括了室内舒适环境的必要条件，并拒之提出实用的设计方法。这四个必要的条件包括：1.为人们提供足够的自然光；2.拥有自然的风光和景观，使人们能够有一种视觉上的享受；3.具备柔和而又富有层次的人工照明；4.使人有纯净和明亮的视觉感受[8]。学者朱赤晖在他的研究内容里把室内光环境分成了七个层次：黑、暗、稍暗、合适、稍亮、亮、耀眼，应用类似于丹麦凡格尔教授提出的热舒适PMV指标的方法，以此来为室内人员对其环境和舒适性的评价作调研。结果显示当光环境的照度为300lx~500lx时，受访者在灯光环境中所评价的平均值均是0.5，并认为其所处的光环境能使他们感到舒适，以此说明了当等光照度达到了规范所要求的值时能够满足身处其中的人对于舒适性的需求；但是当光环境的照度大于700lx时，身处其中的人们会感到室内比较亮，从而对灯光环境的评价平均值认定为1。同时他还利用Weber-Fechnerlaw定律,确立了一种对光环境的评估指数,定义了PMV与不满意度比例的关系[9]。1.2.2照明节能研究现状MatejaTL通过采用模糊逻辑控制的方式设计了一种新型的控制百叶帘角度的光照控制系统，并达到了改善室内照明环境的目的[10]。TugceK使用BP神经网络预测了室内的自然光照度，并通过实验验证了模型的准确性，有效地避免了照度传感器地分布问题[11]。Einspornd对LED灯和荧光灯等对照明系统能量消耗地差异进行了分析，结果表明，采用高效灯具的照明系统能够使得对天然光和照明灯具光通量的优化控制过程中，达到明显的节能效果[12]。柳燕飞等学者通过对国内外的建筑照明系统中存在的部分问题进行深入分析，设计出了将建筑内的照明控制系统和建筑智能系统中的其他系统联合起来一起考虑的节能方法，并通过仿真总结分析了该系统的性能[13]。陈学良等人通过对遮阳百叶帘移动的位置以及其旋转的角度适当的调整，把自适应模糊控制系统的相关技术应用在了室内遮阳百叶帘控制系统中，使百叶帘的控制系统能更快地进行自适应控制[14]。张亚等人将智能化技术应用在了照度自动检测系统，并利用模糊控制系统的相关技术将其整合为了智能化照度控制系统[15]。王雅宁等学者提出了一种新型室内照明无线监测与模糊控制管理系统，其以ZigBee无线传感器监测网络与模糊控制管理技术体系作为理论基础，通过无线传感器根据网络自动分析采集室内照明的各种相关灯光环境的控制信息,并向室内照明传输有关照明环境控制指令,将室内有关照明环境控制信息进行数据采集作为模糊照明控制器的主要输入量,建立模糊控制器的规则数据库,实现室内室外照明的模糊控制[16]。1.3当前研究存在的问题目前国内外的许多学者都在进行关于建筑环境的舒适性和节能方面的研究，特别是关于建筑环境的舒适性、建筑内的能源消耗和建筑环境的控制，已经取得了许多宝贵的成果，但在这些领域仍然存在一些问题：1.对于光舒适而言，目前更多的方向倾向于通过天然光对室内的照度进行补足，这样往往会忽略天气变化等因素，如阴天、傍晚等日光照度条件不良时，如何满足室内光环境的舒适度；2.在照明节能的研究中，目前研究方向倾向于两种控制，一是通过调节百叶或窗等，利用自然光的补足以减少室内需要提供的光照度，从而减小能耗；二是构建人行为模型，在人少区域通过对灯具的开关控制达到节能的效果。这两种方案我认为并不太适用于办公建筑，原因在于首先办公建筑更需要其中的人们专注于工作，而利用光感传感器频繁地调节百叶和灯光的照度、色温，会使得在其中工作的人们难以集中全部精力于桌面。其二，办公建筑中公共区域多，人员往来频繁，因此通过构建人行为模型以达到照明节能的效果会显现出其两大弊端，如果将调控灵敏度提升，在人员往来频繁区域其灯具可能会产生频繁开关的现象，更不利于节能，而若是降低灵敏度，则会造成灯具常开或常关的结果，导致其节能意义不明显。1.4主要研究内容 在实际生活场景中，办公建筑中占比空间最大，人员最多的区域为公共办公区，由于其公共区域多，人员往来频繁灯特点，其照明系统并不适合灯光的频繁调控，这种情形下系统的运行既会造成能源浪费，又会使得其中工作的人员难以专注。本课题的研究内容主要内容包括：归纳与提炼光舒适的定义，搜集相关的标准与规定。充分利用可以查询到的资料、文献等，以更多的了解到我国办公建筑目前的室内照明状况，建筑的主要使用者对于光舒适的主观感受，并确定室内工作人员所认为的光舒适包含哪些方面，找出室内员工对室内光环境的关注点，以便于提出模型及方案。以办公建筑中的典型空间为研究对象，分析其中室内照明系统的特征。从照明控制系统的几种控制方式中，分析探讨出影响照明系统能耗的诸多因素。根据办公建筑的实际照明需求，保证照明系统高效合理地使用能源，本课题将基于光环境舒适性的影响，考虑节能要求，设计适用于办公室内的照明方案，以实现节能的目标。2办公建筑室内光环境分析二办公建筑室内光环境分析2.1办公建筑室内光环境的特点办公室内的光环境是由多个相关的因素共同组成的。通过查阅资料与实地观察发现，除了自然光照之外，人工照明的类型和形式，遮阳设施饿类型，遮阳设施的开闭，工作人员的行为习惯及室内各表面的反射率等都与光环境有很大关系。尤其在综合办公区中，集合了单位公司大量的日常活动，包括呼叫中心、服务台等，他们都是公共空间办公室，因此，设计一个明亮和温和的光环境可以创造一个有利于提高工作效率的环境，同时也能满足人们对光照舒适性的需求。人工照明方式通常被作为办公室中白天増加室内照度的方法，而其照明控制的方式有很多种，且不同的控制方式优点不尽相同，最常见的控制方式有：智能控制、手动控制、BA控制等。2.2办公建筑室内光环境问题分析通过查阅资料与实地走访可以发现，当前国内办公室内光环境普遍具有以下几个特点：1.室内灯光的照度不足，光照均匀度不佳。现代的办公建筑很多都是大进深与大空间，并且几乎都采用侧窗进行采光，使得离窗户较远的建筑内部空间存在照度不足光线昏暗等问题。然而到了夏季时，阳光的照射又会导致临窗位置受到过强的光照，从而与室内光环境形成光照不均匀的现象，导致办公人员易于出现视觉疲劳，从而降低工作效率；2.临窗位子易于产生眩光。由于现代的办公建筑大都采用了玻璃幕墙的设计，加之楼与楼的间距不大，在夏季光照强时各楼面之间容易出现反光现象，从而导致大型光斑的产生，因而导致临窗位子易于产生眩光。为减轻光照影响，室内不得不采用拉窗帘的办法，而这则又影响到其天然采光效果。同时，现代办公楼的办公设备离不开计算机，而计算机的屏幕有着较高的反射率，导致光线从电脑屏幕上反射出来，引起眩光；3.缺少照明控制策略。办公楼中照明系统全天满负荷状态运行的情况随处可见，没有根据室内办公人员的需求对照明系统进行调节，仅仅是始终满足工作状态下的照明需求，不仅导致了人们对视觉满意度的降低，同时导致浪费了大量的能源。2.3办公建筑室内照明系统的控制方式分析目前国内办公室的照明控制系统主要分为传统控制方式、BA控制和智能照明控制方式。传统的控制方式主要是经由照明配电箱，以手动调节开关的形式简单地控制某个照明灯具的开闭，想要实现远距离的控制需要在回路中通过串入接入器的方式来实现。传统控制方式的主要优点是其在接线和安装时比较简单，实现成本也比较低。其主要缺点之一就是由于这种控制手段和方式较为分散，难以在真正意义上实现集中控制，并且由于手动开关直接与220V电压相连，一旦与电压相连地线路出现问题，可能会直接威胁到操作人员的生命安全，相对于其他的控制方式来说危险性较高。从节能角度出发，传统控制方式由于其照明系统中灯具的开关完全由人去控制，导致采取传统控制方式控制照明的楼宇中常常会出现大量灯具全天开启状况，浪费了大量的能源。BA控制是将照明控制纳入建筑物自动控制系统，是以电气触点来实现分区控制、定时开关、中央监控等功能。而且其相对于传统的控制模式，BA控制方式能够很轻易地实现对照明灯具的远程控制。同时，在将其整合到BA系统中以后，就可以有效地对相应灯具的打开或关闭状态进行监控。然而BA系统的控制方式依然存有一些缺陷，由于其控制功能设计相对来说比较简单，基本上只可以实现简单的分区照明控制及自动定时开闭地功能，同时，由于其本身对BA系统有着很强的依赖性，当BA系统出现故障时，所对应的照明控制系统也会因此而受到一些相应影响。智能控制是近年来照明系统控制的主流技术，通常是指无需人为干预即可自主驱动智能机器并实现对目标的自动控制的技术，通常以控制理论、自动控制、网络通信等学科为基础，通过对所需信息的采集与计算处理，最终实现控制需求。相较于传统控制与BA控制，智能照明控制有着全自动化、克服频闪、更加节能与便于管理的优势。通过系统管理人员对照明工作状态的设置，可以更好的维持室内照度，使其始终保持在恒定的照度值附近，达到更好的照明效果的同时，也取得了节能效果。通过上述分析可知，智能照明控制系统在诸多方面有着较为明显的优势，伴随着大众对节能认知的逐渐加深，以及能源获取成本变高，智能控制的普及将成为大势所趋。2.4点光源照度计算模型对于建筑光环境空间中的人造立体光源，当其为一个类似椭圆形的轴向发光体且其直径要小于光源至受照面垂直距离的1/5，或当其为线性发光体且长度小于照射距离（斜距）的1/4时，则可将该光源视为点光源。为了简化计算，将环境空间理想化，并假设室内各个墙面的反射系数对计算点的照度影响甚小，忽略不计，如下图所示，根据照度学的相关公式可得式1-1。图1-1点光源照度模型图dΦ=Iθ式1-1中，dΦ是面积元dAn上的光通量，Iθ是光源照射方向上的光强，dω是面积元dEn=dΦdAn=I而Eh为法线方向照度En在水平方向上的投影照度，即光源S在水平面上计算点P处的照度，Eh=Encosθ此外，对于图1-1中光源S对计算点P之间得距离L，可通过空间立体几何的算法求解，式为：COSθ=zi−在实际的应用中，由于灯具的实际配光照度曲线都通常是按照光源光通量为1000lm来给出的，因此在对配光灯具进行实际照度的计算时就需要通过综合考虑灯具的实际光通量Φ以及维护系数K，则式1-3可将其写成：Eh=通过以上1-1~1-5式可对室内任一个计算点，任意单个灯具的照度进行计算，其真实照度即是其空间中所有灯具对计算点照度贡献值的叠加。因此，当室内有m个灯具时，计算点P处的照度如下式1-6计算所得：E=E1h+E2h+...Enh...+2.5本章小结本章介绍了光环境的特点及当前建筑室内光环境中存在的问题，之后将照明控制系统的几种类型，包括传统控制、自动控制以及智能控制，结合其控制方式，对其优缺点进行了比较与分析。贯穿照明控制系统发展阶段的节能理念与本文研究出发点相契合，系统中蕴含的设计理念为能耗影响因素的分析指引了方向。在此基础上，介绍点光源照度的计算方法，为后续的研究路程做好铺垫。3办公建筑室内光环境舒适度分析三办公建筑室内光环境舒适度分析3.1室内光环境舒适度的概念3.1.1光舒适度定义舒适的光环境能为人们的精神状态以及心理感受带来积极方面的影响。在生产、工作和学习等场所中，良好、舒适的光环境不仅能使人们降低疲劳感，并且可以提高工作效率与工作质量；在用来休息、娱乐等公共场所中，合适地光环境能够根据需求创造出轻松、优雅、愉悦或庄重严肃的气氛[17]。无论在哪类建筑中，光环境都是其重要的组成部分，如何营造出舒适的光环境，提高视觉舒适度，在建筑光学中一直被作为主要课题来研究。因此，探讨光舒适的定义是解决该课题是首要目标。以当前的研究成果来讲，目前普遍认为光舒适包含两方面意义。首先，从字面含义来说，光舒适就是能使身处其中的使用者感到舒适的光环境。但人的感觉具有很强的主观性，其随着每个人的个体标准要求的不同，所体会到的主观感受也会随之变化，因此从每个使用者个体的主观感受出发来评价光舒适是难以得到准确指标的。同时虽然目前还没有绝对有效的证据能够表明光舒适与室内使用人员的工作生产效率存在直接关系，但改善办公室内的光环境则一定能够提高室内工作人员的舒适性[18]。从另一角度来讲，天然光与人工照明共同构成了室内的光环境，在不同室内空间中由于采光量和光线分布各不相同，不同型号的人工照明灯具之间其光谱发射率甚至天差地别，两者共同构成的室内光环境效果也就会存在较大差距。由此可以发现光舒适的影响因素众多，因此其客观的权威定义是难以找到的。通过研究相关文献，近年来，国内外学者对于光舒适的研究指标可以总结归纳为下述几方面：照度、光均匀性、显色性和炫光指数。其具体分划指标见表1-1[19]：表1-1光舒适评价指标采光数量评价指标采光分布评价指标炫光指数评价指标采光质量评价指标照度亮度均匀性亮度显色性采光系数照度均匀性亮度比色温全天然采光时间百分比有效照度比(DGI）3.1.2光舒适量化评价指标量化性质的指标标准是指能够通过使用各种光学测量仪器进行标准定量测量或通过数学计算所能够获取的测量数据标准。近年来相国家部门通过组织相关领域的专家学者制定和出台了《GB50034－2013建筑照明设计标准》和《GC50033－2013建筑采光设计标准》，标准中明确规定了适用于我国地各种类型的建筑光环境基本设计与评价指标，且明确规定了“采光设计应该做到技术先进、经济合理、并有利于视觉工作与身体健康”。通常认为室内光环境的舒适度量化标准应该满足以下几方面：照度水平、亮度比、色温与显色性、炫光干扰[16]。对于不同应用类型的场所来说，其对于照度值的需求也不同，需要的照度值并非越高就越好。有研究表明，光照照度水平的增加能够对视觉效果的改进达到一定的程度。适宜的照度水平所指为在某种工作环境下，大多数人都能够感到较为满意且能够保证工作效率的照度值。在我国《GB50034－2013建筑照明设计标准》中给出了具体的照度值如表1-2[20]。除了应满足相应照度值外，适宜的照度水平还应包括室内昭度分布均匀。照明设计标准中规定，办公室、阅览室等工作的房间照度均匀度应不低于0.7，作业面周围均匀度不应低于0.5。表1-2办公建筑照明标准值（来源：建筑照明设计标准）房间或场所高度(m)参考平面照度标准值（lux）普通办公室0.75水平面3高档办公室0.75水平面500会议室0.75水平面300视频会议室0.75水平面500接待室、前台0.75水平面200服务大厅0.75水平面300设计室实际工作面500文件整理、复印、发行室0.75水平面300资料、档案室0.75水平面200（1）亮度比在工作场所中，不仅工作时所面对的对象，工作面、天花板、墙、窗和照明灯具等也都会直接地进入到每个身处其中的工作人员视线中,这些物品的亮度水平共同地构成了周围视线地适应的亮度。如果其与视线中心照度的亮度之比太高,就有可能为眼睛造成负担,使眼睛产生疲劳或炫光感,降低其视觉功能。长期地工作在这种灯光环境中,不仅会导致工作效率下降，甚至可能会对工作在其中的部分人员的身心健康产生一定程度上的不利影响。不舒适地亮度比还会使人对室内空间形象产生不好印象。因此,室内主要的表面都需要具备合理的亮度分布。通过相关调研表明，在工作房间内工作台的周围亮度应尽可能地低于工作台亮度，但不应低于工作台亮度的三分之一。（2）色温与显色性我们通常以色表和显色性这两个指标来评价光源的颜色质量。光源的色表即人们用肉眼看光源时直接看到的颜色，显色性即光源发出的光照射到物体表面时所产生的客观视觉效果。当不同颜色的物体被灯光照射后所产生视觉效果和标准的光源照射产生效果一致，则该光源的显色性被评价为良好，相反的，当物体被灯光照射后在视觉效果上与标准效果不同，有颜色失真效果，则该光源的显色性为较差。不同光源其光谱也不尽相同，导致了不同光源间的色表和显色性也会有所差别。比如当不同光源的光谱不同时，虽然可能会具有相同的色表，但显色性却可能天差地别，但有些情况下色表完全不同的光源也很有可能具有相同的显色性。人们所需求的舒适度和色温有着密切的关系，往往色温越高，舒适度就越高。同时光源地显色性对于营造良好的室内环境氛围也很重要。CIE对室内照明中常见地光源色温分为三类，其中对于办公建筑显色性与色温要求见表1.3。表1-3办公建筑显色性和色温表（来源：建筑环境学）用途色温（K）显色性Ra色表办公室3300-530060-80中间（3）炫光干扰当人们直接或间接地（指反射等方式）看到灯具、自然光等亮度极高的光源，亦或视野中地某一局部地区前后发生了过大的亮度变化时，我们就会感受到炫光。炫光不仅能够损坏视觉，引发厌恶、不舒服甚至短暂失去视野。同时其也是导致视觉疲劳地重要原因之一。因此，在对室内照明进行设计时应将炫光控制在允许范围之内。依据《GB50034－2013建筑照明设计标准》中规定，在视觉显示终端的工作场所中，与灯具中垂线成65°~90°范围内的灯具，其平均亮度限值应当符合表1.4的规定。表1-4灯具平均亮度限值（cd/m²）（来源：建筑照明设计标准）屏幕分类灯具平均亮度限值屏幕亮度大于200cd/m²屏幕亮度小于200cd/m²亮背景暗字体或图像30001500暗背景亮字体或图像150010003.2办公建筑室内光舒适影响因素分析影响室内光舒适的要素主要有三个，即天然光、人工光源和使用者，这三者之间相互作用。天然光相较于人工光源有着不可替代的强大优势，其显色性好，光效高，而又富于动态变化，适当的引入自然光有利于提高室内光环境整体评价，但自然光也有着其自身的不足之处，由于自然光本身也具有不稳定性，不均匀性，以及容易产生眩光等的特性，比如容易受到天气和时间季节灯因素的影响，因此很多时候仅靠自然采光很难达到室内光舒适的要求，而这时则需要引入人工光源，以填补自然采光的不足。而人工光源的品牌、型号等各因素又需要根据需求进行选取，因此人工光源不确定性及对于室内光环境的影响也很大。使用者即室内光环境的使用人员，使用人员的位置与人工光源和天然光又互相影响，共同塑造了室内光环境。3.3办公建筑室内光环境舒适度需求分析办公建筑中，对于营造舒适地光环境，往往需要通过照明的方式、灯具以及光色的种类选择与设计,以营造舒适的办公用光环境,优化办公空间光环境质量。 通过查询相关资料分析，在办公建筑中，上午上班时段和傍晚时段为员工对照度需求最强，而在午间，大多员工会选择睡眠等方式对身体进行放松，上班前与下班后，如无特殊原因，人们不再需要工作所需的光照条件。因此从需求角度来讲，舒适的室内光环境不应仅仅是满足工作所需，还应满足在不同时段建筑使用人群的实际需求，最后通过室内的合理配光，使办公人员减轻灯光造成的视觉疲劳。3.4本章小结本章通过研究光舒适的定义，详细地将办公建筑室内光舒适的量化指标进行了介绍，总结与分析，基于光舒适的概念及指标，探讨了影响室内光环境舒适度的因素，包括：天然光、人工光源、使用者，以及他们之间互相影响的关系。最后提出了室内光环境舒适度的需求，即不同时段室内办公人员所需求的光环境不同。根据其实际需求进行配光设计，能够使得研究成果在基于办公人员的需求之上，满足光环境的舒适性。4办公建筑室内照明系统节能设计四办公建筑室内照明系统节能设计4.1照明系统能耗及影响因素分析伴随着我国照明技术和控制系统的逐渐发展和全球化的进行,以及2008年世界性能源危机之后,人们在设计照明系统时,不仅要充分考虑到照明的环境,还必须从社会和经济学的角度来充分考虑到照明系统的性能与成本问题。对于办公建筑的照明能耗来说，其主要的影响因素颇多，有如室外的自然光、室内的人工照明光源类型和其排布方式的设计、照明系统控制方式、对应的输电线路功率及能耗、室内人行为等等。明确以上因素，并于其对照明系统能耗的影响方式及影响程度进行定量分析，将为建筑前期的照明设计阶段提供一定效益。通常我们将照明系统能源消耗的影响因素大致大致地划分为主要因素和次要因素。比如在照明系统的运行过程中，PWM调光输入的大小、天气情况等变动不会对输电线路的功率和电能消耗造成较大波动，因此这些变动能影响到的系统总能源消耗量非常微小，而系统的能耗相对来说是稳定不变的；其次，墙壁反光系数和窗户的透光率也无法对照明系统的能源消耗产生直接实质上的影响，因此将这些因素归于次要因素。而在照明系统的设计过程中，不同类型的灯具、室外自然光照度及照明系统的控制方法这些都是会直接影响到照明系统能源消耗的问题，由此将这些归为影响能耗的主要因素。4.1.1不同灯具类型与照明能耗的关系照明灯具的电能消耗是现代建筑照明系统中能耗的主要影响因素之一，因而在设计之初对照明灯具的合理选择，于建筑照明节能而言有很大的意义。同时，选择合适的灯具可以更大地发挥出照明光源的作用。在施工过程中，一旦建筑中所使用的灯具被确定下来，那么之后就只能够以采取更高效与更适合的照明系统的控制方法来达到节能目的了。因此，为了使照明系统中的能耗问题得到改善，在照明设计地初期阶段就应对灯具有适宜的选择。在目前的灯具市场中，其种类十分繁杂，不同的灯具其效率也不尽相同。在一般的建筑内主要应用控照型和带保护罩的照明灯具，其中，敞开式照明灯具反射率为75%，透明式照明灯具反射率为65%，而磨砂保护罩类型的灯具其反射率却只要55%，以对应应用到不同场所规定的照明度要求。现如今由于节能得到了更多的重视，因此近几年越来越多的拥有高效、节能性质的照明灯具正被应用于建筑物照明系统的设计当中。高效节能照明灯与普通灯具相比，其照度值得到了1~3倍的提升，同时其使用寿命也得到了延长。在此基础之上，高效节能照明灯具的光污染更低，紫外线反射率也较低，光衰程度也比普通灯具低，因此是一种良好的照明灯具。本文通过查阅相关资料，得到以下常用灯具数据对比。表4-1灯具数据表灯具名称功率（W）光通量（lm）整流器（W）效能（lm/W）普通环形荧光灯221250无56.8T8标准直管荧光灯161350467.5T5荧光灯282790487.1LED（大功率）181600无88.8LED（嵌入式筒灯）807800无天然光与照明能耗的关系窗户、幕墙等是建筑室内的主要采光入口，室外天然光由此参与到影响室内的光环境[21]，当室内自然光在日常使用中由于受到照明的时间及场合条件限制,无法实现室内的照明效果,就需要在室内开启相应的人工光源以使得室内的灯光环境得到改善,为室内办公人员提供舒适、稳定的光环境。室外的自然光会随着时间变化，如月份、季节的改变，从而表现出不同的光照度,例如从日照时长角度来说，夏季日照时长会明显高于冬季的日照时长，因而对于照明系统来说，其在夏季的正常运行时间就应明显少于冬季时该照明系统所正常运行的时间长度。日照的时常以此方式，间接地影响到各建筑中照明系统的能耗。4.1.3控制方法与照明能耗的关系对于不同类型的建筑物或不同的房间来说，由于其用途或使用功能并不相同，为营造一个健康、舒适、节约低碳的照射光环境，这就使得各种建筑物的照明设备和系统都应依据一个规范的照度指示标准,以充分利用自然光，人工光源对照度进行补足为原则，采用不同的照射量和控制策略以达到活动所需。采用不同的照明控制方式可以达到不同的节能效果[22]。照明控制方法将照明系统的控制要求不同作为依据,分为自然光控制和人工照明控制两个方面。(1)自然光照度控制需求天空中散射而出的自然光进入到建筑空间中而成为了建筑光环境的一部分。为满足在一般性建筑空间中人员所需的照度值要求，当自然光照度过低时，需要依据GB50034《建筑照明设计标准》中照度和照明均匀度的相关标准，对室内光环境使用适当的智能化照明控制策略，对应开启适当的室内照明来补足照度；当自然光照度过大时，可以调节遮阳百叶帘的位置或角度以降低自然光照射。(2)人工照明照度控制需求人工照明作为是办公建筑室内照明的重要组成部分，无论在自然光照度充足或不足的状态下，人工照明都有其不可替代的作用。如室内临窗位置照度过高，造成与室内其他位置光差过大时，通过开启人工光源对照度差进行填补，以减少眩光的产生。人工照明的控制方式中，我们目前主要的控制方式有定时分区控制、场景控制、混合照度控制和人员控制四种。4.2照明系统节能设计4.2.1照明系统节能设计原则1.经济性照明系统设计的其中一个重要原则是提高经济效益。依据照明设计的要求，在设计中设计人员通常选取更具环保性的材料以及相关节能设备，通过减少照明系统的初期成本费用，以在较短的时间内更大比例地拿回投入运行的费用。照明系统的初期设计中不仅要重视节能与环保，也要尽可能地考虑降低安装使用过程所产生地资金消耗。在节能设计的同时，还要结合投入的资金考虑，不能因投入资金太多而导致费用地严重超标。除此之外还应考虑施工和使用过程中产生的不必要的能源浪费，并采取有针对性的节能措施，例如传输线、变压器以及电气设备所产生的电能损耗，这些能源消耗不会为建筑功能的发挥提供任何作用，反而会导致能源的过多耗费，增加成本，因此在以上这些情况中应将的能耗尽可能地降低。2.适用性除经济性原则外，建筑照明节能的设计还要满足适用性原则。适用性原则就是指建筑电气节能设备不仅需要保障建筑人工环境所需的能源，为建筑设备的正常运转提供动力，保障用电设施有可靠的容量负荷，还需要对建筑在施工和使用期间的配电进行优化设计，科学合理地运用电能。照明方面节能设计不能因为一味追求节能而无法保障建筑物的功能。照明设备要能够为建筑物正常的照明功能提供保障，还需要为建筑提供良好的人工环境。照明节能设备也不能妨碍建筑物内各运输通道的正常运转。3.满足功能需求照明系统的设计还应当将该建筑的用途和行业等特点作为参考依据，用以对应地进行设计。例如在工业建筑中往往需要亮度值大，而又范围相对比较固定的照明，但在商业类场所中如购物中心等，则需要色温较高的照明，以营造出较为温馨的氛围。因此，在对照明系统进行设计时应当在满足其建筑类型对应的需求基础之上，并且分析清其光环境都有哪些影响因素，以此来对应地进行照明系统地设计。4.2.2合理拟定照明方案在照明设计中，对照明方案进行科学、合理的设计是实现建筑照明系统节能的一个必不可少的条件。为了能够使照明方案更加优化，我们在设计时一般需要从以下两个方面出发。第一，不能只注重于照明设计或设备的新颖，一味追求潮流，而忽略实际的照明需求，使得其难以满足对应场所的照度所需，即应遵循实用性原则。比如在为天然采光比较充足的屋子设计照明系统时，应当更多地利用天然光去满足室内照度所需，从而适当地减少照明设备；而在其他类具有相对比较复杂的智能系统的建筑空间中，应尽量选择混合照明的控制方式。最后，在设计中应以国家规定和行业规范作为基础，参照《建筑照明设计规范》对照明系统进行合法、合理的设计。4.2.3运用高效光源在照明系统设计中，高效的光源通常不仅能够带来更好的照明效果，还能为建筑节能助力，因此就需要对照明灯具的选择进行比较全面的思考。我们在设计之时应当在了解建筑内相关情况的基础上，结合实用角度进行合理的光源选择。在对光源进行选择时，首要就应该考虑该光源能否满足该建筑使用者的照明需求。通常情况下，当灯具的安装高度较低时，一般选取荧光灯来照明，安装高度较高的话就选金卤灯类型。根据《建筑照明设计标准》中的规定，普通办公室照明功率密度LPD现行值为11W/m²，目标值为9W/m²，对应照度值为300lx。LPD限值是国家依据节能方针从宏观上作出的规定。因此要求照明设计中实际的LPD值应小于或等于标准规定的LPD最大限值。如果相等，说明是“合格”的设计；如超出，则是“不合理”设计。因此要求设计师努力优化方案，力求降低实际LPD值，使之小于，甚至大大小于规定的LPD值，做到“良好”或“优秀”的节能设计。LPD值与平均照度、光效、利用系数与维护系数相关，其关系表达式为LPD=Eavη式中Eavη——光源的光效U——利用系数K——维护系数根据相关规定，办公室、学校类—包括办公、会议室、教室、文档、阅览等，采用筒灯。利用系数U取0.6，维护系数K取0.8。因此，为降低LPD以达到节能设计的目的，应选择高效光源和灯具，设计的照度计算值可低于规定的照度标准值，但不应低于其90%，适当降低灯具安装高度，以提高利用系数。因此，本文在设计之初考虑到降低功率密度值的需求，将LPD值估值为5左右，根据公式可求得光效应在125左右，通过灯具型号的选择，以及办公区域要求的灯是低对比度高舒适型，最终选取深藏防眩且光效为100的EVERFINE-LEDQD07280MA筒灯（西铁城）与MediaMPB72T12060Z面板灯，灯具信息如下图4-1。图4-1灯具信息图4.3照明系统节能方案不同时间段，办公建筑内员工对于照明条件需求不同，因此，本文将室内照明系统以智能控制的方式，将其分为四个模式：工作模式、午间互动节能模式、正午下午节能模式、休息节能模式。工作模式：在上午工作时间内，天然光光照强度由弱转强，为不造成因室内与室外照度差较大引起眩光等不适，应在上午工作时间段内应提高照度，使室内照明系统工作在一个稳定的照度上，室内所有灯具以额定功率运行；午间互动节能模式：午间时，太阳高度角最大，日照最为强烈，考虑到午间为员工休息时间，因此室内照明满足一般活动场所照度标准值100lx即可，关闭工作台区高照度值的平板灯，同时降低洗墙灯照度，以避免眩光产生，仅开启小功率防眩筒灯；正午下午节能模式：下午为员工正常工作时间，此时日照充足，故对室内照明照度进行下调，同时关闭装饰照明用的洗墙灯，在靠近窗户区域使用调光模块适当降低筒灯与平板灯照度；休息节能模式：为避免办公建筑长时间无人而运转在工作模式而增加能耗的情况，在本文解决方案中加入休息节能模式，该模式下，仅需满足走廊场所要求的照度标准值100lx，其余灯具关闭，以达到节能的目的。4.4本章小结本章通过分析照明系统中灯具类型、天然光及照明控制方法对照明系统能耗的影响，根据各因素的影响度，结合照明系统的节能设计原则，拟定本文对于照明系统的节能方案。方案中结合办公人员在办公空间不同时间段对于照明条件的不同需求，设计合理的照明方案，并依据现行《建筑照明设计标准》对功率密度值LPD的规定，通过计算选取适用的相关灯具，提出照明系统节能方案。5基于光舒适的办公建筑室内照明系统节能设计五基于光舒适的办公建筑室内照明系统节能设计5.1考虑光舒适度的照明系统模型5.1.1光学软件DIALuxDIALux由DIAL公司开发，由于DiaLux灯光模拟软件的便捷性与实用性，目前在照明行业中已被国内外广泛使用。DiaLux灯光模拟软件有着很多实用且强大的功能：1.适用范围广。DiaLux灯光模拟软件可以在室内、户外或街道等场景中完成照明设计，照度计算等数据处理，适用性非常广泛；2.学习成本低，专业人员与初学者均可通过短期学习进行使用。软件工作界面的操作逻辑与常规软件相似，同时拥有“DIALux灯光精灵”向导功能，可以一步步引导设计人员对相关场所进行设计；3.拥有开放且广泛的灯具数据库。DIALux的灯具库目录中拥有各灯具厂商的相关灯具产品型号和具体的光学数据，包括众所周知的Philips、BEGA、THORN、ERCO、OSRAM等众多大型公司的灯具，同时将这些灯具集成于Plugin数据库中，以便于查找和使用；4.DIALux能够自动对设计照明方案中的灯具整理与分类，包括其中的照度、色温和配光曲线等，进一步提高了设计使用的便捷性；5.自动计算与报表输出。照明设计方案中，光照度、均匀度、能耗等是照明设计人员时刻关注的数据，而通过DIALux强大的计算处理功能，可以自动对需求的数据进行统计处理，并生成为报表。5.1.2搭建DIALux模型空间通过查阅相关资料了解到，一般办公桌尺寸为1400*800*760，中型办公区一般可容纳20人，据此本文在DIALUX中搭建尺寸为13.5m*8.5m*3.5m的仿真空间作为中型办公区研究对象，将其设为理想化的应用场景，使用DIAlUX软件绘制该空间。按照国家照明设计要求，以距地面0.85m处为参考面，根据照度标准实验中的期望照度设定为300lx。构建模型毛胚图如下图5-1(a)所示。将可供20人使用的办公桌置入模型，并配备讨论区与过道，生成模型图5-1(b)。图5-1(a)三维空间图图5-1(b)模型图建模完成后，计算可得其面积为108.14㎡，为了更好地对灯具数量及位置进行把控，查阅照度与灯具关系方程如下：Eav=式中Eavφ——每盏灯具地光通量U——利用系数A——房间面积K——维护系数根据上式，可算得共需筒灯62个，平板灯18个，通过灯具的排列，使工作面照度值达到标准300lx。空间中灯具的排布如图5-2所示。图5-2灯具位置图5.1.2照明方案模拟在搭建基础模型后，继续在模型上优化，以0.75m为工作面，构建典型办公区模型。设定并添加灯光场景，以工作模式为例，为提供充足的照度，将灯具状态设定为全开，得到工作模式照明效果如图5-3。图5-3工作模式照明效果图在此基础上，选择添加灯光场景。场景设定参数为：1.午间互动节能模式下，关闭工作台上方平板灯，打开通道灯亮度并下调为50%，打开环境洗墙灯亮度下调为40%，使得通道照度维持在100lx左右，同时通过调节灯光照度以对应午间员工需求，灯光模拟图参见图5-4(a)；2.正午下午节能模式，所有通道灯和工作区域平板灯亮度下调为60%，灯光模拟图参见图5-4(b)；3.休息节能模式，关闭工作面平板灯，保留通道部分灯光并将亮度下调至60%，满足一般通道照度标准，灯光模拟图参见图5-4(c)。图5-4(a)午间模式灯光模拟图 图5-4(b)下午模式灯光模拟图图5-4(c)节能模式灯光模拟图5.2照明系统光环境舒适度结果分析在模型基础上分别添加进午间互动节能模式、正午下午节能模式、休息节能模式，并计算照度，得到照度计算平面图分别为图5-3(a)、(b)、(c)、(d)。图5-3(a)工作模式照度平面图图5-3(b)午间互动节能模式照度平面图图5-3(c)正午下午节能模式照度平面图图5-3(d)休息节能模式照度平面图图5-3各模式下照度平面图为便于观察不同模式下照度变化情况，此处继续利用DIALUX的\t"/item/%E4%BC%AA%E8%89%B2%E5%9B%BE/_blank"数位\t"/item/%E4%BC%AA%E8%89%B2%E5%9B%BE/_blank"影像处理技术来将灰阶影像的\t"/item/%E4%BC%AA%E8%89%B2%E5%9B%BE/_blank"图片转换成为\t"/item/%E4%BC%AA%E8%89%B2%E5%9B%BE/_blank"全彩的彩色影像，得到其伪色图如图5-4(a)、(b)、(c)、(d)所示，对应伪色图照度分级表如图5-5。图5-4(a)工作模式伪色图图5-4(b)午间互动节能模式伪色图图5-4(c)正午下午节能模式伪色图图5-4(d)休息节能模式伪色图图5-4各模式下伪色图图5-5伪色图照度分级结合以上各模式下计算得出的照度平面图及伪色图，验证了方案基于光舒适的设计，即工作模式下，办公桌工作台位置照度达到300lx标准，工作台周围照度为250lx，满足工作台地周围亮度低于工作台亮度且不应低于工作台亮度地1/3，通过防眩筒灯即防眩平板灯的选择，即舒适的亮度比，有效控制了眩光的出现，满足光舒适需求；午间互动节能模式下，在走廊区域照度值为100lx-300lx，工作台区域则尽量降低照度，满足午间休息与临时活动的需求；正午下午模式下，在靠近窗户区域依靠天然光填补照度，工作台照度依然为300lx标准值，通过灯具3991K色温值的选择，满足光舒适需求；休息节能模式下，工作台区平板灯全部关闭，工作台区照度降低，但走廊区域照度依然满足100lx以上的标准，满足使用需求。5.3照明系统能耗结果分析在对各照明方案配置后，使用DIALUX软件对各模式能耗进行计算，计算结果统计如下图5-6(a)、(b)、(c)、(d)。图5-6(a)工作模式能耗结果图5-6(b)午间互动模式能耗结果图5-6(c)正午下午节能模式能耗结果图5-6(d)休息节能模式能耗结果图5-6能耗计算结果对以上四种模式能耗结果分析可知，相较于办公区长期运行于工作模式或满功率状态下，在满足基础照度标准的情况下充分根据办公室内员工需求对办公室内灯光照明系统进行调配，可极大节省电能的无故消耗。5.4本章小结本章以搭建实验仿真模型的方式，使用其中的各项数据对本文中构建的照明系统模型及照明能耗的节能性进行了实验验证。该模型结果表明，本文建立的基于建筑光环境的照明节能方案，在外界天然光环境所能提供的光照有限时，使用DIALUX软件计算各工作台的照度数据依然达到光舒适与节能的目的。通过对不同时段室内办公人员对照明条件的需求，对室内照明系统进行调节，能够在满足员工于办公时间段内对光舒适需求的同时，在节能模式下达到基本活动所需的照明条件标准。该模型优化了照明方案，且在使用过程中能大幅度降低照明系统的能源消耗。6总结与展望六总结与展望6.1总结伴随着我国城市化进程得加速，大量建筑如雨后春笋般拔地而起，同时也造成了建筑所产生的能耗在逐年递增，使得建筑能耗占国家的能源消耗总量占比逐渐增大，因此对于建筑的节能设计研究工作需要被迫切地展开。相比其他类型建筑而言，办公建筑数量占比更多，能源消耗量大，使得其被视为我国建筑节能方面的重点研究对象。照明系统作为办公建筑的重要组成部分之一，其能耗也占到了办公建筑能耗总量的30%以上，具有巨大的节能潜力。因此，如何结合建筑光环境，满足室内工作人员对视觉舒适度所需同时达到照明节能的目的成为了目前建筑节能领域相关热点课题。在实际的工作与生活中，办公建筑中的照明系统时常在无人时依然处在满负荷运行状态，其不合理照明控制导致了能源的无故浪费。此外，照明系统的设计方案也时常不能满足室内办公人员的实际使用需求。对于以上情形的分析，本文结合了建筑光环境舒适度及其运行方面进行节能研究，研究内容大致为以下三个部分：（1）将办公建筑作为研究对象，详细分析探讨了其内部照明系统的特征。从建筑室内光环境的特点与影响因素进行分析，探讨当前办公建筑室内光环境的问题与需求。（2）以办公建筑为研究对象，分析了影响照明系统能耗的因素，包括灯具类型对能耗的影响、天然光对能耗的影响和照明控制方法对能耗的影响。为实现照明系统的节能，本文基于不同时段室内员工对照明环境的需求，提出照明节能方案：建立四种不同模式的照明方案，通过实际需求进行模式的调节，在光照充足时依据时段选取不同的三种节能模式，在光照不足或有特殊需求时使用常规工作模式。（3）从室内照明系统模型的角度出发，本文通过研究室内照明系统和建筑内部员工实际需求之间的关系，并以环境整体空间及工作面为研究对象，建立基于光舒适的智能照明方案模型。文中在分析研究灯具选型的基础上，使用灯光调配方案并使用DIAlux软件计算工作面照度，据此判断是否符合光舒适与照明标准。在保证期望照度的前提下，实现照明系统的常态化节能。仿真结果表明：本文研究中所提出的照明解决方案既可以在不同的模式中实现满足室内办公人员的需求和照度的标准,又可以大幅度地降低对照明系统的资金与能源消耗。6.2展望在本文对于照明系统的研究中，对照明系统的影响因素分析尚不全面，仅采用了从场景方案的角度对照明系统的节能进行研究，虽然可以达到满足室内人员需求与节能的目的，但并没有结合天然光的具体数据深入地分析与研究。基于照明方案调控与配置的角度进行设计较为粗糙，对能耗进一步节省的研究仍有待改进。本文建立的基于建筑光环境的照明节能模型，仅能对办公建筑的主要使用人群满足需求，对高端办公室等有特殊需求的场所节能仍有待进一步深入研究。因此，接下来的研究相关工作可以从以下几个角度开展进行：（1）基于天然光的影响因素分析，将天然光在不同区域不同季节为建筑带来的照度增益进行量化统计，建立标准模型，用以更具体地调节室内人工照明照度色温等；（2）基于照明系统特征分析，进一步研究室内工作人员地行为等因素对照明系统能耗所产生地影响，建立人员位移模型，结合相关的感知设备，用以分时动态地对照明系统节能进行把控；（3）基于办公建筑照明系统的能耗数据，在合理使用不同照明方案的基础上，对照明系统不同时段人员需求的判断标准仍有待研究，用以给室内办公人员提供更舒适与节能的照明方案。致谢参考文献DorisA.Chi,DavidMoreno,JaimeNavarro.Correlatingdaylightavailabilitymetricwithlighting,heatingandcoolingenergyconsumptions[J].BuildingandEnvironment,2018,132.UlHaqMA,HassanMY,AbdullahH,etal.Areviewonlightingcontroltechnologiesincommercialbuildings,theirperformanceandaffectingfactors[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2014,33:268-279.[3]江亿.建筑节能与生活模式[J].建筑学报,2007(12):11-15.[4]GalasiuAD,VeitchJA.Occupantpreferencesandsatisfactionwiththeluminousenvironmentandcontrols