自然采光控制下的办公室节能分析

黄启明

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

社会的发展、科技的进步能带给人便捷、高效的生活方式，但终究属于自然生物的人类——舒适的自然环境才能让我们更幸福[1]。办公场所是人们主要的生活区域之一，天然光线能为办公区域提供直接的自然环境氛围，它的光色自然，能够呈现出质感，而且富于动态变化，具有人工光源不可比拟的独特表现力。在建筑光环境研究领域中，自然光利用的研究一直是重点，近些年自然采光的利用取得了很大的进展，发展起了诸如导光管、光导纤维等新技术以及热敏玻璃、光敏玻璃、电敏玻璃、棱镜玻璃[2]等自然采光的新材料，为最大限度地利用自然光提供了可能。

充分利用自然光在满足人们健康需求的同时，还可减少建筑运行的能源耗费。仅对照明能耗而言，自然采光控制下的室内照明能耗与普通无控制形式相比，降幅就在30 %～70 %之间[3-4]，同时照明散热形成的负荷对建筑的冷热负荷都有着直接的影响，作用于冬夏季冷热负荷的效果也不同，综合考虑由采光控制带来的整体能耗节约率也可达40 %[5]。

1 研究内容

1.1 采光与热工能耗

文章针对的是将自然采光与室内照明结合的控制系统。自然采光控制包括自然光控制和室内照明控制两个部分，自然光控制的主要目的是在减少窗的眩光带来视觉不适的同时，最大限度的利用自然光采光；室内照明控制则是通过不同的照明控制方式，例如分阶调光控制、连续调光控制(图1、图2)，在自然光照度超过照度设定值时，将灯关掉或留有少部分开启，在自然光照度低于设计的照度时，控制系统以分阶、线性的方式补充人工照明功率，以保持工作面照度值不变。

影响自然采光控制的主要因素是眩光和照度，我国《建筑采光设计标准》(GB 50033-2013)将全国划分为五类光气候区，用以指导采光设计；自然采光控制不仅能直接降低照明能耗，还与空调和供暖能耗有关，我国《民用建筑热工设计规范》(GB 50176)从建筑热工设计的角度出发，将全国划分为五个分区，指导热工设计。基于室外照度指标的光气候分区与根据平均温度指标的热工分区着重点不同，这就导致了同一个区域可能分属不同的分区，提高了设计的复杂程度，使得采光节能和热工节能“鱼和熊掌不可兼得”。

图1 分阶调光示意

图2 连续调光示意

文章以光气候分区为前提，使用Energyplus模拟分析同一光气候分区内不同热工分区的节能潜力，具体的划分见表1。

表1 不同光气候下的热工地点选取

1.2 建筑模型

文章选取某办公楼南向四间办公室为模拟对象(图3)。办公室层高3 m，每间的尺寸为5 m×3.5 m，窗墙比0.3，墙/天花板/地面的可见光反射率分别为0.6/0.7/0.22，墙体传热系数为0.5，严寒地区采用三层窗，其它地区为双层中空窗。

图3 建筑模型示意

办公室性质属普通办公室，参照《公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2005)，人员密度4 m2/人、照明功率11W/m2、设备功率20 W/m2、新风量30 m3/(h·p)。设备开启时间为7:00-19:00。

1.3 采光照明控制

普通办公室0.75 m参考平面的照明标准值[6]为300 lx，窗的不舒适眩光指标[7](DGI)取23，严寒和寒冷地区为软百叶帘内遮阳(interior shades)，其余地区为软百叶帘中空内遮阳(between-glass shades)；照明控制方式为连续调光控制[8](continuous di mming control)，最小功率输入和最小光亮输出分别为0.3和0.2。

当窗的眩光指数超过23时，软百叶帘遮挡，照明系统根据参考平面的实时照度确定照明功率的供给；眩光指数低于23时，软百叶帘拉起，照明系统根据参考平面的实时照度确定照明功率的供给。本文对比采光控制的措施为软百叶帘全年工作时段遮挡及无照明控制。

2 能耗对比分析

自然采光控制影响下的室内能耗计算较为复杂。与没有遮阳措施相比，软百叶帘遮阳时，进入室内的太阳能减少，作用于室内冷热负荷的太阳辐射得热相应改变；自然采光满足室内照度时，照明设备带来的对流和辐射得热也随之减少，减少量与照明控制系统对应的输出功率等有关，若未能满足室内照度，增加量随室内照度的大小变化而变化。

根据表1的分类，本节分别给出了五类光气候分区内代表城市的年照明能耗、年耗冷量、年耗热量，图中“1”表示运用了自然采光控制措施，“2”为对比方案。

图4 光气候Ⅰ区对比

图5 光气候Ⅱ区对比

图6 光气候Ⅲ区对比

图7 光气候Ⅳ区对比

图8 光气候Ⅴ区对比

图4～图8是五类光气候区共15个城市的年照明能耗、年耗冷量、年耗热量对比图。由于普通办公室室内发热量大，致使建筑年耗冷量普遍较大，耗热量较小，温和地区、夏热冬暖地区基本无供暖需求。自然采光控制下的空间，无论处于哪种光气候区域，照明能耗都明显减少；耗热量要高于对比空间、耗冷量少于对比空间，这是自然采光控制下室内照明设备减少从而照明带来的得热减少的缘故。

为了更直观的说明节能效果，表2汇总了各地区各项的节能率。

从表2可以看出，照明能耗节能量非常可观，有50 %～60 %的节能率，同时也可发现处于光气候Ⅲ区乌鲁木齐的节能率要小于光气候Ⅴ区的成都，主要原因还是南北光气候特点不同，北方室外照度以直射光为主，南方则是散射光照度占多，启动遮阳设施后，室内照度未达到设计标准则需启动人工照明，而遮阳设施本身的光学参数也对遮阳后的室内照度有影响，透光率过低则会减少节能率，过高则会出现即使遮阳，眩光指数依然超标的情况。

自然采光控制后，建筑耗热量增加(为负)，但是由于年耗热量本身基数小，实际增加量很少，增加量最大的是哈尔滨，为450 kW·h，上海地区有将近50 %的增幅，实际增加量却只有160 kW·h。自然采光控制后的夏季耗冷量有10 %～30 %的节能率，加之耗冷量基数大的缘故，节能量明显，广州、海口等夏热冬暖地区，虽然节能率数值不大，但是节能量却很可观，有1 200 kW·h，西宁等严寒地区年耗冷量相对较少，采光控制的节能效率表现得较为明显，节能量也有600 kW·h左右。

表2 节能率汇总表 %

%

3 结论

文章通过模拟对比了五类光气候分区内的15个代表城市在自然采光控制下的年照明能耗、年耗冷量、年耗热量，自然采光控制下的普通办公室照明能耗节能率在50 %～60 %之间，光资源越丰富的地区节能率越高；自然采光控制后，夏季耗冷量也减少了10 %～30 %，由于夏热冬冷、夏热冬暖及温和地区耗冷量基数大，节能量明显；虽然冬季耗热量有所增加，与总耗能相比，增加量有限。可见善加利用自然光不仅有利于视觉舒适还能减少能耗输出。

[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, Å 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 建筑照明设计标准[S]

[7] GB 50033-2013 建筑采光设计标准[S]

[8] Energyplus Input/Output Reference