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现今社会，能源欠缺和碳排放量是所有国家都正在面临的要紧挑战。要解决那个问题有很多方式，能够通过在许多领域节约能源来实现。照明被普遍应用在许多领域，其中之一确实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。本文的第一部份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。本研究利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。研究说明，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。在第二部份中，人工照明被用来补充自然采光,以知足所需的照明标准。德国专业照明设计软件版本照明向导软件用于设计和评估关于同一个办公空间，通过应用不同种类的灯具，人工照明打算和其相似的照明能力，评估结果被重点突出。其造成的阻碍也被进行了研究。对暖通系统利用自然采光和人工照明造成的阻碍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）介绍能源消耗是工程师、科学家和决策者们在全世界讨论中的一个要紧关注点。照明是住宅和商业建筑能源消耗的要紧因素之一。天天，每一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普遍的应用，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份。在少数建筑物中存在一个很严重的问题，那确实是过度照明和后续的本钱效益。这些本钱能够通过利用一些照明策略而大大的降低，例如照明操纵系统来有效的获取日光来用作室内照明目的。因此，照明现在代表了能源消耗中专门大的一部份，而且受到了大量的关注，尤其是在办公大楼的利用中。本文的要紧目标是探讨在办公大楼中优化日光照明利用的可能性而且通过利用人工照明的同时限制其对冷负荷的阻碍从而减少能源消耗。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切的要紧问题。一份由Nicol，WilsonandChiancarella(2006,pp.802–813)所作出的研究说明，照明是居民楼和商业楼中最大的能源消耗者。另一份由Ryckaertet.al.(2020,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5–15%。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，那确实是采纳高效节能照明源来替代现有的照明。在本文中，在中东地域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稳点，这能够用来减少电气照明消耗。在对照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，大楼的建设方向和本地的气候条件都被加入考虑当中。本钱分析对每一个技术都进行了探讨。本研究能够在其他建筑物在那个区域中的进一步验证顶用作基线。所分析利用的办公大楼的建筑布局别离如图1和图2所示。大楼共有六层。每层楼有12间长米宽5米的办公室。图1.地板上的布局图2.典型办公室布局方式中东地域的迪拜位于波斯湾，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一般是温暖且晴朗的。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份时候都是酷热和潮湿的。偶然有阵雨，但并非会持续很长时刻。若是下雨的话，大部份会发生在冬季，以短时刻持续降雨和偶然的雷暴的形式发生。在沿海地域，湿度超过90%，但是迪拜一年的平均降水量只有5天。夏日是超级酷热、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℃(104F)，晚间气温低点约为30℃(86°F)，迪拜地域最高气温记录在2021年7月27日为49℃(119°F)。冬季通常很凉爽，可是短时期内能达到平均23℃(73°F)高温，隔夜低点达到14℃(57F)。建筑物的方向是优化建筑物的能源性能的要紧因素。关于迪拜来讲，有建议建筑物被设计成东西轴线的，如此与任安在南北两个方向上的玻璃窗都能补充适当的阴影和眩光操纵。考虑到从太阳辐射而取得的高温体验，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，或在其他阴影特点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许诺通风和日光照明进入室内空间的灵活性，而不许诺取得任何直接热能。外观的选择，建筑物的方向将在预测建筑物热增益中起到相当重要的作用。利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仿真软件是用来依照建筑的方向来评估照度水平（勒克斯）的。本部份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而且在以后提供有价值的输入给一个有效、综合的日光照明策略的进展。模拟输入图3.办公室空间布局日期—本次评估于2021年3月21日春分和9月21日秋分时实施。办公空间尺寸—长：米，高：4米，宽：5米，衡宇面积平方米，墙面积30平方米窗户—在建筑物正面有两扇窗户。窗户高：米，窗户宽：米，窗户面积：平方米，窗户总面积×平方米，窗墙面积比：，窗口地板面积比：，距地高度：米，透射率：位置—迪拜经度°，纬度°建筑物方向—顺时针250度可见光透射率—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视图仿真结果从威卢克斯中取得的在春分/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。衡宇装备工程师学会照明法典建议在一般办公室中维持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：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：米，焦距：22毫米）图7.3月21日正午12点照度水平剖视图（高度米）图8.9月21日正午12点照度水平剖视图（高度米）仿真的结果用来对已选择例如办公空间利用绿色建筑标准(LEED日光)最正确日光进行分析。装配玻璃的边缘照明视图座落在离地面米至米（窗台高度）的窗户被以为是视觉窗户。模拟进程中窗户拟为距地面米。可见光透过率可见光透射率(VT，tvi或VLT)是一种说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和之间。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，可是在最优平稳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，这是在可同意范围内的。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(一般是工作平面)室内照度与室外照度的比值。玻璃系数要求是最小值的2%超过按期利用区域的75%。表1总结了计算结果。玻璃系数=｛｝（1）=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03.59%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点最小照度为勒克斯，从图6看出9月21日正午12点最小照度为勒克斯。从结果中能够很清楚的看出，3.59%的玻璃系数达到了常常被利用面积的78.8%,远高于2%常常利用面积的75%的最低要求。这已经达到了勒克斯的最低日光照明水平。照明边缘区域提出设计中照明边缘区域的值应知足绿色建筑标准LEED要求（0.150<窗户地板面积比×可见光透视率）。窗户地板面积比=，可见光透视率=因此从上述结果中能够很清楚的看出提出的建议知足要求。天空有效角天空角是从办公室空间中接收到的没有受到阻碍的日光数量。咱们假设在那个时期没有障碍物。因此，有效的天空角为90度。采光系数采光系数(DF)是一种用于量化可用空间中日光数量的气宇。它被在一个标准化的CIE阴天，工作平面高度上测量。采光系数由公式（3）给出。DF=(Ein/Eext)×100(3)Ein：定点工作平面的室内照度。Eext：阴天时的室外照度。一个房间的平均采光系数是一个在工作平面高度延伸穿过房间的传感器的平均采光系数值。依照英国标准协会BS8206第二部份，空间平均采光系数在2%和5%之间被以为是充沛的，白天需要很少或不需要额外的照明。采光系数小于2%的空间会显现昏暗的现象。威卢克斯在阴天条件下模拟日光的因素别离为图9和图10所示。表2对结果进行了总结。D远远高于D值是因为它的值取在窗户周围。假设D是能够的因为为了加倍准确，它需要考虑远离窗口的空间。图9.3月21日正午12点阴暗条件下的采光系数图10.9月21日正午12点阴暗条件下的采光系数表2采光系数结果3月21日正午12点9月21日正午12点D=20.4(DF最大值)D=20.2(DF最大值)D=1.7(DF最小值)D=1.7(DF最小值)D=5.3(DF平均值)D=5.27(DF平均值)D=2.94(面积75%的DF平均值)D=2.92(面积75%的DF平均值)窗墙比（WWR）侧光空间所需的最小窗墙比由公式4给出。WWR>0.088xDFx90°/（skyangle）(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。因此由上述计算可知关于一个侧光空间，数值为的窗墙比知足条件。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。限制深度能够由公式（5）计算。限制深度=(5)Rmean=平均地表反射率(地板，墙面，天花板=0.84)，W=墙宽（米），H=窗高（米）。限制深度=米深度比限制深度低的空间别离显示了自然光的统一标准。依照计算，最大限制深度为米，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，因此办公空间设计是理想的照明。它的目的不仅是收成的一天照明，还提供住户室内空间和室外通过采光和视野引入常常利用区域的建筑物之间的连接。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利用荧光灯和LED灯具的室内照明方案。假设办公室在正常办公时刻（上午9点至下午5点）被限制利用人工照明而没有利用自然光。依照标准，在分析中每间办公室利用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：荧光发光体-TL50005506/236/6/EB图11.荧光发光体办公室空间通过利用通用电气照明荧光灯TL50005506/236/6/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TL50005506/236/6/EB的DIALux仿真结果。图12.灯具极值图13.荧光灯具仿真结果从结果中能够很明显的看出，需要12件设备来知足办公空间所需要的500勒克斯的照度要求。LED发光体办公空间通过利用LED灯ENDOGXLX7009W进行照明。图15显示了照明灯的极值。图16显示了DIALux的LED发光体仿真结果。功率为125W,光通量是6279流明。图14.LED灯具图15.LED灯的极值图16.LED仿真结果从结果中能够很明显的看出，需要6件设备来知足办公空间所需要的500勒克斯的照度要求。运算机模拟的两种办公空间照明水平通过利用DIAlux照明向导软件取得，结果在表3中做了总结。假设平安系数为。2021年6月23日，迪拜的电价和燃油附加费别离为23fils/kWh和6fils/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/EAVE平均系数—EMIN/EMAX办公空间所有灯具总光通量804Klum办公空间一个月所有灯具的总功率消耗186kWh单个办公空间年度能源成本单个办公空间年度能量成本133AED年度总开销结果和结论中东地域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稳点，而且能够用来减少电气照明能耗。利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，建筑方向和本地气候条件被加入考虑中，以后常规照明例如荧光灯和LED灯将进行比较研究。办公空间被设计来知足在迪拜地域一天的采光照度需求。它的目的不仅是收成的一天照明，还提供住户室内空间和室外通过采光和视野引入常常利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利用荧光灯和LED灯的室内照明方案的。若是在整个工作时刻的室内照明中只利用荧光灯具，单个办公空间每一年的运营本钱将约为745.65AED(阿拉伯联合酋长国，迪拉姆)。每层有12间办公室，这让本钱约为8950AED（大约）。若是利用LED灯具，运营本钱将约为646.36AED，单层楼年度本钱约为7756AED（大约）。单层楼中这两种费用的差是1194AE