恒定工作面水平照度的智能照明控制策略与节能研究

王 磊

(清华大学 建筑设计研究院有限公司，北京 100084)

0 引言

在照明设计中，采用基于工作面恒定水平照度的照明控制系统是创造良好光环境的一种手段。与普通手动控制相比，此种控制方式在满足照度水平的同时，理论上还可以实现节能。

为了定量评估办公建筑中采用智能照明控制所带来的节能效果和达到最佳效果所需的照明策略。在文章中，笔者以参与设计的某办公楼为实验平台，以采用基于数字式可寻址照明接口(DALI)的智能照明控制系统控制的照明灯具为实验对象，对办公空间在相应时间段的耗能指标和照明环境参数进行了测试和分析(见图1)。

1 测试手段和过程

测试中选取了办公楼12 层两个相邻房间进行比对，两个房间结构和自然光采光条件差异较小，有利于排除控制模式之外的其他影响因素。

两组使用功能相似的办公室在照明配置上，一组为采用人工启停无调光控制，另一组为基于工作面水平照度的智能照明调光系统自动控制。采取调光控制的办公区采用DALI 控制器，房间内设光感应器，配合数字可寻址灯光镇流器，实现室内荧光灯的单灯调节控制。

测试的方法为在多个时段，对办公室的照明耗能进行计量，并测量本时段内房间的工作面实际照度，来判断两种方式的耗能差异和光环境差异。

图1 房间照明设计图

办公室面积35 m2，设6 套三管T8 的18 W 格栅荧光灯，配置了DALI 的可调光镇流器，房间设5 键照明控制器，设置了全开、全关、半开、智能控制、清扫5个模式。在房间吊顶安装了红外人体探测器和房间照度探测器，同时配置了窗帘控制器(未使用)。

实际测试目标房间的地面平均照度为360 lx，最大照度为380 lx，最低照度为275 lx。

经现场调试，一个房间设定的模式为全手动模式，4 个开关分别对应全开、全关、开靠窗三组灯、开靠门三组灯。其他控制模式被屏蔽，房间内照度控制器关闭。

图2 不同输出情况下的房间照片

对照房间设定为自动模式，2 个开关模式设定为智能开和全关，其他模式被屏蔽。

在2014年v4月7日和4月8日晚上7 点到9 点45 分，笔者对两个房间的照明环境进行了持续测试，以5～10 min 为间隔，记录两个房间的4 个工作面水平照度，房间地面照度和窗口位置的水平照度。同时通过连接计算机上的智能仪表实时记录了设置智能照明控制房间的电流值和功率，分析了房间内智能照明系统在室外自然光变化的过程中调节灯具输出的过程(见图2)。

2 测试结果与分析

智能照明控制系统的节能主要体现在减少不必要的高于照明标准的照明，从而减少能耗，即在室外自然光的强度不满足使用要求时自动开启人工照明进行补光，在室外自然光满足照明使用要求时自动关闭人工照明。相对于需要手动控制的照明系统，智能照明控制一方面满足了照明环境的照度一致性，另一方面在室外照明环境变化时提供了更节能的控制方式，在更适当的时刻开关灯具，也防止人为忘记关灯等过度照明问题。

本次实验在4月8日黄昏时进行，表1 为仅有室外自然光的条件下，房间内照明情况，A，B，C，D 分别代表房间内4 个工作面上的水平照度值。

表1 无人工照明房间4 工作面水平照度值(lx)

图3 无人工照明房间内4 工作面水平照度变化曲线

从表1 可以看出，房间内C，D 两个工位靠近外窗，在白天时水平照度超过300 lx，不需要人工照明，A，B 两个工位远离外窗，照度明显低于另两个工位，8 ∶00 时太阳接近地平线，自然光强度降低，桌面照度水平在傍晚8 ∶00 到8 ∶20 太阳没入地平线这段时间逐渐降低，在8 ∶20 到8 ∶40 这段时间显著降低，其后，由于大气层的散射，室外天光还会在一段时间维持一定强度，直至降至较低水平(见图3)。

开启了智能照明控制系统的对比房间，随着室外亮度的降低，室内照明开启，逐渐提高输出，直至满功率输出(见图4～6)。具体数据如表2 所示。

表2 开启智能照明控制房间内4 工作面水平照度值(lx)

图4 智能照明控制房间内4 工作面水平照度变化曲线

图5 智能照明控制房间内灯具功率输出百分数

图6 智能照明控制房间内灯具功率输出曲线

从表2 可以看出，房间照度随时间慢慢降低，至8点32 分，现场的照度水平低于房间照度传感器设置的启动阈值，灯具开启，光输出慢慢增加，最终维持在380 lx 水平上。

由于房间探头的阈值是在房间没有安装家具之前设定的，在放置家具后，改变了房间的自然光和人工光分布，光线的遮挡、反射都影响了房间内照度水平，因此，上述结果并不完全代表智能照明的节能效果。由于A，B 两个工位在灯具开启之前已经低至75 lx，不能满足阅读的基本要求，故房间的使用者以台灯作为重点照明工具，这已经违背了采用智能照明控制的初衷，因此测试得出的数据并不具有准确的参考价值。房间内设置了两个亮度传感器，更准确的方式应该根据距外窗的距离分别控制房间内两行灯具。另外其设置的阈值也应该在家具布置好以后按照房间桌面的照度设置，以反映房间内的实际情况。

靠近外窗的C，D 两个工位的情况相对满足桌面照度的要求。实际房间测试能耗的数据除以2 后就可以反映C，D 工位的能耗情况。A，B 工位的照度因远离外窗，家具遮挡，其需要照明的时间更长，其节能计算的数据也应有所不同。

C，D 功率输出曲线线性化后可分为3 个阶段。

T0—T1:太阳的下缘与地平线交汇前10 min。

T1—T2:T1到太阳的上缘交汇于地平线，持续时间约为5 min。

T2—T3:大约20 min，室外自然光下降到10 lx以下。

分析此时间段，如果采用手动控制，在T0时间点开启人工照明，在T0到T3这段时间，由于过度照明，导致与智能照明控制系统相比，手动控制系统消耗了更多的电能。

对于智能照明控制系统，消耗的电能为图6 中功率曲线对时间的积分，根据仪表的记录数据，在T0到T3这段时间，房间C，D 两个工位消耗电能见表3。

表3 C，D 两个工位的能耗(kWh)

从表3 可以得出，在T0到T3这段时间，采用智能照明系统后的能耗是手动全开模式的72.8%。这个结果的前提是手动模式在T0时立刻开启，而且其基数为T0到T3的35 min。如果房间灯具的工作时间为3 h，那么能耗的差异为5%，如果房间灯具的工作时间为5 h，那么能耗的差异只有3%，工作时间越长，两者的差异越小。

3 小 结

在智能照明控制空间内的照明能耗取决于以下几个因素:

1)空间接收自然光的时间和强度，体现在设计中为采光条件和外窗参数;

2)空间所处的地理位置所决定的日出和日落的转换时间，这体现为工程所在的地理位置、经纬度、当地天气情况、云量多少、空气污染的情况等;

3)工作时间与自然光不满足照度水平时间的交集长短，体现为房间的布局、家具的布置;

4)控制系统的控制策略设置，这与控制方式中调节输出的步长、延时时间、传感器精度、运算的方式有关;

5)工作场所的控制照度水平与房间的使用功能，采用的光源、灯具形式有关。

总之，智能照明控制系统最主要的功能是提高照明环境舒适性和方便性，以最低照度为基准在手动或自动控制的前提下，智能照明控制的节能仅仅体现在室外自然光变化的一段时间。对全黑的房间或者自然光充足的房间，其节能效果将大打折扣。

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