探讨绿色节能视域下大型公共建筑智能照明设计研究
2024-09-03 11:01:32 来源：acrel2024
【摘要】：大型公共建筑的照明系统通常是根据用户需求来设计的，其容易忽略日光以及季节变化对照明需求的影响，导致照明能耗过高。因此，本研究旨在绿色节能视角下对大型公共建筑的智能照明系统进行改进。首先，分析天花板和工作面之间的日光照度映射关系，建立一个日光估计模型。通过进行训练和操作两个阶段，得出建筑日光分布的估计值。接下来，结合实时的自然光照条件，选择合适的照明模式。*后，以中央控制器为核心，构建一个智能照明控制框架。这个框架可以处理用户期望的照度以及当前照明模式的反馈结果，并完成*终的智能照明设计。经过实验验证，本次设计的智能照明方案日均照明能耗仅为5.4kw·h，完全满足了绿色节能的要求。
【关键字】：绿色节能；公共建筑；日光估计；动态控制；智能照明
0引言
绿色节能是指在满足人们需求的前提下，通过合理利用资源和能源，减少对环境的负面影响，实现可持续发展[1]。在建筑领域，尤其大型公共建筑中，智能照明设计实现了绿色节能目标，利用先进的技术手段[2]，对建筑照明的智能化控制，提高照明质量和能效。近年来，学者们致力于研究节能的照明策略。廖祈泉等[3]提出了基于向日追踪的智慧照明系统，该系统通过智能追踪系统观察日光强度，并计算是否满足照明需求。在太阳能利用效率低、照明需求大的时间节点，自动开启照明设备，以减少能源浪费。但该系统主要依赖太阳光，在阴雨天或日照不足的情况下效果受限。许馨尹等[4]从日光强度和用户需求入手，通过对比正常条件下的日光估计值与室内照明需求，决定是否打开照明设备。此方法计算过程复杂，实时性较差。梁波等[5]提出一种照明动态控制策略，通过实验观察照明区域能见度变化规律，构建基于模糊径向基神经网络的智能照明体系。该方法需实时采集和处理大量环境数据，若数据不准确或处理不及时，可能导致控制策略失误，增加能耗。
本文在此基础上，基于绿色节能理念，考虑日光估计进行大型公共建筑智能照明设计，为相关领域提供新的思路和方法。希望通过合理的智能照明设计，提高建筑的能效和舒适度，减少能源消耗和运营成本，为环保事业作出贡献。
1绿色节能视域下针对大型公共建筑设计智能照明方法
1.1设计日光分布估计算法
在大型公共建筑智能照明设计过程中，为满足绿色节能要求，充分考虑日光对建筑室内光环境质量的影响，在不影响室内理想光环境的基础上，动态调整灯具照明亮度[6]。因此，智慧照明的初始阶段进行日光分布估计，深入分析天花板与工作面照度之间的映射关系。
在获取日光分布估计值时，天花板日光照度贡献值和工作面日光照度贡献值之间，存在比例关系[7]。基于这一特点，定义式（1）的映射函数，为核心构建一个自然光估计器，辨识日光分布情况。
式中，k为时刻，d为工作面照度贡献值，η为天花板日光照度贡献值，f为自然光估计器，B为待辨识参数。
实际日光分布估计过程中，引入*小二乘算法，将待辨识参数推理过程，描述为*优解计算问题。以*小化误差平方值为目标进行*小二乘不断搜索，从众多匹配的待辨识参数函数中筛选出*佳数据，式为：
式中，T为转置矩阵。大型公共建筑日光分布估计的具体操作。在训练分析环节，通过天花板、工作面上的传感器设备，采集日光映射强度数据，将其作为日光估计训练所需的数据，构建日光估计模型[8]。
1.2选取建筑照明设备的能耗模式
根据日光分布估计结果选取照明设备能耗模式时[9]，需要先分析大型公共建筑典型照明能耗特点，构建一个照明设备能耗模型。结合每个传感器采集的光照信息，在大型公共建筑智能照明控制终端进行统一计算，*终匹配出一个*佳室内智能照明模式。依托式（3）进行计算，获取照明装置具体网络地址。
式中，V为照明装置网络地址，M为大型公共建筑内照明装置总数量，为智能照明通信网络控制范围，E为室内照明区域总面积。在得到所有装置对应的网络地址后，通过式（4）完成不同装置两两之间间隔距离的推算。
公式中，D为照明装置之间距离。随后，利用式（5）展开计算，获取单个照明装置在考虑日光光照的情况下所需的光照条件参数。
式中，C为光照条件参数，L为条件参数。在通信网络的辅助下，将上述计算的光照条件参数传达给控制中心，为绿色节能视域下大型公共建筑智能照明设计提供基础数据，与日光分布估计结果表现出的当前建筑自然光照条件相结合，判断智慧照明匹配的*佳照明方案。
式中，1、2、3、4分别为不打开照明装置、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，在日光较强的时段，大型公共建筑内部映射的自然光，就可以满足室内正常照明需求，不需要再打开照明装置，从根本上达到节省电能的效果。而在日光不充足的时刻，则需要对室内光线进行补充!1,根据实时亮度变化调整为低、中、高亮度照明模式,满足大型建筑照明要求。
1.3实现室内空间智能照明控制
将光源的空间照度表示为矩阵，考虑太阳光和工作区位置、灯具与工作面的距离，建立光通函数矩阵。在智能照明控制中考虑人工光源的照度影响，判断是否执行选定模式。明确照明模式后，为满足智能化要求，在照明控制终端附近建立建筑能源管理系统服务器，导人照明能耗模式，自动转为控制命令，以调整大型建筑室内灯具的亮度，解决自适应智能照明问题。
以天花板上安装数个照明灯具的室内环境为例，在该室内工作区台面上需要布置无线智能设备，利用无线广播的形式向控制器发送期望照度值，以便求出更加符合实际要求的调光系数。假设每个大型公共建筑室内灯具的光线调整都是线性调光模式，考虑其本身的物理限制，定义灯具开度范围为10，11。这种环境下，灯具功耗同调光水平二者之间表现出正比例变化关系，也就是说，可以将智能照明控制中所有照明装置的总功耗，看作灯具调光系数向量和其他设备功耗之和，其表达式为:
式中，J为灯具总功耗，S为智能照明控制系统开销功耗，u为灯具调光系数向量，p为区域内灯具数量，i为灯具编号，"表示单个灯具功耗。依靠智能照明控制系统，在考虑日光光照强度的情况下完成大型公共建筑智能照明设计，确保建筑照明满足绿色节能要求。
2试验
2.1试验环境
为评估大型公共建筑智能照明设计方法的效果，选择沈阳市某高层大厦作为应用对象。该大厦位于沈河区青年大街，建筑面积33000m，共22层，每层1500m。该建筑集商务办公、文化展示和国际商业于一体，是沈阳的知 名商务中心。针对大厦目前照明设施进行调查可知，其内部存在格栅荧光灯、节能筒灯、吸顶灯、艺术吊灯、白炽灯等多种照明灯具，根据不同场合的照明需求安装不同灯具。建筑内每一类照明设备的具体数量和功率，如表1所示。从表1看出，该建筑内应用*为广泛的还是格栅荧光灯、节能筒灯两种照明灯具。选择其中一层全覆盖格栅荧光灯的办公室，进行智能照明设计测试，该层内灯具布置情况
如图1所示。
除了新研究出的智能照明设计方法外，本次实验还应用了文献[3]和文献[4]给出方法，在所提方法之后对同一楼层进行智能照明设计。对比三种方法实施效果，以便直观体现所提方法优越性。
2.2智能照明结果
由于新方法在对室内灯具亮度进行智能调节时考虑日光带来的影响，在建筑智能照明设计过程中，先获取不同时刻每个灯具所在工作区的室外日光分布估计值，得到图2统计结果。
根据图2可知，由于工作区11、12、13、14均处于靠近窗子的位置，其受到日光影响更大，这些工作区的照度明显高于其他工作区。同时，随着时间变化工作区内照度也会出现大大改变，14:00左右属于一天中日光*强烈的时刻，该时段建筑室内工作区照度也相对更高。在上述环境中，设计所有工作区用户的期望照度为300lux。当自然光满足该照度，则不需开灯；反之需调整灯具亮度。实施智能照明设计后，将实际照度与期望照度绘制成图3。
图3看出，建筑内灯具智能照明调节后，各工作区产生的实际照度值均保持在300lux，与期望照度一致，证明绿色节能视域下新型智能照明设计方法是可行的。
2.3智能照明设计节能分析
在新研究智能照明设计方法实施一周后，在相同楼层应用另外两种文献提出方法重新进行智能照明设计，每种设计方案的实验周期也是一周，统计不同方法应用后每日室内照明消耗电能变化情况，生成图4所示的对比结果。
从图4看出，新研究智能照明设计方法应用后，日均照明消耗电能为5.4kw·h，而另外两种方法的照明消耗电能日均值为13.7、14.8kW·h。整体看在大型公共建筑日常照明中加入新研究方法，使日均照明消耗电能减少60.58%、63.51%。有高度的智能化特点，根据实时环境调整照明参数，实现能源的精准控制。
3安科瑞智能照明控制系统
3.1概述
ALIBUS智能照明产品采用RS485总线技术，技术成熟可靠，安全稳定。开关驱动器具备独立工作的能力，适用于一些中小型的项目；模块化设计，可以任意拼接扩展，同时预留I/O口以及Modbus接口，还可以满足与AcrelEMS企业微电网管理云平台进行数据交换。
3.2应用场所
适合于各类智能小区、医院、学校、酒店，以及体育场所、机场、隧道、车站等大型公建项目的照明控制需求。
3.3系统结构
3.4系统功能
1）实时检测并显示各个模块的在线状态，反馈现场受控回路的开关状态，监控界面按照楼层各分区的布局和回路列表来浏览。
2）当发生模块离线、网关设备掉线或者状态反馈和下发控制命令不一致时会发生故障报警，并将故障报警信息记录并显示在界面中。
3）可以对单个照明回路实现开关控制；每个模块、楼层都有相应的模块控制开关和楼层控制开关，也可以一个模块或者整个楼层实现开关控制。
4）开关驱动器支持过零触发功能，负载（灯具）的分合操作仅在交流电过零时进行；可有效减少电磁干扰以及对电网的冲击，延长灯具与控制装置的寿命。
5）对每个照明回路可以预设掉电状态，当照明电源掉电时，开关驱动器会自动切换到预设的掉电状态；确保重新上电时灯具的开关状态是确定与可控的。
6）拖动调光控件，照明设备从0%到100%进行调光，可以对单个照明回路实现调光控制，调光总控可以对一个模块的照明回路实现调光控制，也可以对多个照明回路实现调光控制，通过图标的亮灭状态反馈现场开关的状态。
7）点击场景控件，打开或者关闭对应场景设置，软件界面上显示不同的场景模式和场景功能，通过图标的亮灭显示对应的场景状态是打开还是关闭。
8）设置定时时间，确认时间点后，对该事件点执行的动作进行设置，设置灯在设定的时间点亮或者灭。
9）系统可以通过预设的当地经纬度信息，自动计算每天的日升日落时间；根据天文时钟控制照明开关，实现日落开灯、日出关灯的功能。
10）所有定时控制计划均可下发保存至驱动模块；当上位机系统故障或模块离线时，驱动模块可以利用自带的RTC时钟维持定时控制计划的正常执行，不影响日常的照明控制效果。
11）系统结构是分布式总线结构；系统内各元件不依赖于其他元件而能够独立工作；系统内各元件可以通过程序的设定实现功能的多样性。
12）预留BA或第三方集成平台接口，采用modbus、opc等方式。
3.5设备选型
4结束语
在绿色节能视域下，大型公共建筑的智能照明设计研究至关重要。通过智能化的控制和管理，能够实现照明的高效利用，减少能源的浪费。本次充分考虑日光以及季节变化对照明需求，完成大型公共建筑智能照明设计，得出结论如下：
（1）应用所提技术，各工作区产生的实际照度值均保持在300lux，与期望照度一致；（2）所提智能照明设计应用后，日均照明消耗电能为5.4kw·h，可大大减少能源浪费。
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公式中，D为照明装置之间距离。随后，利用式（5）展开计算，获取单个照明装置在考虑日光光照的情况下所需的光照条件参数。
式中，C为光照条件参数，L为条件参数。在通信网络的辅助下，将上述计算的光照条件参数传达给控制中心，为绿色节能视域下大型公共建筑智能照明设计提供基础数据，与日光分布估计结果表现出的当前建筑自然光照条件相结合，判断智慧照明匹配的*佳照明方案。
式中，1、2、3、4分别为不打开照明装置、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，在日光较强的时段，大型公共建筑内部映射的自然光，就可以满足室内正常照明需求，不需要再打开照明装置，从根本上达到节省电能的效果。而在日光不充足的时刻，则需要对室内光线进行补充!1,根据实时亮度变化调整为低、中、高亮度照明模式,满足大型建筑照明要求。
图3看出，建筑内灯具智能照明调节后，各工作区产生的实际照度值均保持在300lux，与期望照度一致，证明绿色节能视域下新型智能照明设计方法是可行的。
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