建筑室內(nèi)光照強度的節(jié)能潛力分析

1先進的照明分析方法建筑物的日光照明可以減少對能源的依賴，降低對照明用電能耗的影響。中國現(xiàn)行的公共建筑節(jié)能設計標準是2005年7月1日施行的《公共建筑節(jié)能設計標準》(GB50189-2005),該標準中明確地提出了50%的節(jié)能目標。同時還明確,在50%的節(jié)能目標中,圍護結(jié)構分擔13%～25%,暖通空調(diào)系統(tǒng)分擔16%～20%,照明分擔7%～18%。其中照明系統(tǒng)的節(jié)能設計應符合《建筑照明設計標準》(GB50034-2004)的有關規(guī)定。因此,重視日光照明,是建筑節(jié)能的重要手段之一。日光照明與建筑傳熱得熱是一對矛盾體,增大日光照明有助于減少電力照明的能耗,減少照明得熱,但也會增大太陽輻射得熱,增大通過玻璃窗的導熱傳熱。英國劍橋大學馬丁建筑與城市研究中心開發(fā)的LT(傳熱與照明)方法,揭示了建筑窗墻比對供熱、空調(diào)及照明能耗的影響關系。圖1為用LT方法對北京地區(qū)某建筑進行的全年能耗預測曲線圖。從圖1中可以看出,隨著窗戶面積的增大,照明能耗會下降,但空調(diào)能耗會上升。目前在日光照明設計中,預測室內(nèi)照度的研究越來越受到廣泛重視,普遍使用的方法有采光系數(shù)法(daylightfactor),平均采光系數(shù)法等,這是基于全云狀況的照度計算方法,這種方法忽略了太陽直射光對室內(nèi)照度的貢獻。太陽直射光不能直接用來照明,但通過反射作用,可以轉(zhuǎn)換成有用的散射光。筆者對Tregenza平均照度模型加以修正并開發(fā)了考慮太陽直射及臨街建筑反射輻射等因素的室內(nèi)有用照度動態(tài)計算法,該方法結(jié)合每小時太陽輻射值及光熱轉(zhuǎn)換率,預測側(cè)窗房間的照明節(jié)能潛力,它有如下特點:1)可以不使用朝向系數(shù),直接計算由建筑朝向確定的側(cè)窗房間的平均日光照度;2)考慮了對面建筑障礙物及地面對太陽的反射作用;3)考慮了建筑遮陽設施對太陽輻射的反射作用。2trageza模型該方法是以Tragenza的模型為基礎的,它考慮了到達外窗表面的照度的3個組成部分:Ews直接來自天空和太陽的直接照度;Ewg來自地面反射光的照度;Ewo來自對面建筑的反射照度。圖2為工作臺通過玻璃窗接受的照度示意圖。對于每一種照度來源,Tragenza經(jīng)過實驗研究,獲得了天花板、墻壁(垂直表面)和工作臺房間區(qū)域內(nèi)表面的光傳遞系數(shù)(見表1)。房間的最終平均照度Ep由如下公式計算:Ep=Epi+Er?Ep=Epi+Er?式中,Epi為來自天空和臨街建筑的直射及反射照度;Er為來自房間表面的內(nèi)部反射照度。Er=EciAcRc+EviAvRv+EpiApRpA(1-R)?Er=EciAcRc+EviAvRv+EpiApRpA(1?R)?其中Eci=Aw(EwsΤsc+EwoΤoc+EwgΤgc)Ac,Evi=Aw(EwsΤsv+EwoΤov+EwgΤgv)Av,Epi=Aw(EwsΤsp+EwoΤop+EwgΤgp)Ap。詳細的計算方法可參見參考文獻。該方法的核心在于確定窗及遮陽系統(tǒng)光傳遞系數(shù),因為他們直接影響不同遮陽設施,地面和外部障礙物反射情況下,對太陽直射光的利用。針對5種常用遮陽設施,即水平遮陽板、淺色通風水平百葉簾、淺色外部垂直百葉簾、折光遮陽架和半透明窗簾,Tragenza由實驗研究獲得它們相應的光傳遞系數(shù),實驗條件均以該建筑與周圍建筑的城市高度角(UrbanHorizonAngle參見文獻)呈30°為基礎。當無遮陽設施時,直射在工作面上的太陽光線過強是不能直接用作照明的,Tragenza模型中并沒有忽略這部分直射光線,筆者對此進行了適當修正,忽略工作面上接受的太陽直射光線。并以修正后的Tragenza方法為基礎,根據(jù)太陽高度角和方位角等建筑與太陽的位置關系,用VisualBasic語言編寫了室內(nèi)照度動態(tài)計算機程序。由Tragenza實驗研究獲得的5種常用遮陽設施類型的系列光傳遞系數(shù)雖有一定的粗略性,但作為日光照度估算及日光照明節(jié)能潛力預測,能夠滿足工程精度需要。3計算方法的應用3.1建筑高度及地面光反射系數(shù)日光照明室內(nèi)照度動態(tài)計算方法所需輸入的原始數(shù)據(jù)為:建筑所在地的逐時太陽輻射數(shù)據(jù);建筑方位及窗戶朝向;房間長、寬、高尺寸;窗戶玻璃面積;遮陽設施類型;臨街建筑高度及街道寬度;臨街建筑及地面光反射系數(shù);室內(nèi)表面(天花板,工作臺及內(nèi)墻)的平均光反射系數(shù);室內(nèi)照明控制方法:開關法/自動感光調(diào)節(jié)法3.2建筑反射系數(shù)以北京地區(qū)為例,計算室內(nèi)全年動態(tài)照度。房間基本信息如下:房間長8m,寬6m,高3.2m,南北朝向,為了比較朝向的影響,窗戶面積為5.5m2,街道寬為15m,城市高度角為30°,地面反射系數(shù)為0.2,臨街建筑表面反射系數(shù)為0.4,天花板反射系數(shù)為0.7,內(nèi)墻反射系數(shù)為0.5,工作臺反射系數(shù)為0.1。全年逐小時太陽輻射值由Meteonorm氣象數(shù)據(jù)計算軟件提供。1原始數(shù)據(jù)輸入值圖3為冬季某晴日各朝向逐時太陽輻射及室內(nèi)照度。太陽輻射值分別為水平面散射輻射值及直射輻射,該兩項值為計算程序的原始數(shù)據(jù)輸入值,該計算由Metenorm氣象數(shù)據(jù)軟件庫中獲得。從圖3中可以看出,冬季晴天情況下,南窗在中午時刻可以獲得照度600lux,北窗可獲得的最大照度為200lux,東西窗分別在上午和下午獲得不同大小的照度。照度大小隨朝向及時間不同,其值分布不同。2設施南戶籍系統(tǒng)不同的遮陽設施,對室內(nèi)照度有不同的影響。圖4為夏季某晴日不同遮陽設施南向窗戶系統(tǒng)的室內(nèi)照度逐時分布值。從圖4中可以看出,折光遮陽架有較好的折光作用,尤其在夏季可以遮擋太陽輻射以減少太陽輻射得熱,同時使之直射光折射到天花板,再反射到工作臺面,進而增加室內(nèi)照度。3面折射反射后的室內(nèi)光度筆者所介紹的室內(nèi)照度動態(tài)計算模型的特點在于充分考慮太陽直射輻射經(jīng)其他表面折射反射后對室內(nèi)照度的貢獻,克服了傳統(tǒng)的采光系數(shù)法中用標準全云天為基準,而忽略直射光被間接利用后的作用。圖5為7月某有水平遮陽板建筑全云天和晴天室內(nèi)照度比較。從圖中看出,晴天室內(nèi)照度明顯大于全云天室內(nèi)照度。4基于光照控制系統(tǒng)的照明能力分析定義日光照明潛力為滿足室內(nèi)照明的日光照明小時數(shù)與工作小時數(shù)之比。照明節(jié)能潛力與室內(nèi)要求的照度及照明管理控制手段有關。研究表明感光控制系統(tǒng)比人工開關手控更有效。圖6為當室內(nèi)照度要求大于300lux時的全年日光照明潛力?？梢钥闯?照明潛力最大的是淺色外垂直百葉簾,其次是折光遮陽架,而其余3種照明潛力較差。4日光照度計算模型介紹了基于修正的Tragenza平均照度模型的室內(nèi)照度動態(tài)計算方法。該方法可以用來計算不同遮陽設施類型的窗戶系統(tǒng)室內(nèi)逐小時有用日光照度,進而為建筑規(guī)劃設計階段提供照明節(jié)能潛力的預測。該方法充分考慮太陽直射輻射經(jīng)其他表面折射反射后對室內(nèi)有用照度的貢獻,克服了傳統(tǒng)的采光系數(shù)法中以標準全云天為基準,而忽略直射光被間接利用的不足,使計算更為精確合理。該模型編入計算機程序,