罗涛 |采光照明一体化研究与应用
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采光照明一体化研究与应用
罗涛
（中国建筑科学研究院有限公司）
研究表明，良好的光环境可提升环境满意度，对健康和工作效率具有重要的影响[1]。天然采光不仅可以显著提升公共建筑的光环境，同时对于其照明节能甚至建筑整体节能具有至关重要的影响。Heschong等[2]的研究发现，采光充足的教室区域的学生成绩提高了7%~18%；天然采光与人工照明有机结合，可降低公共建筑的照明能耗20%~60%，减少建筑整体能耗10%~16%[3,4]。
然而，由于传统应用中通常将天然采光和人工照明分别放在两个不同的设计阶段，两者建立了各自的评价指标和方法，在设计过程中分别由建筑师和电气工程师负责，这样的分工使得采光与照明设计完全分离，光环境仅满足于符合相应的采光和照明标准，缺乏精细化设计，忽略了使用者的需求和实际运行的特点。比如很多新建的写字楼，采用了大面积的玻璃幕墙，但由于过量的太阳辐射带来的眩光和室内过热等问题，实际应用中往往大白天是拉下窗帘，室内长时间开灯；又比如有些照明设计未考虑天然采光的状况和实际使用要求，照明分区不合理，照明控制过于集中或设置不合理，只能全开或全关，即使临近窗的区域采光良好或只有少数人在室内时，也只能全部开灯。这不仅与设计的初衷相矛盾，也不利于室内环境，同时还增加了建筑能耗[5]。
为了克服传统设计方法带来的弊端，解决上述不合理的问题，采光与照明需要在设计阶段统一考虑，并进行有机结合，也就是实现采光照明一体化，将采光照明的各种单个的技术（部件）整合成系统的解决方案。本文结合目前正在进行的国际合作项目《采光照明一体化解决方案研究》，对适应于我国的采光照明一体化的原则、设计方法以及关键应用技术进行了探讨，从而可为光环境优化设计提供重要的参考。
1 IEA-SHC Task 61 / EBC Annex 77项目
该项目是国际能源署太阳能供热制冷实施协议（IEA-SHC）的研究任务，项目名称为“采光与照明的综合解决方案（Integrated Solutions for daylight and electric lighting）”。该项目的研究对象是非居住建筑，总体目标是提升使用者满意度并降低能源消耗，通过研究采光与照明设计及应用过程中的关键技术问题，提出建筑采光与照明的综合解决方案。
该项目的实施时间为2018年1月1日至2021年6月31日，并于2018年2月28日至3月2日在瑞典隆德大学召开了启动会（图1）。项目负责人是德国Fraunhofer建筑物理研究所的Jan de Boer博士，参与国家包括德国、奥地利、丹麦、挪威、中国、美国、比利时、芬兰、瑞典、瑞士、意大利、斯洛伐克、日本、新加坡和巴西等。笔者有幸作为中国代表参与该项目研究工作。
图1 IEA-SHC Task 61项目启动会专家合影
该项目分为使用者的照明需求（SubTask A）、采光与照明的优化设计（SubTask B）、方法工具（SubTask C）和案例研究（SubTask D）四个子任务，以及1个联合工作组。其中，SubTask A的主要任务是研究使用者的照明需求，包括：（1）视觉舒适性方面的因素：眩光、频闪和对比等；（2）非视觉效应方面的因素：光谱特性、辐照水平、照射时间和持续时间等；（3）心理方面的因素：视野、私密性和室内空间感受等，研究中还需要考虑不同年龄、性别以及不同气候和文化背景的使用者的差异性。
SubTask B则对采光照明技术进行梳理，并重点关注新的技术，特别是照明控制技术，包括：（1）利益相关者的调研，了解目前技术的问题与缺陷；（2）对现有采光照明技术的调研分析；（3）对新的技术，特别是控制技术的调研分析；（4）对照明控制交互界面的研究；（5）对相关标准的调研分析。
SubTask C的主要任务是采光照明一体化的设计流程和方法进行研究，包括：（1）现有设计流程的调研分析；（2）采光系统双向透射反射模型（BSDF）的研究；（3）天空光谱模型的研究；（4）评价方法和工具研究。
SubTask D的主要任务是研究监测方法，并对实验室和实际案例进行跟踪监测研究，包括：（1）对现有研究的调研分析；（2）监测方法研究；（3）对典型案例的测试研究。联合工作组的主要工作则是协调4个子任务的研究工作和成果，提出基于逐时分析的采光照明一体化分析工具，以及虚拟现实（VR）技术应用导则。
参与该项目的专家来自高校、研究院所和知名跨国企业，研究内容涉及基础理论、设计和测试方法、应用技术等，其成果将对未来光环境领域的标准、新产品、设计及应用产生重要影响。
2 采光照明一体化的原则与设计方法
我国的设计标准、技术体系、气候特点以及使用者习惯与国外有较大差异，采光照明一体化应结合我国的实际情况进行应用。充分利用天然采光可改善光环境和实现照明节能，同时由于采光设计处于建筑设计阶段，一旦确定，后期的照明设计很难去修正，只能去被动适应，也难以弥补。因此公共建筑的采光照明一体化应坚持“被动优先，主动优化”的原则，把充分利用天然光作为首要的目标。同时，采光系统应从光热两方面综合权衡，照明也应考虑与遮阳进行联动控制，采用动态评价指标和设计方法[6,7]。
公共建筑分为新建和既有两类，既有建筑由于受到自身条件限制，立面和室内装修等现状条件不易修改，而新建建筑则受限制较少，因此新建和既有建筑在采光照明一体化应用中有着不同的工作流程和处理方法。
1）既有建筑。我国既有公共建筑的存量巨大，这些建筑的照明系统老化，能效较低，光环境较差，这类建筑通常以节能改造为主，因而采光照明一体化应用应结合节能改造的目标进行。既有建筑的照明改造需要在测试和调研分析现有问题的基础上，确定合理的改造目标，再进行技术方案的比选。图2是既有建筑照明改造技术的矩阵图。
图2 既有建筑照明改造技术[8]
水平方向从左至右表示技术实施的复杂程度或难度，越往右说明实施难度越大，改造费用越高，但相应的改造效果也越好；垂直方向列举了四类改造技术方案，可根据改造目标和建筑的实际情况进行选择。在灯具布置和照明控制选择时，需要充分考虑与采光结合，以充分利用天然采光。同时需要考虑使用者的特点，特别是控制设备要符合使用者的行为习惯。
2）新建建筑。相对于既有建筑而言，新建建筑的技术方案可选余地更大，同时设计过程显得更为重要。采光照明一体化设计，要考虑充分利用天然光，特别是重视对直射日光的处理，要兼顾光热两方面的影响，综合考虑其全年的综合节能效果。不同的采光方案对于光热环境和照明能耗有着显著的影响，通过权衡分析确定建筑总体节能的优化方案，同时考虑与照明设计的衔接，为后期的照明设计提供良好的基础条件。在此基础上，进行照明优化设计，与采光进行协调和衔接，特别是灯具的分组要与采光进行结合，以及合理的照明控制策略等。
从实践经验来看，窗帘及遮阳对于室内光环境和照明能耗有较大的影响，但往往被忽视，多数项目仅在后期把窗帘作为一种室内装饰性构件来考虑，在采光照明设计时对窗系统就应进行精细化设计，充分考虑其对光热环境的重要影响。
图3表明，由于采用了更为优化的采光方案，与传统侧窗采光相比，照明能耗降低27%左右。
图3 某办公室采光与照明结合的案例[7]
3）一体化设计方法。采光照明一体化的核心在于其设计方法。在设计环节，就综合考虑采光与照明的协调与优化，并兼顾使用者行为习惯和热环境等因素的影响。该设计方法需要解决三个关键技术问题：（1）光热权衡分析，即综合考虑采光对光环境和热环境的影响；（2）适用于不同地区，即与当地的气象数据相结合；（3）考虑控制系统特性和使用者行为特点，即采用动态的分析方法。该设计方法考虑因素较多，包括气候特点、建筑空间、采光系统、照明系统、照明控制以及使用者行为特点，要想进行定量的分析，需要借助于计算机模拟的手段。
从20世纪80年代开始，国外学者就开始研究计算机模拟的方法用于建筑环境和能耗分析，并开发了相关的软件。Clarke 等[9,10]开展了相关研究，利用ESP-r+Radiance搭建的平台，将光的模拟特别是室内照度分布计算与热的模拟相结合。DOE-2[11]和Energyplus[12]利用采光系数法，计算不同时刻的采光效果，并假设人工照明正好补充天然采光照度不足的部分，得到照明能耗。Daysim[13,14]则基于Radiance[15]内核，采用Daylight Coefficients的方法，动态计算天然光照度分布，引入了手动控制照明和窗帘的模型，可用于分析单人房间在各种照明控制方式下的室内照度分布和照明能耗情况，计算结果还可进一步导入到EnergyPlus软件中，用于建筑能耗的模拟。
笔者针对我国气候、使用者行为和工程应用的特点，研究并提出了适合于我国工程实践要求的采光照明一体化模拟方法[6,7]。该方法的系统框架如图4所示。
图4 采光照明一体化分析方法[6]
鉴于本文篇幅所限，此处不再赘述，详细内容可参阅本文的参考文献[6][7]。该方法对于指导采光照明一体化的设计与实践具有重要的作用，可用于建筑采光优化设计、照明节能优化设计以及基于建筑总体能耗的节能优化设计等，并在工程实践中得到了应用，取得了良好的效果。
3采光照明一体化应用与实践
采光照明一体化在实际应用中，除设计方法外，还有以下三方面的关键技术：（1）基于中国气候特征的动态采光技术；（2）照明优化设计技术；（3）智能照明控制技术。
3.1 基于中国气候特征的动态采光技术
我国不同地区的气候差异很大，天然光资源也有很大区别，不同地区采光策略应适应其气候特征，选择被动式、主动式或两者结合的采光策略，实现充分利用天然光资源的目的。传统的采光方式以利用天空散射光为主，为了充分利用天然光，综合利用直射日光与散射天空光的采光技术已成为未来的发展趋势。通过利用日光重定向和分光技术，实现对不同时段日光的空间和光谱分布的精准控制，解决传统采光方式带来的光热不平衡以及环境质量与节能之间的矛盾等问题，从而提升建筑光环境品质和综合节能水平。
目前已大量应用的导光管采光技术，实现对直射日光与散射天空光的综合利用，并减少了太阳辐射得热，优化室内光热环境同时实现节能目标。适合于无窗房间和地下空间，以及大进深和传统采光方式难以应用的场所。新型的采光系统则同时考虑了遮阳和采光的需求，采用了光回复反射和定向反射技术，通过特殊设计的微光学结构，可以控制太阳光线的透射及反射，从而满足不同季节遮阳和采光的共同需求[16]（图5）。
图5 新型采光系统[16]
3.2 照明优化设计技术
照明的优化设计，包括合理选择照明设计标准、选择高效的照明产品、灯具布置及分组等。照明设计中，灯具的分组是容易忽视的问题，需要进行定量的分析和比较，特别是灯具的分组要与采光进行结合。
图6是一个案例分析，当采用不同的灯具分组方案时，其对照明能耗的影响是不同的。
当房间内灯具不分组，只有1个开关控制时，其年开灯时数为4088小时，远超过其它方案。当灯具分组合理时（方案3和方案4），照明开灯时数和能耗显著减少。
注：测点上方即为灯具
方案1：房间内所有灯具只有1个开关；方案2：垂直于窗的灯具分组；方案3：平行于窗的灯具分组；方案4：单灯控制
图6 不同灯具分组对开灯时数和照明能耗的影响[7]
3.3 智能照明控制技术
照明控制系统是照明方案的重要内容之一，不合理的控制方式往往会增加照明能耗。实践表明，不能片面扩大自动控制的作用，不合理的控制设置比手动控制的能耗更高。
随着技术的发展，以LED为代表的半导体照明已得到广泛的应用。而LED易于控制的特点，为智能照明的发展奠定了基础。智能照明控制技术的关键在于协调好手动控制与自动控制的关系。耗能的动作建议由手动控制来实现，比如开灯、调高亮度等；而节能的动作建议由自动控制来辅助实现，比如感应光灯、根据采光情况调低或关闭照明、自动开启窗帘等。同时还需要考虑控制系统自身的能耗问题，选择低功耗的系统（包括运行和待机功耗）。
使用者与控制系统之间会相互影响，在节能设计中需要充分考虑使用者对于控制系统的需求，特别是控制系统设计时需要充分考虑使用者的特点，同时也应合理引导主动节能的行为。由于使用者需求的不确定性，意味着照明系统需要有一定的适应性，特别是对于智能照明系统而言，自适应性是重要的性能指标。控制系统的优化不仅仅限于设计阶段，在调试和运行阶段，还可以对实际使用时的光环境和照明能耗情况进行监测，持续对系统进行优化，实现性能不断提升，持续降低能耗的目标。
3.4 实践案例
位于北京的中国建筑科学研究院（CABR）近零能耗节能示范楼是采光照明一体化实践的经典案例（图7）。该办公楼采用不同的技术策略，通过采光照明结合的优化设计、照明优化设计与控制这一系列的持续优化技术措施，实现了持续降低照明能耗的目标，年照明用电量不足同类建筑的25%（图8）。
图7 CABR近零能耗节能示范楼
图8 采光一体化技术措施应用的节能效果
4结语
随着技术的发展，新的采光照明技术不断出现，并逐步在国内得到了广泛应用。未来光环境的设计目标，不是追求某一产品或部件的性能或效能，而是借助于数字化和智能化的手段，通过技术的综合运用，实现整体最佳的性能和节能效果，即提供系统的解决方案。本文提出了采光照明一体化的思路，将采光照明统筹考虑，兼顾了设计环节的特点与实际应用的需求，并对其原则、设计方法和关键应用技术进行了探讨，将有助于解决目前设计与使用环节相脱离、采光与照明未有效结合等问题，对于光环境优化设计及照明节能实践具有重要的参考价值。
参考文献【略】
▌本文是国家“十三五”课题 “新型采光关键技术与高效照明控制系统研发”（批准号：2016YFB0601702）资助项目
▌全文刊载于《照明工程学报》2018年第29卷第3期【专家聚焦】栏目
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