自然采光控制下的辦公室節能分析

黃啟明

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031)

社會的發展、科技的進步能帶給人便捷、高效的生活方式，但終究屬于自然生物的人類——舒適的自然環境才能讓我們更幸福[1]。辦公場所是人們主要的生活區域之一，天然光線能為辦公區域提供直接的自然環境氛圍，它的光色自然，能夠呈現出質感，而且富于動態變化，具有人工光源不可比擬的獨特表現力。在建筑光環境研究領域中，自然光利用的研究一直是重點，近些年自然采光的利用取得了很大的進展，發展起了諸如導光管、光導纖維等新技術以及熱敏玻璃、光敏玻璃、電敏玻璃、棱鏡玻璃[2]等自然采光的新材料，為最大限度地利用自然光提供了可能。

充分利用自然光在滿足人們健康需求的同時，還可減少建筑運行的能源耗費。僅對照明能耗而言，自然采光控制下的室內照明能耗與普通無控制形式相比，降幅就在30 %～70 %之間[3-4]，同時照明散熱形成的負荷對建筑的冷熱負荷都有著直接的影響，作用于冬夏季冷熱負荷的效果也不同，綜合考慮由采光控制帶來的整體能耗節約率也可達40 %[5]。

1 研究內容

1.1 采光與熱工能耗

文章針對的是將自然采光與室內照明結合的控制系統。自然采光控制包括自然光控制和室內照明控制兩個部分，自然光控制的主要目的是在減少窗的眩光帶來視覺不適的同時，最大限度的利用自然光采光；室內照明控制則是通過不同的照明控制方式，例如分階調光控制、連續調光控制(圖1、圖2)，在自然光照度超過照度設定值時，將燈關掉或留有少部分開啟，在自然光照度低于設計的照度時，控制系統以分階、線性的方式補充人工照明功率，以保持工作面照度值不變。

影響自然采光控制的主要因素是眩光和照度，我國《建筑采光設計標準》(GB 50033-2013)將全國劃分為五類光氣候區，用以指導采光設計；自然采光控制不僅能直接降低照明能耗，還與空調和供暖能耗有關，我國《民用建筑熱工設計規范》(GB 50176)從建筑熱工設計的角度出發，將全國劃分為五個分區，指導熱工設計。基于室外照度指標的光氣候分區與根據平均溫度指標的熱工分區著重點不同，這就導致了同一個區域可能分屬不同的分區，提高了設計的復雜程度，使得采光節能和熱工節能“魚和熊掌不可兼得”。

圖1 分階調光示意

圖2 連續調光示意

文章以光氣候分區為前提，使用Energyplus模擬分析同一光氣候分區內不同熱工分區的節能潛力，具體的劃分見表1。

表1 不同光氣候下的熱工地點選取

1.2 建筑模型

文章選取某辦公樓南向四間辦公室為模擬對象(圖3)。辦公室層高3 m，每間的尺寸為5 m×3.5 m，窗墻比0.3，墻/天花板/地面的可見光反射率分別為0.6/0.7/0.22，墻體傳熱系數為0.5，嚴寒地區采用三層窗，其它地區為雙層中空窗。

圖3 建筑模型示意

辦公室性質屬普通辦公室，參照《公共建筑節能設計標準》(GB 50189-2005)，人員密度4 m2/人、照明功率11W/m2、設備功率20 W/m2、新風量30 m3/(h·p)。設備開啟時間為7:00-19:00。

1.3 采光照明控制

普通辦公室0.75 m參考平面的照明標準值[6]為300 lx，窗的不舒適眩光指標[7](DGI)取23，嚴寒和寒冷地區為軟百葉簾內遮陽(interior shades)，其余地區為軟百葉簾中空內遮陽(between-glass shades)；照明控制方式為連續調光控制[8](continuous di mming control)，最小功率輸入和最小光亮輸出分別為0.3和0.2。

當窗的眩光指數超過23時，軟百葉簾遮擋，照明系統根據參考平面的實時照度確定照明功率的供給；眩光指數低于23時，軟百葉簾拉起，照明系統根據參考平面的實時照度確定照明功率的供給。本文對比采光控制的措施為軟百葉簾全年工作時段遮擋及無照明控制。

2 能耗對比分析

自然采光控制影響下的室內能耗計算較為復雜。與沒有遮陽措施相比，軟百葉簾遮陽時，進入室內的太陽能減少，作用于室內冷熱負荷的太陽輻射得熱相應改變；自然采光滿足室內照度時，照明設備帶來的對流和輻射得熱也隨之減少，減少量與照明控制系統對應的輸出功率等有關，若未能滿足室內照度，增加量隨室內照度的大小變化而變化。

根據表1的分類，本節分別給出了五類光氣候分區內代表城市的年照明能耗、年耗冷量、年耗熱量，圖中“1”表示運用了自然采光控制措施，“2”為對比方案。

圖4 光氣候Ⅰ區對比

圖5 光氣候Ⅱ區對比

圖6 光氣候Ⅲ區對比

圖7 光氣候Ⅳ區對比

圖8 光氣候Ⅴ區對比

圖4～圖8是五類光氣候區共15個城市的年照明能耗、年耗冷量、年耗熱量對比圖。由于普通辦公室室內發熱量大，致使建筑年耗冷量普遍較大，耗熱量較小，溫和地區、夏熱冬暖地區基本無供暖需求。自然采光控制下的空間，無論處于哪種光氣候區域，照明能耗都明顯減少；耗熱量要高于對比空間、耗冷量少于對比空間，這是自然采光控制下室內照明設備減少從而照明帶來的得熱減少的緣故。

為了更直觀的說明節能效果，表2匯總了各地區各項的節能率。

從表2可以看出，照明能耗節能量非常可觀，有50 %～60 %的節能率，同時也可發現處于光氣候Ⅲ區烏魯木齊的節能率要小于光氣候Ⅴ區的成都，主要原因還是南北光氣候特點不同，北方室外照度以直射光為主，南方則是散射光照度占多，啟動遮陽設施后，室內照度未達到設計標準則需啟動人工照明，而遮陽設施本身的光學參數也對遮陽后的室內照度有影響，透光率過低則會減少節能率，過高則會出現即使遮陽，眩光指數依然超標的情況。

自然采光控制后，建筑耗熱量增加(為負)，但是由于年耗熱量本身基數小，實際增加量很少，增加量最大的是哈爾濱，為450 kW·h，上海地區有將近50 %的增幅，實際增加量卻只有160 kW·h。自然采光控制后的夏季耗冷量有10 %～30 %的節能率，加之耗冷量基數大的緣故，節能量明顯，廣州、海口等夏熱冬暖地區，雖然節能率數值不大，但是節能量卻很可觀，有1 200 kW·h，西寧等嚴寒地區年耗冷量相對較少，采光控制的節能效率表現得較為明顯，節能量也有600 kW·h左右。

表2 節能率匯總表 %

%

3 結論

文章通過模擬對比了五類光氣候分區內的15個代表城市在自然采光控制下的年照明能耗、年耗冷量、年耗熱量，自然采光控制下的普通辦公室照明能耗節能率在50 %～60 %之間，光資源越豐富的地區節能率越高；自然采光控制后，夏季耗冷量也減少了10 %～30 %，由于夏熱冬冷、夏熱冬暖及溫和地區耗冷量基數大，節能量明顯；雖然冬季耗熱量有所增加，與總耗能相比，增加量有限。可見善加利用自然光不僅有利于視覺舒適還能減少能耗輸出。

[1] MacKerron G,S Mourato.Happiness is greater in natural environments. Global Environmental Change 23 (2013) 992-1000

[2] ShehabiA, N DeForest，et al. U.S. energy savings potential from dynamic daylighting controlglazings. Energy and Buildings 66 (2013) 415-423

[3] Dubois M, ? Blomsterberg. Energy saving potential and strategies for electric lighting in future NorthEuropean, low energy office buildings: A literature review. Energy and Buildings 43 (2011) 2572-2582

[4] P. Ihm, A. Nemri, M. Krarti, Estimation of lighting energy savings from daylighting, Building and Environment 44 (2009) 509-514

[5] Bodart M, A De Herde. Global energy savings in offices buildings by the use of daylighting. Energy and Buildings， 2002，34，(5):421-9

[6] GB 50034-2013 建筑照明設計標準[S]

[7] GB 50033-2013 建筑采光設計標準[S]

[8] Energyplus Input/Output Reference