我国办公建筑的照明节能评价方法的探索

王飞翔，赵建平，林若慈

(中国建筑科学研究院，北京 100013)

引言

建筑节能与生态环境、温室气体排放有密切的联系，日益引起广泛关注。全球每年花费在照明能耗上的成本为2 300亿美元,但是1 000～1 350亿是在现有技术上可以实现的节能潜力[1]。在美国，照明用电占总用电量的18%，另外还有4%～5%的照明用电以热损失的形式消耗。其中，办公建筑每平方英尺年均消耗电能17kWh和天然气32ft3(每平米182.92kWh和9.75m3)，而照明、供热和制冷能耗通常占据了大约65%(见图1)[2]。对于美国这样的能耗大国而言，建筑照明节能的技术潜力是巨大的[3]。这种技术潜力的实现，需要合理的控制和天然采光的利用。大型办公类建筑中，照明与设备能耗一般可占到总能耗的20%～40%。由此可见，研究照明、设备的能耗计算模型对于探究建筑整体能耗至关重要[4]。在过去的30多年，公共建筑的照明设计日新月异，而30多年前的很多人员行为模式在目前可能并不适用。因此了解当前我国办公人员的行为模式对照明用电的影响具有重要的现实意义。建筑实际的照明能耗往往会比设计阶段预计的能耗更糟糕[5]。

图1 办公建筑能耗状况的常见分布Fig.1 Energy consumption data of offices

1 节能潜力

建筑照明节能作为建筑节能不可或缺的一环，会同时受到内在和外在因素的作用。内在主要指人的行为模式，而外在主要指建筑自身、周围环境、天然光条件等方面的影响。建筑节能往往是利用采光系数了解室内获得的天然采光照度、相应的控制装置来实现的[6]。

目前有越来越多的照明节能方法得到实践，大致可分为两个阶段考虑：

(1)设计阶段

①灯具角度：高效光源、镇流器，合理的设计照度；

②天然采光角度：合理的朝向、开窗面积，防止因人工照明给室内带来过多的热负荷；

③控制系统角度：充分利用天然光，结合人员行为模式。

(2)运行阶段

①天然采光、人员行为模式和控制系统的结合：可按需设定工作日和非工作日的照明模式；

②人员使用：培养节能意识，离开时关灯，减少有良好的室内天然光环境仍然习惯性的打开照明；

③维护与清洁：定期进行灯具擦洗。

单位面积照明用电可用简化的计算公式W=P·t表示。式中，W为单位面积照明能耗；P为照明运行功率；t为运行时间。

单位面积照明用电的两大因素：运行功率和运行时间。因此，照明节能的最终实现是要体现在照明运行功率的降低和运行时间的缩短。当然前提是不以牺牲场所的照明质量为代价。

综合考虑上述两个阶段的节能措施，可调光控制、光感控制、人员感应装置亦或是恒定照度控制，可归结为两个方面，降低照明运行功率，以及缩短照明运行时间，仅是在实现方法上有所差异。然而，仅仅依靠人员感应装置不大可能获得重大的节能效果，一个很简单的原因，有充足的天然采光时人工照明仍然在运行。照明节能方法的合理运用，能够最大程度挖掘节能的潜力。智能控制的照明系统，装有人员感应装置和恒定照度控制，可节能20%甚至更多[7](见表1)。

表1 主要的照明控制策略Table 1 Major lighting control strategy

美国loga州的Des Moines小镇附近的能源资源所(Energy Resource Station)曾在2005年开展过一个天然采光、控制系统对照明和HVAC能耗影响的实验[8]。在夏秋冬三个不同季节对四个基准房间和四个测试房间的进行照明能耗测试，两类各四个房间的朝向分别是东、西、南、北的。最后的实验结果表明：测试房间相比基准房间的照明节能大约为32%。并且，夏季的平均照明节电效果是最高的，主要是因为夏季白天较长，控制系统缩短了房间的照明运行时间。而且夏季当中又以朝南的房间节电率最高，南向的采光效果相比其他三个方向都要更好。由此可知，天然采光外加合理的控制系统对照明能耗会产生不小的影响。很多时候，人们会利用更高效的照明系统来减小照明用电。根据美国电气制造商协会(NEMA)的观点，控制系统会比单纯的提高能效的节能效果更可观[3]。

2 照明能耗计算模型

2.1 欧盟关于建筑能效的指令

欧盟委员会关于建筑能效的指令旨在新的能效要求下提高建筑的节能水平。根据欧盟2002年第91号文件，欧盟的每栋建筑都必须在建造、出售或出租阶段有建筑能效方面的检测。该指令要求各国政府有相应的能效计算方法，有详细的照明能耗计算步骤，并确定能耗限值。

2.2 照明能耗指标(LENI)

照明能耗数值指标(LENI)是在EN 15193首次被提出，指的是单位面积消耗的电能，反映了照明运行的整个过程中的用电量，单位为kWh/m2×year[9]。

(1)

式中：W为年度总照明能耗，单位为kWh×year；A为建筑总使用面积，单位为m2。

2.3 照明节能计算方法

照明能耗的计算方法应与其遵守的建筑照明能耗标准相符，即方法中参数的确定必须与照明标准相联系。比如，根据不同的照度分级，提出相适应的计算参数。

2003年欧盟多数国家的建筑能效法规均未提出关于鼓励照明节能的措施。其中只有四个国家(希腊、法国、荷兰、比利时)的法规有一套详细的建筑照明能耗计算方法，估算的建筑照明能耗可直接计入总的建筑照明能耗。这几个国家的计算方法都是对建筑进行分区，天然采光区和人工照明区，然后确定不同分区的各方面对建筑照明能耗的影响系数。事实上，由前述可知：每个区域的照明能耗都可以简单地归结为功率、面积和运行时间的乘积。而欧盟在2007年制订的欧洲标准EN 15193中提出了一套建筑照明能耗计算方法，旨在促进建筑能效指令的尽快实施。

2.3.1 比利时的计算方法

比利时计算方法把照明控制装置的传感器的能耗也考虑在内，而其他国家的方法没有把该因素考虑进去。此外，几种方法对于房间天然采光考虑方法也是有差异的。尽管四个国家都把采光计算在内，但荷兰只是简单的用 “采光分区(daylight zone)”的概念对室内采光情况进行划分。而法国则在此基础上加入“光气候区(climate zone)”。相比较而言，比利时照明能耗计算方法考虑采光对照明的运行会更加的详细。

该计算方法将室内分为天然采光区域(daylight area)和人工照明区域(artificial light area)，照明能耗等于两者消耗的电能，加上全部控制系统可能消耗的电能。

(1)人工照明区域照明能耗计算公式如下：

式中：W_dl为r房间有天然采光区域年耗电量，单位为kWh;Plgt_r为r房间总照明功率，单位为kW；Af,r_dlgt为r房间内可采光区域的面积，单位为m2；Af,r为r房间总面积，单位为m2；fsw为开关控制系统系数；fm_dl为天然采光区域预设控制系统系数；fm_ar为人工照明区域预设控制系统系数；Td为年度照明日运行小时数，单位为h;Tn为年度照明夜运行小时数，单位为h。

(2)人工照明区域照明能耗计算公式如下：

式中：W_ar为r房间人工照明区域年耗电量，单位为kWh；Af,r_art为r房间内天然采光区的面积。

3)控制系统年耗电量计算公式：

W_ctr=[Pctr_on×fsw×(Td+Tn)]+Pctr_out×[8760-fsw×(Td+Tn)]

(4)

式中：W_ctr为r房间控制系统和传感器的年耗电量，单位为kWh;Pctr_on为照明运行时控制系统功率，控制器、镇流器、传感器等的默认为5W；Pctr_out为照明不运行时控制系统功率，控制器、镇流器、传感器等的默认为5W。

天然采光区域和人工照明区域之和即为房间总面积。Td和Tn根据房间的使用情况确定。办公室照明运行时间的基准值一般为一年50周，每周5天，一天9小时。开关控制系统系数fsw参考比利时的相关规范，若房间采用手动开关，且无人员传感器，则fsw=1，若有自动开关，且有人员传感器，则fsw=0.8。若房间照明不可调光，则fm_dl和fm_ar均取1。若可调光，则用fm_dl和fm_ar分别用以下公式计算：

(5)

2.3.2 欧洲EN 15193标准法

EN 15193标准规定年度照明总能耗等于每年照明用基本能耗加上照明控制和应急照明消耗的电能。与比利时方法一样，欧洲标准照明能耗计算方法不仅考虑了照明自身带来的能耗，同时还详细地把天然采光和人员传感控制计算在内。尽管两种方法都要对室内进行分区，但还是存在细微差别，比利时的计算方法要求在计算前先确定天然采光区域(daylight zone)和人工照明区域(artificial light area)，之后将两个区域的照明能耗相加；而后者是在确定天然采光依附系数对室内也进行相应的可采光和不可采光的分区(根据房间、窗户几何尺寸，室外遮挡等因素来确定)，最后直接在照明用基本能耗上直接体现。下述方法适用于月度和年度照明能耗的计算。

(1)照明用基本能耗

式中：WL,t为满足照明用耗电量，单位为kWh;Pn为房间总照明安装功率，单位为W；Fc为恒定照度系数；Fo为人员使用依附系数；FD为天然采光依附系数；tD为年度白天照明运行小时数，单位为h；tN为年度夜间照明运行小时数，单位为h。

(2)寄生能耗(照明控制系统待机能耗和应急照明充电能耗)

(7)

式中：WP,t为照明控制系统的耗电量，单位为kWh;Ppc为房间控制系统的总功率，单位为W；ty为标准年小时数，即8760h；Pem为房间应急照明总功率，单位为W；tem为年度应急照明电池的充电时间，单位为h。

人员使用依附系数(occupancy dependency)Fo取值取决于房间尺寸、人员控制系统类型，空间使用时间等因素。比较比利时法和EN 15193的计算方法后不难发现，EN 15193标准对天然采光依附系数的计算考虑得更为详细，引入的参考因素也更多。该标准不仅提出了上述较综合性的计算方法，还给出了另一种较快捷的照明能耗计算方法。

2.4 计算方法精度

芬兰赫尔辛基科技大学电力通信工程学院曾对一栋四层的照明实验楼办公室开展过相关实验，分别进行上述两种计算方法能耗计算结果可靠性和精度测试，把两者的能耗计算结果与实际测量结果做比较，并论证计算参数的可适用性。各结果的对比见表2。

实验条件的基本信息为：全部房间装有T5荧光灯(35W和28W)，相关色温CCT=3000K，一般显色指数CRI>80。本次实验针对照明能耗测量的时间跨度为8周，其中每个季度两周。

表2 办公室测量和计算结果的比较Table 2 Results of measurements and calculations

从表2不难发现，两种计算方法得到结果非常接近。尽管两种方法计算得到的各房间最终加权照明能耗值与实测值偏差很小(0%和3.7%)，但在个别房间(G438、G439)实测值和计算值之间存在较大偏差。产生的原因可能是：

1)这些房间实测值使用的人员实际工作时间与计算假定的时间存在较大出入(计算预设时间对照明能耗计算精度的重要性)；

2)这些房间存在一些偶然因素，导致实际照明运行功率和时间与计算预设值有较大差别。

针对两种方法每个房间确实存在偏差较大的情况(比利时偏差最大为54.2%，EN 15193偏差最大为45.8%)，而且很可能是由于计算时间和实测时间的较大差别引起的，解决办法是否从两个角度考虑：

1)计算某一建筑照明能耗是否可按时间分类计算，也就是有工作日时间(不考虑加班)参数、工作日+工作日加班时间参数，工作日+周末加班时间参数、工作日+工作日加班+周末加班时间参数，这样可以了解建筑在多种使用情况下的照明能耗。

2)直接在给定的照明时间进行时间修正。如：原来假定设计的建筑全年照明运行时间为2 250小时(未考虑加班时间)，分类提出几种运行时间修正参数后分类计算该建筑的照明能耗。

3 《建筑采光设计标准》简述

我国GB 50033—2013《建筑采光设计标准》结合当前建筑节能的需求，考虑到充分利用天然采光利于照明节能的特点，提出一种在建筑设计阶段评价采光节能的方法，用可节省的照明用电量来表示，计算公式如下：

(8)

(9)

该计算方法的天然采光时数是基于我国光气候条件下获得的，不过目前还在完善阶段，还存在一些需要做进一步研究：

2)全部利用天然采光时段也会存在房间部分照明运行的情况，比如：进深大的房间离窗远的时候在传感器控制下会自动打开，即计算节能用的功率P是需要修正的；

3)全部利用采光时的采光影响系数取1，有失偏颇，会使节能量与实际有较大偏差。比如办公室全部利用天然采光的时数为2 250h，FD=1，这与实际节能情况不符。FD的取值可根据光气候区、建筑位置、周围环境、窗户朝向、控制类型等因素分类讨论确定；

4 计算参数

4.1 天然采光依附系数FD

(1)计算FD,S方法大致可分为以下5步，计算流程图见图2：

①确定房间内哪部分是有采光区，哪部分是无采光区；

②根据房间、窗口尺寸、室外遮挡等参数对室内天然采光(daylight penetration)的影响，确定采光系数；

③根据参考面维持照度、天然采光情况，计算天然采光获取量系数FD,S(daylight supply)；

④根据光感控制系统，确定光感控制系数见FD,C；

⑤若是月度能耗，还要用月度天然采光再分布系数cD,S。

(2)根据照明能耗的计算周期，F分两种情况确定：

①计算年度照明能耗，需确定两个参数分别别为采光获取量FD,S和光感控制系统依附系数FD,C，计算公式如下：

注：天然光年平均总照度(klx) ①Eq≥45, ②40≤Eq<45, ③35≤Eq<40, ④30≤Eq<35, ⑤Eq<30。

FD=1-(FD,S×FD,C)

(10)

式中：FD,S为天然采光获取量系数；FD,C为光感控制系统系数，见表3。

表3 光感控制系统系数FD,CTable 1 Daylight dependent artificial lighting control FD,C

②计算月度照明能耗(考虑各季度光气候差异)，除需确定上述两个参数外，还要考虑另外一个参数cD,S。计算公式如下：

FD=1-(FD,S×FD,C×cD,S)

(11)

式中：FD,S,FD,C同式(10)；cD,S为月度天然采光再分布系数。

根据上述计算步骤，划分好采光区和非采光区后，重要的是要确定天然采光的情况(daylight penetration)，对此，EN 15193标准根据采光系数，把室内天然采光的情况分为强、中、弱、无四个等级， 具体分级见表4。

(3)采光系数分级

1)采光系数分级取决于建筑几何边界条件对室内天然采光的影响，用遮挡指数IO、透光指数IT、进深指数ID。

2)遮挡指数IO

表4 根据采光系数确定对室内采光情况进行分级Table 4 Daylight penetration as function of the daylight factor

计算遮挡指数IO主要考虑来自四种遮挡因素的影响：

①周边建筑或物体(树木或山体)的遮挡；

②建筑自身(院子、中庭)；

③水平或垂直遮阳装置(考虑引入遮阳百叶对遮挡指数IO的影响)；

④双层玻璃。

计算公式为：

IO=IO,OB×IO,OV×IO,VF×IO,CA×IO,GDF

(12)

式中：IO为遮挡指数；IO,OB为室外建筑遮挡指数；IO,OV为水平遮阳遮挡指数；IO,VF为垂直遮阳遮挡指数；IO,CA为院子或中庭遮挡指数；IO,GDF为双层玻璃遮挡指数。

3)透光指数IT

计算透光指数IT公式：

(13)

式中：IT为透光指数；AC为采光洞口面积；AD为水平工作面采光区的面积。

4)进深指数ID

计算透光指数ID的公式为：

(14)

式中：ID为进深指数；aD为采光区的进深；hLi为窗上沿距楼地面高度；hTa为参考面的高度。

上述数据是基于欧洲自身的光气候数据的天然采光情况，并不一定适用于我国的光气候特点。结合我国的地区特点，光气候资源比较丰富，应该结合我国的光气候数据，获得相应的计算参数。

在我国的建筑采光设计标准的制定过程中，曾对办公室的26个场所进行了采光情况的实地调查，发现目前办公室采光效果好者采光系数平均值多为3%，而且开窗面积均较大。可采集一些我国不同光气候区的办公建筑为样本，对他们进行实地采光情况测试，分析得到采光系数，作采光系数分级的归纳统计，查看统计得到的结果与欧盟的EN 15193标准提出的模型的符合性，目的是要在办公室的天然采光情况上也提出一套方便设计师参考的数据模型。此外，考虑到我国最新的建筑采光设计标准GB 50033—2013已将采光系数平均值作为采光评价的参数，因此，计算照明能耗时，在考虑室内采光系数时，相应的应该将采光系数平均值Cav引入。

4.2 人员使用依附系数FO

根据控制类型的不同，人员使用依附系数FO的取值也就不同。

当采用以下控制系统时，FO=1：

1)用集中式控制开启，即一次控制多个房间的情况。例如，单一自动控制系统(带有定时或手动开关)可控制整栋建筑、整层楼或全部走廊。照明关闭控制类型可以是任意的(自动、手动、集中式或单一式等)；

2)集中式控制的灯具的照明面积超过30m2(会议室不适用于30m2)，也就是单个控制的面积不宜过大。

当采用以下控制系统时，FO<1：

1)会议室(一个开关或一个传感器或两者兼有)，只要会议室的灯具不是集中式开启，而是与其他房间一起开启；

2)其他类型的房间(同一或不同房间)，面积不超过30m2，有集中式控制的一个或多个灯具(自动或手动控制均可)，此外，若系统有人员使用传感器，则传感器的感应面积应该与传感器控制的灯具的照射面积接近。

除了上述两个条件外，还应满足以下要求，否则FO=1：

当0.0≤FA<0.2时，

(15)

当0.2≤FA≤0.9时，

FO=FOC+0.2-FA

(16)

当0.9≤FA≤1.0时，

FO=[7-(10×FOC)]×(FA-1)

(17)

式中：FA为无人使用的时间比，EN 15193给出参考值，基于我国的办公室使用情况进行实地调研；FOC为根据照明控制类型确定，见表5。

表5 不同照明控制类型对应的FOC值Table 5 FOCvalue

5 结论

之前普遍应用于节能评价的LPD不能直观、定量的反映建筑或房间的实际节能状况，同时LPD的合理限定并不一定实现节能，因为照明用电除了考虑功率这一参数外，更应该要了解建筑实际的运行时间。只有高效的灯具结合合理的控制装置，才能实现实际的照明节能。基于EN 15193的照明能耗计算方法，提出了一套适用于我国办公建筑照明节能效果的评价方案。了解天然采光、控制系统对建筑实际照明能耗实际的影响情况，结合我国自身的光气候特点，以及我国办公人员的行为特点，提出了一套简单、易用、定量化的数学模型，使设计人员在确定采光形式、照明和控制系统方案就能知道建筑的照明能耗状况。同时，这套量化的数学模型还可供评价人员对办公建筑的节能效果进行横向的比较，最终通过节能率来反映。

另外，该项研究还有待进一步的延伸，可以是纵向的，也可以是横向的：

(1)办公建筑仅是其中一类建筑，对此，可以考虑将该研究应用到商业、教育、体育建筑，针对这一系列建筑类型提出一整套的节能评价方法；

(2)建筑耗能是多方面因素(照明、采暖、制冷、通风、设备等)引起的，这些因素之间在能耗上就会存在一些联系，比如过多的天然采光，尤其是夏季进入室内的直射光会增加制冷负荷，因此除了纵向延伸外，引入有效采光照度(useful daylight illuminance)也是必要的。节能是一方面，保证对室内人员有更好的视觉舒适度也是一方面。

致谢:感谢我的指导老师赵建平老师和林若慈老师宝贵的指导和建议，从题目的立意、构思和思路的扩展，两位老师给予了无私的帮助。再次真诚地表示感谢和诚挚的谢意。此外，同事罗涛、王书晓也提供了许多巧妙的点拨，在此一并表示诚挚的谢意。

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[4] 清华大学. 办公类建筑照明、设备能耗计算模型.清华大学，2012.

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