大开窗办公建筑室内照明节能研究

许 楠，张绍炜，江南舟

(中科院建筑设计研究院有限公司，北京 100190)



大开窗办公建筑室内照明节能研究

许 楠，张绍炜，江南舟

(中科院建筑设计研究院有限公司，北京 100190)

以实例的形式，在满足大开窗办公建筑室内空间照明需求的基础上，采用Relux对影响室内的天然采光特性进行定量分析。根据各个影响因素在室内天然光分布和节能中的影响，计算对比T5、LED、结合天然光的感应式LED单点控制照明系统的照明节能效果。数据显示，采用天然光智能控制的设计节能对大开窗办公空间系统整体节能中所发挥的实际效益十分可观。

室内照明;办公空间;智能控制;照明节能

本文针对玻璃幕墙为主形式的大开窗办公建筑的室内照明进行模拟分析，探讨在新的智能控制技术革新背景下采用新型照明设计方法对室内照明整体节能效果的影响程度。

1 目前办公空间室内照明设计与节能面临的主要问题

1.1 室内照明设计缺乏节能设计方法的关注，天然光与人工照明的结合应用极为落后

长期以来，设计者在室内照明设计过程中，只单纯对人工照明进行模拟照度计算，不考虑天然光对室内光环境的影响，实际上是不科学的。设计者往往建立了一个假设前提，即在不受任何天然光的影响下，室内人工照明就达到《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)的照度标准值(见表1)。如一个办公空间预期平均照度为300lx，那么仅仅布置的灯具全部正常开启就能达到预期照度，但现实中建筑侧窗采光而产生的大量的天然光射进室内空间，一天时间对室内亮度环境的影响很大，如果室内的灯具仍然常亮不变，会远大于预期照度(300lx)，在过高的光照环境下作业，不仅浪费照明用电，而且还会对室内作业造成干扰，为了避免眩光与过高照度，人们常常不自觉的“拉着窗帘开着灯”，导致既不节能也不利于人的健康。如果能够有效利用天然光，根本没有必要在白天全程度(灯具全额开启满足300lx)开启人工照明[1]。

而对于天然光，建设部 2006 年颁布的《办公建筑设计规范》(JGJ 67—2006)中规定，办公室、会议室宜有天然采光，采光系数的标准值应符合表2的规定。但是，表1、表2二者之间似乎没有联系，这使得在进行室内照明设计时不够切合实际，割裂了人工光与天然光之间的有机联系，忽略了二者之间的相互影响和帮助[2]。

表1 《建筑照明设计标准》GB 50034—2013办公 建筑照明标准[3]Table 1 GB 50034—2013 office lighting standards

注：①*垂直照度不宜低于300lx； ②此表适用于所有类型建筑的办公室照明。

表2 办公建筑的采光系数最低值[4]Table 2 Daylight factor in office space

旧的问题、新的需求使得现代办公建筑的光环境设计面临新的挑战，在无法改变建筑开窗形式和面积的条件下，大开窗建筑尽量优先利用天然光，减少人工照明、灯具使用量和开启时间是非常必要的。但由于天然光的不稳定性，受天气影响(晴朗、阴雨、雾霾等)、建筑开窗朝向、建筑空间等各方面因素影响，给基于天然光的人工照明设计带来很大难度[5-6]。但不容否认，自然采光与人工照明各有利弊，未来的设计需要借助智能化控制和针对性的设计方案来将二者合理结合，这将是室内照明节能设计的必然发展方向。1.2 单纯重视设备节能，忽视设计节能，缺乏对设备应用上的优化设计，照明节能流于其表

室内照明节能取决于两方面：设备节能与设计节能。设备节能主要指采用节能型光源、采用电子镇流器、采用照明节能控制设备[7]。而设计节能是通过系统性的照明设计、灯具合理布置与智能化手段去实现节约能源。当前， LED技术的进步与快速发展导致LED产品大量应用于室外照明、商业照明、室内照明中，但在照明节能中关注点多在“灯泡换灯泡”的简单思维，而缺乏对在照明系统中的采取新型的节能设计方法，硬件上去了，软件跟不上，仅仅替换光源是无法适应在新的办公功能下人对光环境的更高需求，技术含量低，大大降低了整体节能效率。而设计节能的技术的关键点是进一步实现智能控制，即如何更充分的适应场景需求和有效结合天然光对室内人工照明进行实时的控制优化。

2 结合天然光的人工智能照明系统设计探索——以SOHO某办公楼为例

为了研究结合天然光的照明设计对室内照明整体节能效果的影响程度，笔者选择了一个小型玻璃幕墙办公建筑——北京银河SOHO某办公楼不同照明方案进行模拟，对比节能效果。玻璃幕墙建筑是现代办公建筑的常见类型，由于该类建筑采用玻璃幕作为外表皮形成了大开窗，能够充分利用天然光，外部光线对室内照明的影响极大，而现实中室内人工照明又与天然采光结合不足，各成系统，所以该类建筑具有普遍代表性。

2.1 SOHO某办公空间内的照明布置方式及照度模拟计算

SOHO某小型办公楼作为模型，共四层，每层面积约1000平米，其外墙以玻璃幕为主，办公空间呈弧形，由于四周均为玻璃幕采光，可以充分利用自然光。室内照明设计方案采用了常规的行列式的布灯方式，光源为 T5节能灯管，功率为14W/21W/28W，色温为5000K。按照惯例，室内照明设计首先经排列布局灯具后，模拟计算照度、均匀度等。需强调的是，这种模拟计算是假设房间不受其他光(天然光)影响的。那么，按照如图1～图4排布的T5节能灯管经DIAlux模拟计算的结果是平均照度约300lx，达到办公空间所要求的照度目标值(见表3，图5～图8)。

图1 1F灯位布置图Fig.1 1F Plan

图2 2F灯位布置图Fig.2 2F Plan表3 1F～4F照明DIAlux结果报告Table 3 1F～4F DIAlux Report

照明对象平均照度/lx最小照度/lx最大照度/lx最小照度/平均照度最小照度/最大照度1F工作面302794590.2630.1732F工作面300725640.2410.1283F工作面300725640.2410.1284F工作面302904710.2990.192

图3 3F灯位布置图Fig.3 3F Plan

图4 4F灯位布置图Fig.4 4F Plan

2.2 节能方案及对比分析

2.2.1 采用T5灯具的能耗情况

采用传统的办公照明常用的T5灯具(功率为14W/21W/28W)放置在空间中进行计算，得出该空间使用T5灯具，每小时能耗约为28.8kWh，一天(按9小时)的能耗约为259.5kWh。

图5 1F照明DIAlux 报告-等照度图Fig.5 1F DIAlux Report-Illuminance figure

图6 2F 照明DIAlux 报告-等照度图Fig.6 2F DIAlux Report- Illuminance figure

图7 3F照明DIAlux 报告-等照度图Fig.7 3F DIAlux Report- Illuminance figure

图8 4F照明DIAlux 报告-等照度图Fig.8 4F DIAlux Report- Illuminance figure

2.2.2 采用LED灯具的能耗情况

在满足相同照度下，将T5灯具替换成LED灯具(功率为12W/19W/26W)，放置在空间中进行计算，每小时能耗约为26.6kWh，一天(按9小时)的能耗约为239.7kWh，比采用T5灯具节能7.6%。

2.2.3 基于自然光与人工光的实时互补照明的能耗情况(采用智能控制)

不论是选用T5还是LED，都是在没有考虑到受室外天然光影响下的室内人工光照明效果。本节是在优先利用天然光模式的情况下，启用人工照明并调光，由此对室内天然光照明和人工照明结合后发生的能耗变化，进行节能分析。

在对模型空间所处的地理位置的采光情况和一天乃至一年当中的太阳运动轨迹等因素后，利用RELUX可视化自然采光分析，根据相关时间点准确地模拟采光量，分析场地自然光可利用情况，得出LED灯具配合天然光智能控制系统的节能结果。

在目前使用的大多数的采光模拟程序中,通常采用CIE全阴天空亮度模型(CIE standard overcast sky)和全晴天空亮度模型(CIE standard clear sky),本次RELUX软件模拟采用的是全阴天模型。全阴天是指天空全部被云层遮盖的天气。全阴天中室外天然光全部为天空扩散光，其天空亮度分布相对稳定。同时CIE全阴天模型也是天然光最不利条件下的情况。其他天气情况下，自然采光效果都会比全阴天好。全阴天的日光特点是分布比较均匀[8]。

采光系数[9](daylight factor)，是用来衡量室内自然光照水平的一个数值，指在室内参考平面上的一点，由直接或间接地接收来自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而产生的照度与同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平面上产生的天空漫射光照度之比。室内不同位置的采光系数会有明显的差异。一般来说，室内采光系数达到2.5%就可以满足基本的活动需要，如果要达到良好的自然采光效果，即满足长时间工作的需求，那么采光系数最好达到5%以上。采光系数不足2%时，通常需要用人工照明来辅助照明。影响采光系数的因素很多，包括室外遮蔽物、窗户的大小及位置、玻璃的可见光透射率，以及墙壁和室内家具的颜色。因此，一座建筑的采光系数，也反映了该建筑的整体设计质量。

本模型设置场地玻璃幕墙玻璃可见光透射率为45%，并考虑百叶遮阳等不同遮阳装置对室内照度的影响。模拟计算得出场地采光情况见图9。

地理数据： 北京

纬度：39.93°；经度：116.39°

平均采光系数Dav=2.28

图9 场地采光情况计算结果Fig.9 Daylight factor data of office area

最小采光系数Dmin=0.44

最大采光系数Dmax=8.38

场地内不同位置具有不同的采光系数，即自然采光条件有差异。例如，场地内采光系数为6%的位置，全年工作时间内，93%的时间不需要采用人工照明，见表4：

表4 日光提供充足照明时间的百分比Table 4 Resulting data of daylight providing sufficient light level

注：①地理位置：北京 ②场地0.75m 水平面所需最低照度：300 lx ③每天工作时间：09:00—18:00；工休：12:00—13:30

根据表4，绘制出两条采光系数的等值线，一条是采光系数值为1时场地内所有点的连线，另一条是值为2时点的连线。两条等值线将场地划分为三个区域，各区域理想情况下可节约灯具的能力见表5：

表5 各区域节能情况Table 5 Energy saving data of different zones

各区域范围内的灯位情况见图10～图13：

图10 一层平面采光系数等值图Fig.10 1F Daylight condition

图11 二层平面采光系数等值图Fig.11 2F Daylight condition

图12 三层平面采光系数等值图Fig.12 3F Daylight condition

图13 四层平面采光系数等值图Fig.13 4F Daylight condition

与单纯使用LED灯具的情况相比，每年结合天然光采光智能系统可节约的能耗详见表6。

2.2.4 基于LED结合场景模式照明的能耗情况(采用智能控制)

本模式是在午休时间将办公空间照度降低，大部分人会出行吃午饭或者散步，也会有人留在办公室休息或上网，由于这个时段是非工作时间，办公照明需求并不高，适当降低照度不仅不影响办公活动，而且会使人放松，更符合实际中的人性化需求[10]。

通过人工智能照明控制系统，控制公共区亮度不变，降低午休时间办公区的照度。将12：00—13:30办公区灯具亮度降低50%，平均照度为150lx，满足基本照明需要。正常开启模式下，每小时耗能为26.6 kWh。取办公区与公共区灯具能耗比例为8∶2，得出通过对午休时间办公区灯具亮度的控制，照明系统与单纯使用LED的情况相比每天节约能耗 15.9 kWh，节能率7.1%；同使用传统T5节能灯方案相比，节能率11.1%。

表6 各区域LED灯具结合天然光智能控制后的节能情况Table 6 Result data of LED equipped with daylight control system in different zones

2.2.5 四种照明方案耗能情况的综合比较(见表7)

经计算，该SOHO模型空间室内照明全年采用LED(12W/19W/26W)替换T5节能灯的节能率为 7.6%；采用LED+午休模式智能控制，即午休时间将办公位水平照度降低50%，节能率为11.1%； LED+天然光智能控制每天9小时结合天然光感光系统，节能率17.1%。如果天然光模式与午休场景模式结合，那么节能率会超过20%。由此看出，通过实际模拟与计算求证出采用天然光智能控制的设计节能在大开窗办公空间照明的节能率(17.1%)远大于单纯光源替换的节能率(7.6%)，在系统整体节能中所发挥的实际效益十分可观。

表7 四种方案能耗比较Table 7 Different control plans comparison

尽管所采取的建筑模型具有特殊性，假设前提条件也会影响计算结果，如假设采用CIE全阴天模型(天然光最不利条件下)，假设玻璃窗的可见光透射率为45%，取值偏低(已经是很大程度的遮阳效果)，针对其他建筑的不同玻璃材质对光的透射或不同百叶遮阳装置对室内照度的不同影响，而导致对计算结果的节能率都会有不同程度的影响，但其影响在一定幅度内，该类型建筑与办公空间作为一个真实模型，具有一定的代表性。

3 总结

当前，LED技术的进步与快速发展导致LED产品大量应用于室外泛光照明、商业照明、室内照明中，但在照明节能中关注点多在替换光源，由于照明节能设计被很大程度忽视，普遍缺乏对室内照明人工光与天然光的结合与实时的智能控制，这种脱离新设计理念的单纯替换LED，大大折损了整个系统节能效率，使很多节能改造流于形式。本文侧重研究设计节能的作用，通过在已有模型下，将昼间天然光优先利用于室内照明，通过智能照明控制，实现人工照明作为天然光照明的补偿，模拟计算结论证明系统能耗有明显的降低，其节能程度远大于单纯替换LED光源。

综上所述，设计节能是保障照明节能的首要步骤，应在照明节能改造过程中首先结合智能控制系统进行节能方法的设计，其次是节能光源的替换。但设计节能的前提是必须以场所的使用特性和人的活动规律来制定不同的设计策略，实现精准的智能化控制，这将是未来室内照明设计与节能的重点发展方向。影响室内照明质量有很多因素，除亮度、均匀性外还有眩光、色温、显色性、对人心理的影响等等，因此需要从多方面对后续工作开展研究和探讨：(1)进一步加强室内照明评价指标的研究，通过研究各种照明指标对人生理与心理的影响，确立光环境舒适性的科学标准。(2)进一步针对更多的室内空间工作模式，探索满足各种室内空间不同需求的特殊光环境，如会议模式、休眠模式等。(3)使用 LED智能控制系统进行照明设计方案时，将遮阳帘、空调等的智能调节也集成在本系统内同步控制，进一步达成更广泛的办公环境智能化与节能系统。(4)在后续工作中结合大数据可以加入天气因素，根据光照度探测，确定当前的天气情况，并自动切换到合适的控制策略。

[1] Athienitis A K, Tzempelikos A. A methodology for simulation of daylight room illuminancedistribution and light dimming for a room with a controlled shading device[J]. Solar Energy,2002,72(4): 271-281.

[2] Rea M S, Diilon R F, Levy A W. The effectiveness of light switch reminders in reducing light usage [J]. Lighting Research and Technology, 1987,19(3):81-85.[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50034—2013建筑照明设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[4] 中华人民共和国建设部.JGJ 67-89办公建筑设计规范[S].北京:建设部标准定额研究所，1993.

[5] Francis Miguet, Dominique Groleau. A daylight simulation tool for urban and architecturalspaces-application to transmitted direct and diffuse light through glazing[J]. Building and Environment,2002,37(8-9):833-843.

[6] 张利.办公室室内数字智能化LED照明光环境研究[D].北京:北京工业大学,2010.

[7] 中华人民共和国建设部.GB/T 50378—2006绿色建筑评价标准[S].北京:建设部标准定额研究所，1993.

[8] Nakamura H, Oki M. The Mean Sky Composed Depening on the Absolute LuminanceValue of Sky Elements and Its Application to Daylighting Prediction[C]. Long Beach: Proceedings of the 1986 international Daylighting Conference, 1986:61.

[9] 中华人民共和国建设部.GB 50033—2013建筑采光设计标准[S].北京:建设部标准定额研究所，2013.

[10] 刘炜.住宅人工照明光环境智能控制研究[D].重庆:重庆大学,2003.

简 讯

◆ 2014年12月9日，“光绘中国——绿色照明跨越行：绿色照明工程设计及改造案例解析系列宣传培训活动”首场活动在北京举办，活动由“中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯”项目办公室、中国照明学会主办。中国照明学会副理事长汪猛介绍了获奖项目。

◆ 2014年12月15日，中国科协在北京人大会堂举办中国科协会员日暨第六届“全国优秀科技工作者”颁奖大会，32名“全国优秀科技工作者”受到表彰。中国照明学会副理事长华树明荣获第六届“全国优秀科技工作者”。

◆ 2014年12月17日，中国照明学会、国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)和中国节能协会联合发布了半导体照明节能产业能效“领跑者”第一批产品名单。

◆ 2014年12月19日，由中国照明学会指导、中国照明网主办、河南省洛阳市新安县人民政府承办的“中筑天佑杯·2014金手指奖”颁奖典礼在洛阳市举行。洛阳市政府领导、新安县政府领导，以及来自照明行业众多专家学者、企业厂家代表、照明设计师、媒体代表400多人出席此次盛典。中国照明学会秘书长窦林平出席。

◆ 2014年12月20日，由中国照明学会主办、中国照明学会半导体照明技术与应用专业委员会和中国LED照明产业网联合承办的2015“雷曼光电杯·中国LED首创奖”足球赛在深圳拉开帷幕。各球队公司领导代表、协会领导、来自15支优秀球队队员、各球队拉拉队以及观赛人员300余人参加了开幕式。

Energy Efficiency of Lighting Design in Office Space with Glass Façades

Xu Nan, Zhang Shaowei, Jiang Nanzhou

(InstituteofArchitectureDesignandResearch,ChineseAcademyofScience，Beijing100190，China)

In this paper, it uses the professional lighting design software Relux to build a digital scene and analyzes various factors which affect daylight conditions of interior spaces. Based on the impacts which caused by the factors to the daylight distribution and energy saving, the lighting energy saving effects are calculated and compared among three lamps, such as the LEDs with intelligent daylight sensors, traditional T5 tubes and LEDs only. The findings from the stimulation show that intelligent daylight control system integrating with LEDs can greatly improve the effect of energy saving in office space which has big area of glass façades.

interior lighting; office space; intelligent control; energy efficiency

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.01.006