探討綠色節(jié)能視域下大型公共建筑智能照明設計研究

安科瑞 陳聰

【摘要】：大型公共建筑的照明系統(tǒng)通常是根據(jù)用戶需求來設計的，其容易忽略日光以及季節(jié)變化對照明需求的影響，導致照明能耗過高。因此，本研究旨在綠色節(jié)能視角下對大型公共建筑的智能照明系統(tǒng)進行改進。首先，分析天花板和工作面之間的日光照度映射關系，建立一個日光估計模型。通過進行訓練和操作兩個階段，得出建筑日光分布的估計值。接下來，結(jié)合實時的自然光照條件，選擇合適的照明模式。*后，以*央控制器為核心，構(gòu)建一個智能照明控制框架。這個框架可以處理用戶期望的照度以及當前照明模式的反饋結(jié)果，并完成*終的智能照明設計。經(jīng)過實驗驗證，本次設計的智能照明方案日均照明能耗僅為5.4kw·h，完*滿足了綠色節(jié)能的要求。

【關鍵字】：綠色節(jié)能；公共建筑；日光估計；動態(tài)控制；智能照明

0引言

綠色節(jié)能是指在滿足人們需求的前提下，通過合理利用資源和能源，減少對環(huán)境的負面影響，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[1]。在建筑領域，尤其大型公共建筑中，智能照明設計實現(xiàn)了綠色節(jié)能目標，利用現(xiàn)代化的技術(shù)手段[2]，對建筑照明的智能化控制，提高照明質(zhì)量和能效。近年來，學者們致力于研究節(jié)能的照明策略。廖祈泉等[3]提出了基于向日追蹤的智慧照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過智能追蹤系統(tǒng)觀察日光強度，并計算是否滿足照明需求。在太陽能利用效率低、照明需求大的時間節(jié)點，自動開啟照明設備，以減少能源浪費。但該系統(tǒng)主要依賴太陽光，在陰雨天或日照不足的情況下效果受限。許馨尹等[4]從日光強度和用戶需求入手，通過對比正常條件下的日光估計值與室內(nèi)照明需求，決定是否打開照明設備。此方法計算過程復雜，實時性較差。梁波等[5]提出一種照明動態(tài)控制策略，通過實驗觀察照明區(qū)域能見度變化規(guī)律，構(gòu)建基于模糊徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡的智能照明體系。該方法需實時采集和處理大量環(huán)境數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)不準確或處理不及時，可能導致控制策略失誤，增加能耗。

本文在此基礎上，基于綠色節(jié)能理念，考慮日光估計進行大型公共建筑智能照明設計，為相關領域提供新的思路和方法。希望通過合理的智能照明設計，提高建筑的能效和舒適度，減少能源消耗和運營成本，為環(huán)保事業(yè)作出貢獻。

1綠色節(jié)能視域下針對大型公共建筑設計智能照明方法

1.1設計日光分布估計算法

在大型公共建筑智能照明設計過程中，為滿足綠色節(jié)能要求，充分考慮日光對建筑室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量的影響，在不影響室內(nèi)理想光環(huán)境的基礎上，動態(tài)調(diào)整燈具照明亮度[6]。因此，智慧照明的初始階段進行日光分布估計，深入分析天花板與工作面照度之間的映射關系。

在獲取日光分布估計值時，天花板日光照度貢獻值和工作面日光照度貢獻值之間，存在比例關系[7]。基于這一特點，定義式（1）的映射函數(shù)，為核心構(gòu)建一個自然光估計器，辨識日光分布情況。

式中，k為時刻，d為工作面照度貢獻值，η為天花板日光照度貢獻值，f為自然光估計器，B為待辨識參數(shù)。

實際日光分布估計過程中，引入*小二乘算法，將待辨識參數(shù)推理過程，描述為*優(yōu)解計算問題。以*小化誤差平方值為目標進行*小二乘不斷搜索，從眾多匹配的待辨識參數(shù)函數(shù)中篩選出*佳數(shù)據(jù)，式為：

式中，T為轉(zhuǎn)置矩陣。大型公共建筑日光分布估計的具體操作。在訓練分析環(huán)節(jié)，通過天花板、工作面上的傳感器設備，采集日光映射強度數(shù)據(jù)，將其作為日光估計訓練所需的數(shù)據(jù)，構(gòu)建日光估計模型[8]。

1.2選取建筑照明設備的能耗模式

根據(jù)日光分布估計結(jié)果選取照明設備能耗模式時[9]，需要先分析大型公共建筑典型照明能耗特點，構(gòu)建一個照明設備能耗模型。結(jié)合每個傳感器采集的光照信息，在大型公共建筑智能照明控制終端進行統(tǒng)一計算，*終匹配出一個*佳室內(nèi)智能照明模式。依托式（3）進行計算，獲取照明裝置具體網(wǎng)絡地址。

式中，V為照明裝置網(wǎng)絡地址，M為大型公共建筑內(nèi)照明裝置總數(shù)量，ϖ為智能照明通信網(wǎng)絡控制范圍，E為室內(nèi)照明區(qū)域總面積。在得到所有裝置對應的網(wǎng)絡地址后，通過式（4）完成不同裝置兩兩之間間隔距離的推算。

公式中，D為照明裝置之間距離。隨后，利用式（5）展開計算，獲取單個照明裝置在考慮日光光照的情況下所需的光照條件參數(shù)。

式中，C為光照條件參數(shù)，L為條件參數(shù)。在通信網(wǎng)絡的輔助下，將上述計算的光照條件參數(shù)傳達給控制*心，為綠色節(jié)能視域下大型公共建筑智能照明設計提供基礎數(shù)據(jù)，與日光分布估計結(jié)果表現(xiàn)出的當前建筑自然光照條件相結(jié)合，判斷智慧照明匹配的*佳照明方案。

式中，1、2、3、4分別為不打開照明裝置、低亮度照明模式、中亮度照明模式、高亮度照明模式。如式(6)所示，在日光較強的時段，大型公共建筑內(nèi)部映射的自然光，就可以滿足室內(nèi)正常照明需求，不需要再打開照明裝置，從根本上達到節(jié)省電能的效果。而在日光不充足的時刻，則需要對室內(nèi)光線進行補充!1,根據(jù)實時亮度變化調(diào)整為低、中、高亮度照明模式,滿足大型建筑照明要求。

1.3實現(xiàn)室內(nèi)空間智能照明控制

將光源的空間照度表示為矩陣，考慮太陽光和工作區(qū)位置、燈具與工作面的距離，建立光通函數(shù)矩陣。在智能照明控制中考慮人工光源的照度影響，判斷是否執(zhí)行選定模式。明確照明模式后，為滿足智能化要求，在照明控制終端附近建立建筑能源管理系統(tǒng)服務器，導人照明能耗模式，自動轉(zhuǎn)為控制命令，以調(diào)整大型建筑室內(nèi)燈具的亮度，解決自適應智能照明問題。

以天花板上安裝數(shù)個照明燈具的室內(nèi)環(huán)境為例，在該室內(nèi)工作區(qū)臺面上需要布置無線智能設備，利用無線廣播的形式向控制器發(fā)送期望照度值，以便求出更加符合實際要求的調(diào)光系數(shù)。假設每個大型公共建筑室內(nèi)燈具的光線調(diào)整都是線性調(diào)光模式，考慮其本身的物理限制，定義燈具開度范圍為10，11。這種環(huán)境下，燈具功耗同調(diào)光水平二者之間表現(xiàn)出正比例變化關系，也就是說，可以將智能照明控制中所有照明裝置的總功耗，看作燈具調(diào)光系數(shù)向量和其他設備功耗之和，其表達式為:

式中，J為燈具總功耗，S為智能照明控制系統(tǒng)開銷功耗，u為燈具調(diào)光系數(shù)向量，p為區(qū)域內(nèi)燈具數(shù)量，i為燈具編號，"表示單個燈具功耗。依靠智能照明控制系統(tǒng)，在考慮日光光照強度的情況下完成大型公共建筑智能照明設計，確保建筑照明滿足綠色節(jié)能要求。

2試驗

2.1試驗環(huán)境

為評估大型公共建筑智能照明設計方法的效果，選擇沈陽市某高層大廈作為應用對象。該大廈位于沈河區(qū)青年大街，建筑面積33000m²，共22層，每層1500m²。該建筑集商務辦公、文化展示和國際商業(yè)于一體，是沈陽的*名商務*心。針對大廈目前照明設施進行調(diào)查可知，其內(nèi)部存在格柵熒光燈、節(jié)能筒燈、吸頂燈、藝術(shù)吊燈、白熾燈等多種照明燈具，根據(jù)不同場合的照明需求安裝不同燈具。建筑內(nèi)每一類照明設備的具體數(shù)量和功率，如表1所示。從表1看出，該建筑內(nèi)應用*為廣泛的還是格柵熒光燈、節(jié)能筒燈兩種照明燈具。選擇其中一層全覆蓋格柵熒光燈的辦公室，進行智能照明設計測試，該層內(nèi)燈具布置情況

如圖1所示。

除了新研究出的智能照明設計方法外，本次實驗還應用了文獻[3]和文獻[4]給出方法，在所提方法之后對同一樓層進行智能照明設計。對比三種方法實施效果，以便直觀體現(xiàn)所提方法*越性。

2.2智能照明結(jié)果

由于新方法在對室內(nèi)燈具亮度進行智能調(diào)節(jié)時考慮日光帶來的影響，在建筑智能照明設計過程中，先獲取不同時刻每個燈具所在工作區(qū)的室外日光分布估計值，得到圖2統(tǒng)計結(jié)果。

根據(jù)圖2可知，由于工作區(qū)11、12、13、14均處于靠近窗子的位置，其受到日光影響更大，這些工作區(qū)的照度明顯高于其他工作區(qū)。同時，隨著時間變化工作區(qū)內(nèi)照度也會出現(xiàn)明顯改變，14:00左右屬于一天中日光*強烈的時刻，該時段建筑室內(nèi)工作區(qū)照度也相對更高。在上述環(huán)境中，設計所有工作區(qū)用戶的期望照度為300lux。當自然光滿足該照度，則不需開燈；反之需調(diào)整燈具亮度。實施智能照明設計后，將實際照度與期望照度繪制成圖3。

圖3看出，建筑內(nèi)燈具智能照明調(diào)節(jié)后，各工作區(qū)產(chǎn)生的實際照度值均保持在300lux，與期望照度一致，證明綠色節(jié)能視域下新型智能照明設計方法是可行的。

2.3智能照明設計節(jié)能分析

在新研究智能照明設計方法實施一周后，在相同樓層應用另外兩種文獻提出方法重新進行智能照明設計，每種設計方案的實驗周期也是一周，統(tǒng)計不同方法應用后每日室內(nèi)照明消耗電能變化情況，生成圖4所示的對比結(jié)果。

從圖4看出，新研究智能照明設計方法應用后，日均照明消耗電能為5.4kw·h，而另外兩種方法的照明消耗電能日均值為13.7、14.8kW·h。整體看在大型公共建筑日常照明中加入新研究方法，使日均照明消耗電能減少60.58%、63.51%。有高度的智能化特點，根據(jù)實時環(huán)境調(diào)整照明參數(shù)，實現(xiàn)能源的準確控制。

3安科瑞智能照明控制系統(tǒng)

3.1概述

ALIBUS智能照明產(chǎn)品采用RS485總線技術(shù)，技術(shù)成熟可靠，安全穩(wěn)定。開關驅(qū)動器具備獨立工作的能力，適用于一些中小型的項目；模塊化設計，可以任意拼接擴展，同時預留I/O口以及Modbus接口，還可以滿足與AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺進行數(shù)據(jù)交換。

3.2應用場所

適合于各類智能小區(qū)、醫(yī)院、學校、酒店，以及體育場所、機場、隧道、車站等大型公建項目的照明控制需求。

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.4系統(tǒng)功能

1）實時檢測并顯示各個模塊的在線狀態(tài)，反饋現(xiàn)場受控回路的開關狀態(tài)，監(jiān)控界面按照樓層各分區(qū)的布局和回路列表來瀏覽。

2）當發(fā)生模塊離線、網(wǎng)關設備掉線或者狀態(tài)反饋和下發(fā)控制命令不一致時會發(fā)生故障報警，并將故障報警信息記錄并顯示在界面中。

3）可以對單個照明回路實現(xiàn)開關控制；每個模塊、樓層都有相應的模塊控制開關和樓層控制開關，也可以一個模塊或者整個樓層實現(xiàn)開關控制。

4）開關驅(qū)動器支持過零觸發(fā)功能，負載（燈具）的分合操作僅在交流電過零時進行；可有效減少電磁干擾以及對電網(wǎng)的沖擊，延長燈具與控制裝置的壽命。

5）對每個照明回路可以預設掉電狀態(tài)，當照明電源掉電時，開關驅(qū)動器會自動切換到預設的掉電狀態(tài)；確保重新上電時燈具的開關狀態(tài)是確定與可控的。

6）拖動調(diào)光控件，照明設備從0%到100%進行調(diào)光，可以對單個照明回路實現(xiàn)調(diào)光控制，調(diào)光總控可以對一個模塊的照明回路實現(xiàn)調(diào)光控制，也可以對多個照明回路實現(xiàn)調(diào)光控制，通過圖標的亮滅狀態(tài)反饋現(xiàn)場開關的狀態(tài)。

7）點擊場景控件，打開或者關閉對應場景設置，軟件界面上顯示不同的場景模式和場景功能，通過圖標的亮滅顯示對應的場景狀態(tài)是打開還是關閉。

8）設置定時時間，確認時間點后，對該事件點執(zhí)行的動作進行設置，設置燈在設定的時間點亮或者滅。

9）系統(tǒng)可以通過預設的當?shù)亟?jīng)緯度信息，自動計算每天的日升日落時間；根據(jù)天文時鐘控制照明開關，實現(xiàn)日落開燈、日出關燈的功能。

10）所有定時控制計劃均可下發(fā)保存至驅(qū)動模塊；當上位機系統(tǒng)故障或模塊離線時，驅(qū)動模塊可以利用自帶的RTC時鐘維持定時控制計劃的正常執(zhí)行，不影響日常的照明控制效果。

11）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是分布式總線結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)內(nèi)各元件不依賴于其他元件而能夠獨立工作；系統(tǒng)內(nèi)各元件可以通過程序的設定實現(xiàn)功能的多樣性。

12）預留BA或*三方集成平臺接口，采用modbus、opc等方式。

3.5設備選型

4結(jié)束語

在綠色節(jié)能視域下，大型公共建筑的智能照明設計研究至關重要。通過智能化的控制和管理，能夠?qū)崿F(xiàn)照明的有效利用，減少能源的浪費。本次充分考慮日光以及季節(jié)變化對照明需求，完成大型公共建筑智能照明設計，得出結(jié)論如下：

（1）應用所提技術(shù)，各工作區(qū)產(chǎn)生的實際照度值均保持在300lux，與期望照度一致；（2）所提智能照明設計應用后，日均照明消耗電能為5.4kw·h，可明顯減少能源浪費。

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