探討綠色節(jié)能視域下大型公共建筑智能照明設(shè)計(jì)研究

安科瑞 陳聰

【摘要】：大型公共建筑的照明系統(tǒng)通常是根據(jù)用戶(hù)需求來(lái)設(shè)計(jì)的，其容易忽略日光以及季節(jié)變化對(duì)照明需求的影響，導(dǎo)致照明能耗過(guò)高。因此，本研究旨在綠色節(jié)能視角下對(duì)大型公共建筑的智能照明系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。首先，分析天花板和工作面之間的日光照度映射關(guān)系，建立一個(gè)日光估計(jì)模型。通過(guò)進(jìn)行訓(xùn)練和操作兩個(gè)階段，得出建筑日光分布的估計(jì)值。接下來(lái)，結(jié)合實(shí)時(shí)的自然光照條件，選擇合適的照明模式。*后，以*央控制器為核心，構(gòu)建一個(gè)智能照明控制框架。這個(gè)框架可以處理用戶(hù)期望的照度以及當(dāng)前照明模式的反饋結(jié)果，并完成*終的智能照明設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本次設(shè)計(jì)的智能照明方案日均照明能耗僅為5.4kw·h，完*滿(mǎn)足了綠色節(jié)能的要求。

【關(guān)鍵字】：綠色節(jié)能；公共建筑；日光估計(jì)；動(dòng)態(tài)控制；智能照明

0引言

綠色節(jié)能是指在滿(mǎn)足人們需求的前提下，通過(guò)合理利用資源和能源，減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[1]。在建筑領(lǐng)域，尤其大型公共建筑中，智能照明設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了綠色節(jié)能目標(biāo)，利用現(xiàn)代化的技術(shù)手段[2]，對(duì)建筑照明的智能化控制，提高照明質(zhì)量和能效。近年來(lái)，學(xué)者們致力于研究節(jié)能的照明策略。廖祈泉等[3]提出了基于向日追蹤的智慧照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)智能追蹤系統(tǒng)觀察日光強(qiáng)度，并計(jì)算是否滿(mǎn)足照明需求。在太陽(yáng)能利用效率低、照明需求大的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，自動(dòng)開(kāi)啟照明設(shè)備，以減少能源浪費(fèi)。但該系統(tǒng)主要依賴(lài)太陽(yáng)光，在陰雨天或日照不足的情況下效果受限。許馨尹等[4]從日光強(qiáng)度和用戶(hù)需求入手，通過(guò)對(duì)比正常條件下的日光估計(jì)值與室內(nèi)照明需求，決定是否打開(kāi)照明設(shè)備。此方法計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，實(shí)時(shí)性較差。梁波等[5]提出一種照明動(dòng)態(tài)控制策略，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察照明區(qū)域能見(jiàn)度變化規(guī)律，構(gòu)建基于模糊徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能照明體系。該方法需實(shí)時(shí)采集和處理大量環(huán)境數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或處理不及時(shí)，可能導(dǎo)致控制策略失誤，增加能耗。

本文在此基礎(chǔ)上，基于綠色節(jié)能理念，考慮日光估計(jì)進(jìn)行大型公共建筑智能照明設(shè)計(jì)，為相關(guān)領(lǐng)域提供新的思路和方法。希望通過(guò)合理的智能照明設(shè)計(jì)，提高建筑的能效和舒適度，減少能源消耗和運(yùn)營(yíng)成本，為環(huán)保事業(yè)作出貢獻(xiàn)。

1綠色節(jié)能視域下針對(duì)大型公共建筑設(shè)計(jì)智能照明方法

1.1設(shè)計(jì)日光分布估計(jì)算法

在大型公共建筑智能照明設(shè)計(jì)過(guò)程中，為滿(mǎn)足綠色節(jié)能要求，充分考慮日光對(duì)建筑室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量的影響，在不影響室內(nèi)理想光環(huán)境的基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)調(diào)整燈具照明亮度[6]。因此，智慧照明的初始階段進(jìn)行日光分布估計(jì)，深入分析天花板與工作面照度之間的映射關(guān)系。

在獲取日光分布估計(jì)值時(shí)，天花板日光照度貢獻(xiàn)值和工作面日光照度貢獻(xiàn)值之間，存在比例關(guān)系[7]。基于這一特點(diǎn)，定義式（1）的映射函數(shù)，為核心構(gòu)建一個(gè)自然光估計(jì)器，辨識(shí)日光分布情況。

式中，k為時(shí)刻，d為工作面照度貢獻(xiàn)值，η為天花板日光照度貢獻(xiàn)值，f為自然光估計(jì)器，B為待辨識(shí)參數(shù)。

實(shí)際日光分布估計(jì)過(guò)程中，引入*小二乘算法，將待辨識(shí)參數(shù)推理過(guò)程，描述為*優(yōu)解計(jì)算問(wèn)題。以*小化誤差平方值為目標(biāo)進(jìn)行*小二乘不斷搜索，從眾多匹配的待辨識(shí)參數(shù)函數(shù)中篩選出*佳數(shù)據(jù)，式為：

式中，T為轉(zhuǎn)置矩陣。大型公共建筑日光分布估計(jì)的具體操作。在訓(xùn)練分析環(huán)節(jié)，通過(guò)天花板、工作面上的傳感器設(shè)備，采集日光映射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，將其作為日光估計(jì)訓(xùn)練所需的數(shù)據(jù)，構(gòu)建日光估計(jì)模型[8]。

1.2選取建筑照明設(shè)備的能耗模式

根據(jù)日光分布估計(jì)結(jié)果選取照明設(shè)備能耗模式時(shí)[9]，需要先分析大型公共建筑典型照明能耗特點(diǎn)，構(gòu)建一個(gè)照明設(shè)備能耗模型。結(jié)合每個(gè)傳感器采集的光照信息，在大型公共建筑智能照明控制終端進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算，*終匹配出一個(gè)*佳室內(nèi)智能照明模式。依托式（3）進(jìn)行計(jì)算，獲取照明裝置具體網(wǎng)絡(luò)地址。

式中，V為照明裝置網(wǎng)絡(luò)地址，M為大型公共建筑內(nèi)照明裝置總數(shù)量，ϖ為智能照明通信網(wǎng)絡(luò)控制范圍，E為室內(nèi)照明區(qū)域總面積。在得到所有裝置對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址后，通過(guò)式（4）完成不同裝置兩兩之間間隔距離的推算。

公式中，D為照明裝置之間距離。隨后，利用式（5）展開(kāi)計(jì)算，獲取單個(gè)照明裝置在考慮日光光照的情況下所需的光照條件參數(shù)。

式中，C為光照條件參數(shù)，L為條件參數(shù)。在通信網(wǎng)絡(luò)的輔助下，將上述計(jì)算的光照條件參數(shù)傳達(dá)給控制*心，為綠色節(jié)能視域下大型公共建筑智能照明設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，與日光分布估計(jì)結(jié)果表現(xiàn)出的當(dāng)前建筑自然光照條件相結(jié)合，判斷智慧照明匹配的*佳照明方案。

式中，1、2、3、4分別為不打開(kāi)照明裝置、低亮度照明模式、中亮度照明模式、高亮度照明模式。如式(6)所示，在日光較強(qiáng)的時(shí)段，大型公共建筑內(nèi)部映射的自然光，就可以滿(mǎn)足室內(nèi)正常照明需求，不需要再打開(kāi)照明裝置，從根本上達(dá)到節(jié)省電能的效果。而在日光不充足的時(shí)刻，則需要對(duì)室內(nèi)光線進(jìn)行補(bǔ)充!1,根據(jù)實(shí)時(shí)亮度變化調(diào)整為低、中、高亮度照明模式,滿(mǎn)足大型建筑照明要求。

1.3實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空間智能照明控制

將光源的空間照度表示為矩陣，考慮太陽(yáng)光和工作區(qū)位置、燈具與工作面的距離，建立光通函數(shù)矩陣。在智能照明控制中考慮人工光源的照度影響，判斷是否執(zhí)行選定模式。明確照明模式后，為滿(mǎn)足智能化要求，在照明控制終端附近建立建筑能源管理系統(tǒng)服務(wù)器，導(dǎo)人照明能耗模式，自動(dòng)轉(zhuǎn)為控制命令，以調(diào)整大型建筑室內(nèi)燈具的亮度，解決自適應(yīng)智能照明問(wèn)題。

以天花板上安裝數(shù)個(gè)照明燈具的室內(nèi)環(huán)境為例，在該室內(nèi)工作區(qū)臺(tái)面上需要布置無(wú)線智能設(shè)備，利用無(wú)線廣播的形式向控制器發(fā)送期望照度值，以便求出更加符合實(shí)際要求的調(diào)光系數(shù)。假設(shè)每個(gè)大型公共建筑室內(nèi)燈具的光線調(diào)整都是線性調(diào)光模式，考慮其本身的物理限制，定義燈具開(kāi)度范圍為10，11。這種環(huán)境下，燈具功耗同調(diào)光水平二者之間表現(xiàn)出正比例變化關(guān)系，也就是說(shuō)，可以將智能照明控制中所有照明裝置的總功耗，看作燈具調(diào)光系數(shù)向量和其他設(shè)備功耗之和，其表達(dá)式為:

式中，J為燈具總功耗，S為智能照明控制系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)功耗，u為燈具調(diào)光系數(shù)向量，p為區(qū)域內(nèi)燈具數(shù)量，i為燈具編號(hào)，"表示單個(gè)燈具功耗。依靠智能照明控制系統(tǒng)，在考慮日光光照強(qiáng)度的情況下完成大型公共建筑智能照明設(shè)計(jì)，確保建筑照明滿(mǎn)足綠色節(jié)能要求。

2試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)環(huán)境

為評(píng)估大型公共建筑智能照明設(shè)計(jì)方法的效果，選擇沈陽(yáng)市某高層大廈作為應(yīng)用對(duì)象。該大廈位于沈河區(qū)青年大街，建筑面積33000m²，共22層，每層1500m²。該建筑集商務(wù)辦公、文化展示和國(guó)際商業(yè)于一體，是沈陽(yáng)的*名商務(wù)*心。針對(duì)大廈目前照明設(shè)施進(jìn)行調(diào)查可知，其內(nèi)部存在格柵熒光燈、節(jié)能筒燈、吸頂燈、藝術(shù)吊燈、白熾燈等多種照明燈具，根據(jù)不同場(chǎng)合的照明需求安裝不同燈具。建筑內(nèi)每一類(lèi)照明設(shè)備的具體數(shù)量和功率，如表1所示。從表1看出，該建筑內(nèi)應(yīng)用*為廣泛的還是格柵熒光燈、節(jié)能筒燈兩種照明燈具。選擇其中一層全覆蓋格柵熒光燈的辦公室，進(jìn)行智能照明設(shè)計(jì)測(cè)試，該層內(nèi)燈具布置情況

如圖1所示。

除了新研究出的智能照明設(shè)計(jì)方法外，本次實(shí)驗(yàn)還應(yīng)用了文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]給出方法，在所提方法之后對(duì)同一樓層進(jìn)行智能照明設(shè)計(jì)。對(duì)比三種方法實(shí)施效果，以便直觀體現(xiàn)所提方法*越性。

2.2智能照明結(jié)果

由于新方法在對(duì)室內(nèi)燈具亮度進(jìn)行智能調(diào)節(jié)時(shí)考慮日光帶來(lái)的影響，在建筑智能照明設(shè)計(jì)過(guò)程中，先獲取不同時(shí)刻每個(gè)燈具所在工作區(qū)的室外日光分布估計(jì)值，得到圖2統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

根據(jù)圖2可知，由于工作區(qū)11、12、13、14均處于靠近窗子的位置，其受到日光影響更大，這些工作區(qū)的照度明顯高于其他工作區(qū)。同時(shí)，隨著時(shí)間變化工作區(qū)內(nèi)照度也會(huì)出現(xiàn)明顯改變，14:00左右屬于一天中日光*強(qiáng)烈的時(shí)刻，該時(shí)段建筑室內(nèi)工作區(qū)照度也相對(duì)更高。在上述環(huán)境中，設(shè)計(jì)所有工作區(qū)用戶(hù)的期望照度為300lux。當(dāng)自然光滿(mǎn)足該照度，則不需開(kāi)燈；反之需調(diào)整燈具亮度。實(shí)施智能照明設(shè)計(jì)后，將實(shí)際照度與期望照度繪制成圖3。

圖3看出，建筑內(nèi)燈具智能照明調(diào)節(jié)后，各工作區(qū)產(chǎn)生的實(shí)際照度值均保持在300lux，與期望照度一致，證明綠色節(jié)能視域下新型智能照明設(shè)計(jì)方法是可行的。

2.3智能照明設(shè)計(jì)節(jié)能分析

在新研究智能照明設(shè)計(jì)方法實(shí)施一周后，在相同樓層應(yīng)用另外兩種文獻(xiàn)提出方法重新進(jìn)行智能照明設(shè)計(jì)，每種設(shè)計(jì)方案的實(shí)驗(yàn)周期也是一周，統(tǒng)計(jì)不同方法應(yīng)用后每日室內(nèi)照明消耗電能變化情況，生成圖4所示的對(duì)比結(jié)果。

從圖4看出，新研究智能照明設(shè)計(jì)方法應(yīng)用后，日均照明消耗電能為5.4kw·h，而另外兩種方法的照明消耗電能日均值為13.7、14.8kW·h。整體看在大型公共建筑日常照明中加入新研究方法，使日均照明消耗電能減少60.58%、63.51%。有高度的智能化特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境調(diào)整照明參數(shù)，實(shí)現(xiàn)能源的準(zhǔn)確控制。

3安科瑞智能照明控制系統(tǒng)

3.1概述

ALIBUS智能照明產(chǎn)品采用RS485總線技術(shù)，技術(shù)成熟可靠，安全穩(wěn)定。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器具備獨(dú)立工作的能力，適用于一些中小型的項(xiàng)目；模塊化設(shè)計(jì)，可以任意拼接擴(kuò)展，同時(shí)預(yù)留I/O口以及Modbus接口，還可以滿(mǎn)足與AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.2應(yīng)用場(chǎng)所

適合于各類(lèi)智能小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校、酒店，以及體育場(chǎng)所、機(jī)場(chǎng)、隧道、車(chē)站等大型公建項(xiàng)目的照明控制需求。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.4系統(tǒng)功能

1）實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示各個(gè)模塊的在線狀態(tài)，反饋現(xiàn)場(chǎng)受控回路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，監(jiān)控界面按照樓層各分區(qū)的布局和回路列表來(lái)瀏覽。

2）當(dāng)發(fā)生模塊離線、網(wǎng)關(guān)設(shè)備掉線或者狀態(tài)反饋和下發(fā)控制命令不一致時(shí)會(huì)發(fā)生故障報(bào)警，并將故障報(bào)警信息記錄并顯示在界面中。

3）可以對(duì)單個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制；每個(gè)模塊、樓層都有相應(yīng)的模塊控制開(kāi)關(guān)和樓層控制開(kāi)關(guān)，也可以一個(gè)模塊或者整個(gè)樓層實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制。

4）開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器支持過(guò)零觸發(fā)功能，負(fù)載（燈具）的分合操作僅在交流電過(guò)零時(shí)進(jìn)行；可有效減少電磁干擾以及對(duì)電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)燈具與控制裝置的壽命。

5）對(duì)每個(gè)照明回路可以預(yù)設(shè)掉電狀態(tài)，當(dāng)照明電源掉電時(shí)，開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)切換到預(yù)設(shè)的掉電狀態(tài)；確保重新上電時(shí)燈具的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是確定與可控的。

6）拖動(dòng)調(diào)光控件，照明設(shè)備從0%到100%進(jìn)行調(diào)光，可以對(duì)單個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，調(diào)光總控可以對(duì)一個(gè)模塊的照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，也可以對(duì)多個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，通過(guò)圖標(biāo)的亮滅狀態(tài)反饋現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。

7）點(diǎn)擊場(chǎng)景控件，打開(kāi)或者關(guān)閉對(duì)應(yīng)場(chǎng)景設(shè)置，軟件界面上顯示不同的場(chǎng)景模式和場(chǎng)景功能，通過(guò)圖標(biāo)的亮滅顯示對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景狀態(tài)是打開(kāi)還是關(guān)閉。

8）設(shè)置定時(shí)時(shí)間，確認(rèn)時(shí)間點(diǎn)后，對(duì)該事件點(diǎn)執(zhí)行的動(dòng)作進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置燈在設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)亮或者滅。

9）系統(tǒng)可以通過(guò)預(yù)設(shè)的當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度信息，自動(dòng)計(jì)算每天的日升日落時(shí)間；根據(jù)天文時(shí)鐘控制照明開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)日落開(kāi)燈、日出關(guān)燈的功能。

10）所有定時(shí)控制計(jì)劃均可下發(fā)保存至驅(qū)動(dòng)模塊；當(dāng)上位機(jī)系統(tǒng)故障或模塊離線時(shí)，驅(qū)動(dòng)模塊可以利用自帶的RTC時(shí)鐘維持定時(shí)控制計(jì)劃的正常執(zhí)行，不影響日常的照明控制效果。

11）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是分布式總線結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)內(nèi)各元件不依賴(lài)于其他元件而能夠獨(dú)立工作；系統(tǒng)內(nèi)各元件可以通過(guò)程序的設(shè)定實(shí)現(xiàn)功能的多樣性。

12）預(yù)留BA或*三方集成平臺(tái)接口，采用modbus、opc等方式。

3.5設(shè)備選型

4結(jié)束語(yǔ)

在綠色節(jié)能視域下，大型公共建筑的智能照明設(shè)計(jì)研究至關(guān)重要。通過(guò)智能化的控制和管理，能夠?qū)崿F(xiàn)照明的有效利用，減少能源的浪費(fèi)。本次充分考慮日光以及季節(jié)變化對(duì)照明需求，完成大型公共建筑智能照明設(shè)計(jì)，得出結(jié)論如下：

（1）應(yīng)用所提技術(shù)，各工作區(qū)產(chǎn)生的實(shí)際照度值均保持在300lux，與期望照度一致；（2）所提智能照明設(shè)計(jì)應(yīng)用后，日均照明消耗電能為5.4kw·h，可明顯減少能源浪費(fèi)。

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