天然采光與人工照明相結合的教室照明策略研究*

鄭盛梅

衢州職業技術學院 信息工程學院，浙江 衢州 324000

0 引言

從中國的能源消費和碳排放現狀來看，在資源稟賦的約束下，中國的能源結構仍然以化石能源為主。2019年，在能源消費中，中國煤炭消費占比57.5%，石油消費占比18.9%，天然氣消費占比8.1%，化石能源消費總量占比接近85%。不斷增長的能源需求及以化石能源為主的能源消費結構導致中國的二氧化碳排放較高。從不同行業的碳排放來看，作為一個高度工業化的國家，中國的碳排放主要集中于發電和工業端。要實現“碳中和”目標，一方面要大力開發綠色能源，另一方面要降低電耗[1]。

研究表明，建筑的能源消耗是全球能源總消耗的主要組成，根據相關能耗調查結果，建筑能耗占全球能耗的比重為40%左右。其中，照明用電是大型建筑不可忽略的一項能源消耗，占建筑總能耗的20%～40%。因此，降低照明系統的耗電量，對節能減排工作有十分重要的意義。太陽能作為一種清潔、無污染的可再生能源，在建筑照明智能化的大潮流中越來越受到重視。合理利用天然采光，能夠減少建筑空間內人工照明的用電損耗，實現建筑節能。同時，適宜的天然光有利于提升人們的舒適感，可以舒緩心情、提高工作效率[2]。如何有效地將天然采光與人工照明相結合，節省人工照明的使用頻次、使用時間或使用功率，成為各國專家學者的研究重點[3]。文章以一教室為例，具體闡述了如何將天然采光與人工照明相結合，以同時實現室內空間的均勻照明與能耗降低。

1 理論分析與仿真結果

文章選擇的研究對象是位于衢州職業技術學院教學樓2樓的一個教室，教室的長、寬、高分別為6.5 m、8 m和3.2 m。根據《建筑照明設計標準》（GB 50034—2013）[4]第5.3.2條，普通教室的參考平面取0.75 m，照度標準值為500 lx。為了確定在沒有天然采光的情況下，教室照明系統滿足照明需求，文章選擇CREE照明公司生產的600 mm×600 mm的LED平板燈具進行照明設計，其主要信息參數為色溫4 000 K、光通量3 200 lm、燈具功率35 W。

照度的計算公式為

式中：E為工作面平均照度，lx；N為所需燈具數量，個；A為工作面面積，m2；Ф為光源光通量，lm；U為利用系數，與燈具的遠程光強分布曲線有關，查燈具的規格書可知此款燈具U=0.7；K為燈具的維護系數，常取0.8。

由式（1）可得，房間內所需燈具數量為

通過計算可得N=14.5，取整數得到N=15。由DIALuxEvo仿真可以得到，在5行3列的布燈方式下，平均照度為536 lx，能夠滿足照度的要求。沒有考慮天然采光時的教室工作面照度分布圖如圖1所示。

圖1 沒有天然采光時教室工作面的照度分布圖（單位：lx）

在教室的側墻（東面墻）上，有高為1.4 m的窗戶貫通整個墻面。在7：00，天氣晴朗的情況下，即使教室里不開燈，由于受到天然采光的影響，平均照度有773 lx，高于標準要求?？紤]從窗戶入射到教室的天然采光時，得到的教室工作面的照度分布圖如圖2所示。

圖2 有天然采光時教室工作面的照度分布圖（單位：lx）

根據圖2，雖然教室工作面的平均照度高于標準要求，但是照度分布很不均勻（最高照度為1 349 lx，最低照度為342 lx），而且照度在平行側窗的方向上基本均勻分布，在垂直側窗的方向上隨著距離側窗的距離變遠，照度越來越低。將工作面劃分為靠窗區域、中間區域和靠墻區域3個區域，分別對應3列燈的照明區域，得到的照度分布圖如圖3所示。靠窗區域、中間區域、靠墻區域的平均照度分別為1 028 lx、728 lx和512 lx。

圖3 教室工作面的分區照度分布圖（單位：lx）

根據圖3，由于受到天然采光的影響，靠墻區域即使在不開燈的情況下，照度也遠高于照明標準的要求，容易造成眩光，給室內的人員帶來不適，因此需要使用窗簾等遮光用具遮擋一部分天然光[5]；靠墻區域的照度滿足照明標準的要求，但是如果窗簾遮擋了一部分天然光，靠墻區域的照度會低于照明標準的要求，需要使用一定的人工照明來進行補光[6]。

根據以上分析，在采用天然采光和人工照明相結合的照明策略后，對該教室在7：00，天氣晴朗的情況下的照度分布進行重新模擬，得到在窗簾遮光指數為79%（遮擋面積占整個窗戶面積的比例為79%）、靠窗燈具調光指數為0（燈具沒有開啟）、中間和靠墻區域調光指數為80%（實際功率為額定功率的80%）的情況下，靠窗區域、中間區域、靠墻區域的平均照度分別為543 lx、498 lx和482 lx，滿足照明標準的要求。教室各個區域的照度分布圖如圖4所示。采用天然采光和人工照明相結合的照明策略，可以滿足整個照明空間對恒照度的要求[7]。

圖4 調整后的教室工作面的分區照度分布圖（單位：lx）

由于自然光線變化較快，且供電的波動也會影響燈具的亮度，如果使用《建筑照明設計標準》（GB 50034—2013）規定的500 lx的照度標準值，在現實中難以通過調光設備實現精確的控制。因此，研究項目使用調光控制將工作面的照度控制在±10%偏差的范圍內，即保證工作面照度始終保持在450～550 lx[8]。

采用天然采光和人工照明相結合的照明策略，利用DIALux Evo軟件模擬了該教室在2021年3月1日（晴天），從6：00～19：00，達到各個區域的平均照度都是450～550 lx時，各個區域的燈具的調光情況和窗簾的遮擋情況，結果如表1所示。表1中只列出了6：00～19：00的調光指數，因為只有在這個時段內才存在天然光，燈具可以不用滿功率運行；在其他的時段內沒有天然光，燈具以100%的功率運行。在計算燈具一天的能耗時，需要以教室燈具的實際使用時間（8：00～22：00）來計算。

表1 燈具調光指數與窗簾遮光指數

2 能耗分析

對全人工照明及天然采光與人工照明相結合的照明策略下的照明能耗進行分析。當完全采用人工照明時，該教室需要采用15盞功率為35 W的LED燈具。假設一天中的開燈時間為8：00～22：00，則該教室1 d的電能消耗為

式中：P為單燈功率，W；N為燈具數量，個；t為每天的使用時間，h。

當采取天然采光與人工照明相結合的照明策略時，可以根據表1得到一天中的整點時刻的燈具的調光指數。雖然調光指數會實時根據外部光照條件調整，但是跟整點時刻的數值不會相差太大，因此以每個整點時刻的燈具功率作為接下來1 h內的燈具的平均功率?？梢缘玫皆摻淌? d的電能消耗為

式中：Pi為燈具在i時刻的功率，W，i的取值范圍為8：00～22：00；N為每個區域的燈具數量，此處的N為5；t為時間，h，此處的t為1；j為燈具分區控制的分區數，因為分為3個區域，j取值為1、2、3。

根據式（4）計算得到在天然采光與人工照明相結合的照明策略下的照明能耗為4.25 kW·h，對比完全依賴人工照明的用電能耗，電能的節約率為42%。

3 結論

文章的研究結果表明，采用天然采光與人工照明相結合的照明策略，不僅能夠實現室內的均勻照明，給用戶帶來良好的照明體驗，而且可以節約人工照明的能耗，為國家早日實現“碳達峰”和“碳中和”的目標作出貢獻。