利用简单工具对一个典型办公大楼照明系统的设计进行关于日光照明和人工照明的能量分析

利用简单工具对一个典型办公大楼照明系统的设计进行关于日光照明和人工照明的能量分析 内容摘要 当今社会，能源短缺和碳排放量是所有国家都正在面临的主要挑战。 要解决这个问题有很多方法，可以通过在许多领域节约能源来实现。照明被广泛应用在许多领域，其中之一就是被用来提高能源利用效率从而减少能源消耗。在这篇文章中，迪拜一座典型的办公大楼被用于分析考虑。本文的第一部分对有效利用自然采光为一座办公大楼来提高能源效率进行了报告。本研究使用威卢克斯日光可视化工具2进行仿真，对仿真结果具体讨论。研究表明，在迪拜，一个理想办公空间有足够的潜能来获取自然光并减少人工照明的需要。在第二部分中，人工照明被用来补充自然采光,以满足所需的照明标准。德国专业照明设计软件4.1版本照明向导软件用于设计和评估对于同一个办公空间， 通过应用不同种类的灯具，人工照明计划和其相似的照明能力，评估结果被重点突出。其造成的影响也被进行了研究。对暖通系统使用自然采光和人工照明造成的影响也被用来调查和重点突出。 关键字 人工照明，荧光灯， 发光二极管（LED）1. 介绍能源消耗是工程师、科学家和决策者们在全球讨论中的一个主要关注点。照明是住宅和商业建筑能源消耗的主要因素之一。每天，每个国家对能源消耗的需求都在不断增加，因此，有一个提高能源效率的研究需求。在迪拜，和世界其他国家一样，在办公楼中，尽管自然采光存在着广泛的应用，用作功能性和装饰性目的的人工照明仍占总的电能消耗中相当大的一部分。在少数建筑物中存在一个很严重的问题，那就是过度照明和后续的成本效益。这些成本可以通过使用一些照明策略而大大的降低，例如照明控制系统来有效的获取日光来用作室内照明目的。因此，照明如今代表了能源消耗中很大的一部分，并且受到了大量的关注，尤其是在办公大楼的使用中。本文的主要目标是探索在办公大楼中优化日光照明使用的可能性并且通过使用人工照明的同时限制其对冷负荷的影响从而减少能源消耗。最终目标是实现节能照明系统设计。 降低照明能源消耗是大楼所有者、政府和公用事业所关心的主要问题。一份由Nicol， Wilson and Chiancarella (2006, pp.802813) 所作出的研究表明，照明是居民楼和商业楼中最大的能源消耗者。另一份由Ryckaert et. al. (2010, pp.341-347) 所作出的研究表明室内照明设备耗能占电能消耗总量的 515%。政府、公用事业和所有其他构建利益相关者已经开始实施策略，那就是采用高效节能照明源来替代现有的照明。在本文中，在中东地区迪拜的一座典型办公空间被用来分析，目的是找到不同策略的平衡点，这可以用来减少电气照明消耗。在对比传统照明灯具例如荧光灯和LED(发光二极管)，为了用来充分利用日光照明的研究中，大楼的建设方向和当地的气候条件都被加入考虑之中。成本分析对每个技术都进行了探讨。本研究可以在其他建筑物在这个区域中的进一步验证中用作基线。所分析使用的办公大楼的建筑布局分别如图1和图2所示。大楼共有六层。每层楼有12间长7.5米宽5米的办公室。图1. 地板上的布局图2. 典型办公室布局2. 方法中东地区的迪拜位于波斯湾，在阿拉伯联合酋长国的东北部。迪拜的气候由于其接近北回归线而通常是温暖且晴朗的。由于北回归线穿过阿拉伯联合酋长国，迪拜的气候在一年中的大部分时候都是炎热和潮湿的。偶尔有阵雨，但并不会持续很长时间。如果下雨的话，大部分会发生在冬季，以短时间持续降雨和偶尔的雷暴的形式发生。在沿海地区，湿度超过90%，然而迪拜一年的平均降水量只有5天。夏季是非常炎热、多风和干燥的。迪拜气象局网站显示，迪拜已经记录的平均高温为40 (104 F)，晚间气温低点约为30 (86 F)，迪拜地区最高气温记录在2012年7月27日为49 (119 F)。冬季通常很凉爽，但是短时期内能达到平均23 (73 F)高温， 隔夜低点达到14 (57 F)。建筑物的方向是优化建筑物的能源性能的主要因素。对于迪拜来说，有建议建筑物被设计成东西轴线的，这样与任何在南北两个方向上的玻璃窗都能补充适当的阴影和眩光控制。考虑到从太阳辐射而获得的高温体验，遮光是在阿拉伯联合酋长国的另一个重要方面。遮光是通过一系列的策略，例如种植大型树木，建筑集群，或者在其他阴影特征中逼近或取代窗户而实现的。可操作的遮阳设备通过改变叶片材质来提供允许通风和日光照明进入室内空间的灵活性，而不允许获得任何直接热能。外观的选择，建筑物的方向将在预测建筑物热增益中起到至关重要的作用。2.1. 使用威卢克斯日光照明可视化工具软件进行日光照明仿真威卢克斯日光可视化工具2仿真软件是用来根据建筑的方向来评估照度水平（勒克斯）的。本部分中假设没有由于临近的树木或高层建筑而产生的外部阴影。这款软件用来评估日光照明条件并且在之后提供有价值的输入给一个有效、综合的日光照明策略的发展。2.1.1. 模拟输入图3. 办公室空间布局a） 日期本次评估于2012年3月21日春分和9月21日秋分时实施。b） 办公空间尺寸长：7.5米，高：4米，宽：5米，房屋面积37.5平方米，墙面积30平方米c） 窗户在建筑物正面有两扇窗户。窗户高：1.8米，窗户宽：2.4米，窗户面积：4.32平方米，窗户总面积4.322=8.64平方米，窗墙面积比：0.288，窗口地板面积比：0.2304，距地高度：0.9米，透射率：0.78d） 位置迪拜 经度55.31，纬度28.35e） 建筑物方向顺时针250度f） 可见光透射率0.78图3显示了办公空间，它的3D视图在图4中显示。图4. 办公空间布局的3D视图2.1.2. 仿真结果从威卢克斯中得到的在春分/秋分（3月21日/9月21日）正午12点晴朗天空条件下的日光照明结果在图5-8中显示。房屋装备工程师学会照明法典建议在普通办公室中保持500勒克斯的照度。图5. 3月21日正午12点的照度水平（转角：312度，倾斜：-15，高度：2.1米，焦距：22毫米）图6. 9月21日正午12点的照度水平（转角：312度，倾斜：-15，高度：2.1米，焦距：22毫米）图7. 3月21日正午12点照度水平剖视图（高度-0.85米）图8. 9月21日正午12点照度水平剖视图（高度-0.85米）仿真的结果用来对已选择示例办公空间使用绿色建筑标准(LEED日光)最佳日光进行分析。2.2. 装配玻璃的边缘照明视图坐落在离地面0.762米至2.286米（窗台高度）的窗户被认为是视觉窗户。模拟过程中窗户拟为距地面0.9米。2.3. 可见光透过率可见光透射率(VT，tvi或VLT)是一种表明可见光传播数量的光学属性。大多数可见光透射率的值都在0.3和0.8之间。值越高，传播的光量越多。高可见光透射率是寻求日光最大化，但是在最优平衡中应将可能的眩光问题考虑进去。在这次设计中，可见光透射率为0.78，这是在可接受范围内的。2.4. 玻璃系数玻璃系数是在已知阴天条件下给定平面上给定的点(通常是工作平面)室内照度与室外照度的比值。玻璃系数要求是最小值的2%超过定期使用区域的75%。表1总结了计算结果。玻璃系数= （1）= =0.0359表1. 玻璃系数电子表格空间名称空间面积（平方米）装配玻璃的边缘日光照明装配玻璃的边缘照明视图玻璃系数面积（平方米）可见光透射率面积（平方米）可见光透射率办公室37.508.640.783.59%所占据空间的总地板面积=（一个区域的办公空间12）+会议室面积+行政办公室面积=562.6平方米 （2）地板表面总面积=715平方米计算空间有3.59%的玻璃的百分比为78.8%。从图5看出3月21日正午12点最小照度为203.3勒克斯，从图6看出9月21日正午12点最小照度为221.9勒克斯。从结果中可以很清晰的看出，3.59%的玻璃系数达到了经常被使用面积的78.8%,远高于2%经常使用面积的75%的最低要求。这已经达到了203.3勒克斯的最低日光照明水平。2.5. 照明边缘区域提出设计中照明边缘区域的值应满足绿色建筑标准LEED要求（0.150窗户地板面积比可见光透视率0.180）。窗户地板面积比=0.2304，可见光透视率=0.780.150 0.179 0.088 x DF x 90/（sky angle） (4)建议DF最小值为2%，假设天空角度为90度，办公空间的窗墙比为0.288。因此由上述计算可知对于一个侧光空间，数值为0.225的窗墙比满足条件。2.9. 尺寸约束-日光一致性/限制深度这是日光照度水平在空间中均匀下降的距离。限制深度可以由公式（5）计算。 限制深度= (5)Rmean=平均地表反射率(地板=0.62，墙面=0.71，天花板=0.84)，W=墙宽（米）， H=窗高（米）。限制深度= =14.4米深度比限制深度低的空间分别显示了自然光的统一标准。根据计算，最大限制深度为14.4米，而建议办公室深度为5米。因此，从仿真结果很明显的看出，因为其符合所需的标准，所以办公空间设计是理想的照明。它的目的不仅是收获的一天照明，还提供住户室内空间和室外通过采光和视野引入经常使用区域的建筑物之间的连接。3. 模拟室内照明本节讨论用人工照明来补充所选办公空间照明。DIALux光向导软件用于分析使用荧光灯和LED灯具的室内照明方案。假设办公室在正常办公时间（上午9点至下午5点）被限制使用人工照明而没有使用自然光。按照标准，在分析中每间办公室使用500勒克斯的照度水平。选用以下发光体进行分析，因为它们有相似的照明能力：3.1. 荧光发光体 -TL 5000 5506/236/6/EB 图11. 荧光发光体办公室空间通过使用通用电气照明荧光灯TL 5000 5506/236/6 / EB进行照明。图12显示了照明灯具的极值。图13显示荧光发光体TL 50005506/236/6/EB的DIALux 4.1仿真结果。图12. 灯具极值图13. 荧光灯具仿真结果从结果中可以很明显的看出，需要12件设备来满足办公空间所需要的500勒克斯的照度要求。3.2. LED 发光体办公空间通过使用LED灯ENDO GXLX7009W进行照明。图15显示了照明灯的极值。图16显示了DIALux 4.1的LED发光体仿真结果。功率为125 W,光通量是6279流明。 图14. LED灯具 图15. LED灯的极值图16. LED仿真结果从结果中可以很明显的看出，需要6件设备来满足办公空间所需要的500勒克斯的照度要求。计算机模拟的两种办公空间照明水平通过使用DIAlux照明向导软件得到，结果在表3中做了总结。假设安全系数为0.67。2012年6月23日，迪拜的电价和燃油附加费分别为23 fils/kWh和6 fils/kWh。这些值用来进行计算，结果列在表3中。表3. DIALux仿真结果总结内容荧光灯具LED灯具需要的灯具数量126平均照度EAVE624lux505lux最小照度EMIN376lux279lux最大照度EMAX807lux656lux平均系数EMIN/EAVE0.600.56平均系数EMIN/EMAX0.470.43办公空间所有灯具总光通量804Klum37.674Klum办公空间一个月所有灯具的总功率消耗214.27kWh186kWh单个办公空间年度能源成本591.38AED513.36AED单个办公空间年度能量成本154.27AED133AED年度总开销745.65AED646.36AED4. 结果和结论中东地区迪拜的一座典型办公空间被用于分析，以此来找到不同策略的平衡点，并且 可以用来减少电气照明能耗。使用威卢克斯日光照明可视化工具2软件分析有效利用自然采光时，建筑方向和当地气候条件被加入考虑中，之后常规照明例如荧光灯和LED灯将进行比较研究。办公空间被设计来满足在迪拜地区一天的采光照度需求。它的目的不仅是收获的一天照明，还提供住户室内空间和室外通过采光和视野引入经常使用区域的建筑物之间的连接。从威卢克斯仿真结果中很明显的看出，办公空间设计是理想的照明，因为它符合所需的标准。DIAlux光向导软件是用于分析同时使用荧光灯和LED灯的室内照明方案的。如果在整个工作时间的室内照明中只使用荧光灯具，单个办公空间每年的运营成本将约为745.65 AED(阿拉伯联合酋长国，迪拉姆)。每层有12间办公室，这让成本约为8950 AED（大约）。如果使用LED灯具，运营成本将约为646.36 AED，单层楼年度成本约为7756 AED（大约）。单层楼中这两种费用的差是1194 AED，这栋建筑有五种典型楼层，仅仅考虑一种，