探討綠色節能視域下大型公共建築智能照明設計研究

hth下载地址 陳聰

【摘要】：大型公共建築的照明係統通常是根據用戶需求來設計的，其容易忽略日光以及季節變化對照明需求的影響，導致照明能耗過高。因此，本研究旨在綠色節能視角下對大型公共建築的智能照明係統進行改進。首先，分析天花板和工作麵之間的日光照度映射關(guan) 係，建立一個(ge) 日光估計模型。通過進行訓練和操作兩(liang) 個(ge) 階段，得出建築日光分布的估計值。接下來，結合實時的自然光照條件，選擇合適的照明模式。*後，以*央控製器為(wei) 核心，構建一個(ge) 智能照明控製框架。這個(ge) 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果，並完成*終的智能照明設計。經過實驗驗證，本次設計的智能照明方案日均照明能耗僅(jin) 為(wei) 5.4kw·h，完*滿足了綠色節能的要求。

【關(guan) 鍵字】：綠色節能；公共建築；日光估計；動態控製；智能照明

0引言

綠色節能是指在滿足人們(men) 需求的前提下，通過合理利用資源和能源，減少對環境的負麵影響，實現可持續發展[1]。在建築領域，尤其大型公共建築中，智能照明設計實現了綠色節能目標，利用現代化的技術手段[2]，對建築照明的智能化控製，提高照明質量和能效。近年來，學者們(men) 致力於(yu) 研究節能的照明策略。廖祈泉等[3]提出了基於(yu) 向日追蹤的智慧照明係統，該係統通過智能追蹤係統觀察日光強度，並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點，自動開啟照明設備，以減少能源浪費。但該係統主要依賴太陽光，在陰雨天或日照不足的情況下效果受限。許馨尹等[4]從(cong) 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(yu) 室內(nei) 照明需求，決(jue) 定是否打開照明設備。此方法計算過程複雜，實時性較差。梁波等[5]提出一種照明動態控製策略，通過實驗觀察照明區域能見度變化規律，構建基於(yu) 模糊徑向基神經網絡的智能照明體(ti) 係。該方法需實時采集和處理大量環境數據，若數據不準確或處理不及時，可能導致控製策略失誤，增加能耗。

本文在此基礎上，基於(yu) 綠色節能理念，考慮日光估計進行大型公共建築智能照明設計，為(wei) 相關(guan) 領域提供新的思路和方法。希望通過合理的智能照明設計，提高建築的能效和舒適度，減少能源消耗和運營成本，為(wei) 環保事業(ye) 作出貢獻。

1綠色節能視域下針對大型公共建築設計智能照明方法

1.1設計日光分布估計算法

在大型公共建築智能照明設計過程中，為(wei) 滿足綠色節能要求，充分考慮日光對建築室內(nei) 光環境質量的影響，在不影響室內(nei) 理想光環境的基礎上，動態調整燈具照明亮度[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(yu) 工作麵照度之間的映射關(guan) 係。

在獲取日光分布估計值時，天花板日光照度貢獻值和工作麵日光照度貢獻值之間，存在比例關(guan) 係[7]。基於(yu) 這一特點，定義(yi) 式（1）的映射函數，為(wei) 核心構建一個(ge) 自然光估計器，辨識日光分布情況。

式中，k為(wei) 時刻，d為(wei) 工作麵照度貢獻值，η為(wei) 天花板日光照度貢獻值，f為(wei) 自然光估計器，B為(wei) 待辨識參數。

實際日光分布估計過程中，引入*小二乘算法，將待辨識參數推理過程，描述為(wei) *優(you) 解計算問題。以*小化誤差平方值為(wei) 目標進行*小二乘不斷搜索，從(cong) 眾(zhong) 多匹配的待辨識參數函數中篩選出*佳數據，式為(wei) ：

式中，T為(wei) 轉置矩陣。大型公共建築日光分布估計的具體(ti) 操作。在訓練分析環節，通過天花板、工作麵上的傳(chuan) 感器設備，采集日光映射強度數據，將其作為(wei) 日光估計訓練所需的數據，構建日光估計模型[8]。

1.2選取建築照明設備的能耗模式

根據日光分布估計結果選取照明設備能耗模式時[9]，需要先分析大型公共建築典型照明能耗特點，構建一個(ge) 照明設備能耗模型。結合每個(ge) 傳(chuan) 感器采集的光照信息，在大型公共建築智能照明控製終端進行統一計算，*終匹配出一個(ge) *佳室內(nei) 智能照明模式。依托式（3）進行計算，獲取照明裝置具體(ti) 網絡地址。

式中，V為(wei) 照明裝置網絡地址，M為(wei) 大型公共建築內(nei) 照明裝置總數量，ϖ為(wei) 智能照明通信網絡控製範圍，E為(wei) 室內(nei) 照明區域總麵積。在得到所有裝置對應的網絡地址後，通過式（4）完成不同裝置兩(liang) 兩(liang) 之間間隔距離的推算。

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

式中，C為(wei) 光照條件參數，L為(wei) 條件參數。在通信網絡的輔助下，將上述計算的光照條件參數傳(chuan) 達給控製*心，為(wei) 綠色節能視域下大型公共建築智能照明設計提供基礎數據，與(yu) 日光分布估計結果表現出的當前建築自然光照條件相結合，判斷智慧照明匹配的*佳照明方案。

式中，1、2、3、4分別為(wei) 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，大型公共建築內(nei) 部映射的自然光，就可以滿足室內(nei) 正常照明需求，不需要再打開照明裝置，從(cong) 根本上達到節省電能的效果。而在日光不充足的時刻，則需要對室內(nei) 光線進行補充!1,根據實時亮度變化調整為(wei) 低、中、高亮度照明模式,滿足大型建築照明要求。

1.3實現室內(nei) 空間智能照明控製

將光源的空間照度表示為(wei) 矩陣，考慮太陽光和工作區位置、燈具與(yu) 工作麵的距離，建立光通函數矩陣。在智能照明控製中考慮人工光源的照度影響，判斷是否執行選定模式。明確照明模式後，為(wei) 滿足智能化要求，在照明控製終端附近建立建築能源管理係統服務器，導人照明能耗模式，自動轉為(wei) 控製命令，以調整大型建築室內(nei) 燈具的亮度，解決(jue) 自適應智能照明問題。

以天花板上安裝數個(ge) 照明燈具的室內(nei) 環境為(wei) 例，在該室內(nei) 工作區台麵上需要布置無線智能設備，利用無線廣播的形式向控製器發送期望照度值，以便求出更加符合實際要求的調光係數。假設每個(ge) 大型公共建築室內(nei) 燈具的光線調整都是線性調光模式，考慮其本身的物理限製，定義(yi) 燈具開度範圍為(wei) 10，11。這種環境下，燈具功耗同調光水平二者之間表現出正比例變化關(guan) 係，也就是說，可以將智能照明控製中所有照明裝置的總功耗，看作燈具調光係數向量和其他設備功耗之和，其表達式為(wei) :

式中，J為(wei) 燈具總功耗，S為(wei) 智能照明控製係統開銷功耗，u為(wei) 燈具調光係數向量，p為(wei) 區域內(nei) 燈具數量，i為(wei) 燈具編號，"表示單個(ge) 燈具功耗。依靠智能照明控製係統，在考慮日光光照強度的情況下完成大型公共建築智能照明設計，確保建築照明滿足綠色節能要求。

2試驗

2.1試驗環境

為(wei) 評估大型公共建築智能照明設計方法的效果，選擇沈陽市某高層大廈作為(wei) 應用對象。該大廈位於(yu) 沈河區青年大街，建築麵積33000m²，共22層，每層1500m²。該建築集商務辦公、文化展示和國際商業(ye) 於(yu) 一體(ti) ，是沈陽的*名商務*心。針對大廈目前照明設施進行調查可知，其內(nei) 部存在格柵熒光燈、節能筒燈、吸頂燈、藝術吊燈、白熾燈等多種照明燈具，根據不同場合的照明需求安裝不同燈具。建築內(nei) 每一類照明設備的具體(ti) 數量和功率，如表1所示。從(cong) 表1看出，該建築內(nei) 應用*為(wei) 廣泛的還是格柵熒光燈、節能筒燈兩(liang) 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(nei) 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，在所提方法之後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(ti) 現所提方法*越性。

2.2智能照明結果

由於(yu) 新方法在對室內(nei) 燈具亮度進行智能調節時考慮日光帶來的影響，在建築智能照明設計過程中，先獲取不同時刻每個(ge) 燈具所在工作區的室外日光分布估計值，得到圖2統計結果。

根據圖2可知，由於(yu) 工作區11、12、13、14均處於(yu) 靠近窗子的位置，其受到日光影響更大，這些工作區的照度明顯高於(yu) 其他工作區。同時，隨著時間變化工作區內(nei) 照度也會(hui) 出現明顯改變，14:00左右屬於(yu) 一天中日光*強烈的時刻，該時段建築室內(nei) 工作區照度也相對更高。在上述環境中，設計所有工作區用戶的期望照度為(wei) 300lux。當自然光滿足該照度，則不需開燈；反之需調整燈具亮度。實施智能照明設計後，將實際照度與(yu) 期望照度繪製成圖3。

圖3看出，建築內(nei) 燈具智能照明調節後，各工作區產(chan) 生的實際照度值均保持在300lux，與(yu) 期望照度一致，證明綠色節能視域下新型智能照明設計方法是可行的。

2.3智能照明設計節能分析

在新研究智能照明設計方法實施一周後，在相同樓層應用另外兩(liang) 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，統計不同方法應用後每日室內(nei) 照明消耗電能變化情況，生成圖4所示的對比結果。

從(cong) 圖4看出，新研究智能照明設計方法應用後，日均照明消耗電能為(wei) 5.4kw·h，而另外兩(liang) 種方法的照明消耗電能日均值為(wei) 13.7、14.8kW·h。整體(ti) 看在大型公共建築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，根據實時環境調整照明參數，實現能源的準確控製。

3hth下载地址智能照明控製係統

3.1概述

ALIBUS智能照明產(chan) 品采用RS485總線技術，技術成熟可靠，安全穩定。開關(guan) 驅動器具備獨立工作的能力，適用於(yu) 一些中小型的項目；模塊化設計，可以任意拚接擴展，同時預留I/O口以及Modbus接口，還可以滿足與(yu) AcrelEMS企業(ye) 微電網管理雲(yun) 平台進行數據交換。

3.2應用場所

適合於(yu) 各類智能小區、醫院、學校、酒店，以及體(ti) 育場所、機場、隧道、車站等大型公建項目的照明控製需求。

3.3係統結構

3.4係統功能

1）實時檢測並顯示各個(ge) 模塊的在線狀態，反饋現場受控回路的開關(guan) 狀態，監控界麵按照樓層各分區的布局和回路列表來瀏覽。

2）當發生模塊離線、網關(guan) 設備掉線或者狀態反饋和下發控製命令不一致時會(hui) 發生故障報警，並將故障報警信息記錄並顯示在界麵中。

3）可以對單個(ge) 照明回路實現開關(guan) 控製；每個(ge) 模塊、樓層都有相應的模塊控製開關(guan) 和樓層控製開關(guan) ，也可以一個(ge) 模塊或者整個(ge) 樓層實現開關(guan) 控製。

4）開關(guan) 驅動器支持過零觸發功能，負載（燈具）的分合操作僅(jin) 在交流電過零時進行；可有效減少電磁幹擾以及對電網的衝(chong) 擊，延長燈具與(yu) 控製裝置的壽命。

5）對每個(ge) 照明回路可以預設掉電狀態，當照明電源掉電時，開關(guan) 驅動器會(hui) 自動切換到預設的掉電狀態；確保重新上電時燈具的開關(guan) 狀態是確定與(yu) 可控的。

6）拖動調光控件，照明設備從(cong) 0%到100%進行調光，可以對單個(ge) 照明回路實現調光控製，調光總控可以對一個(ge) 模塊的照明回路實現調光控製，也可以對多個(ge) 照明回路實現調光控製，通過圖標的亮滅狀態反饋現場開關(guan) 的狀態。

7）點擊場景控件，打開或者關(guan) 閉對應場景設置，軟件界麵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是打開還是關(guan) 閉。

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

9）係統可以通過預設的當地經緯度信息，自動計算每天的日升日落時間；根據天文時鍾控製照明開關(guan) ，實現日落開燈、日出關(guan) 燈的功能。

10）所有定時控製計劃均可下發保存至驅動模塊；當上位機係統故障或模塊離線時，驅動模塊可以利用自帶的RTC時鍾維持定時控製計劃的正常執行，不影響日常的照明控製效果。

11）係統結構是分布式總線結構；係統內(nei) 各元件不依賴於(yu) 其他元件而能夠獨立工作；係統內(nei) 各元件可以通過程序的設定實現功能的多樣性。

12）預留BA或*三方集成平台接口，采用modbus、opc等方式。

3.5設備選型

4結束語

在綠色節能視域下，大型公共建築的智能照明設計研究至關(guan) 重要。通過智能化的控製和管理，能夠實現照明的有效利用，減少能源的浪費。本次充分考慮日光以及季節變化對照明需求，完成大型公共建築智能照明設計，得出結論如下：

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

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