羅濤

(中國建筑科學(xué)研究院有限公司)

摘要：建筑光學(xué)在傳統(tǒng)上分為天然采光和人工照明兩大部分，兩者有著各自的評價指標(biāo)和方法，但在實際應(yīng)用中往往脫節(jié)，出現(xiàn)了很多不合理的設(shè)計。采光照明一體化是實現(xiàn)采光和照明有機(jī)結(jié)合的最終目標(biāo)，本文探討了采光照明一體化的原則、設(shè)計方法以及關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)，對光環(huán)境優(yōu)化設(shè)計及照明節(jié)能具有重要的參考價值。

關(guān)鍵詞：光環(huán)境；節(jié)能；非視覺效應(yīng)；智能控制引言

研究表明，良好的光環(huán)境可提升環(huán)境滿意度，對健康和工作效率具有重要的影響[1]。天然采光不僅可以顯著提升公共建筑的光環(huán)境，同時對于其照明節(jié)能甚至建筑整體節(jié)能具有至關(guān)重要的影響。Heschong等[2]的研究發(fā)現(xiàn)，采光充足的教室區(qū)域的學(xué)生成績提高了7%^18%；天然采光與人工照明有機(jī)結(jié)合，可降低公共建筑的照明能耗20%^60%，減少建筑整體能耗10%^16%[3,4]。

然而，由于傳統(tǒng)應(yīng)用中通常將天然采光和人工照明分別放在兩個不同的設(shè)計階段，兩者建立了各自的評價指標(biāo)和方法，在設(shè)計過程中分別由建筑師和電氣工程師負(fù)責(zé)，這樣的分工使得采光與照明設(shè)計完全分離，光環(huán)境僅滿足于符合相應(yīng)的采光和照明標(biāo)準(zhǔn)，缺乏精細(xì)化設(shè)計，忽略了使用者的需求和實際運行的特點。比如很多新建的寫字樓，采用了大面積的玻璃幕墻，但由于過量的太陽輻射帶來的眩光和室內(nèi)過熱等問題，實際應(yīng)用中往往大白天是拉下窗簾，室內(nèi)長時間開燈；又比如有些照明設(shè)計未考慮天然采光的狀況和實際使用要求，照明分區(qū)不合理，照明控制過于集中或設(shè)置不合理，只能全開或全關(guān)，即使臨近窗的區(qū)域采光良好或只有少數(shù)人在室內(nèi)時，也只能全部開燈。這不僅與設(shè)計的初衷相矛盾，也不利于室內(nèi)環(huán)境，同時還增加了建筑能耗[5]。

為了克服傳統(tǒng)設(shè)計方法帶來的弊端，解決上述不合理的問題，采光與照明需要在設(shè)計階段統(tǒng)一考慮，并進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，也就是實現(xiàn)采光照明一體化，將采光照明的各種單個的技術(shù)(部件)整合成系統(tǒng)的解決方案。本文結(jié)合目前正在進(jìn)行的國際合作項目《采光照明一體化解決方案研究》，對適應(yīng)于我國的采光照明一體化的原則、設(shè)計方法以及關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了探討，從而可為光環(huán)境優(yōu)化設(shè)計提供重要的參考。

1 IEA-SHC Task 61 / EBC Annex 77項目

該項目是國際能源署太陽能供熱制冷實施協(xié)議(IEASHC)的研究任務(wù)，項目名稱為“采光與照明的綜合解決方案(Integrated Solutions for daylight and electric lighting)”。該項目的研究對象是非居住建筑，總體目標(biāo)是提升使用者滿意度并降低能源消耗，通過研究采光與照明設(shè)計及應(yīng)用過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出建筑采光與照明的綜合解決方案。

該項目的實施時間為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日在瑞典隆德大學(xué)召開了啟動會(圖1)。項目負(fù)責(zé)人是德國Fraunhofer建筑物理研究所的Jan de Boer博士，參與國家包括德國、奧地利、丹麥、挪威、中國、美國、比利時、芬蘭、瑞典、瑞士、意大利、斯洛伐克、日本、新加坡和巴西等。筆者有幸作為中國代表參與該項目研究工作。

圖1 IEA-SHC Task 61項目啟動會專家合影

該項目分為使用者的照明需求(SubTask A)、采光與照明的優(yōu)化設(shè)計(SubTask B)、方法工具(SubTask C)和案例研究(SubTask D)四個子任務(wù)，以及1個聯(lián)合工作組。其中，SubTask A的主要任務(wù)是研究使用者的照明需求，包括：(1)視覺舒適性方面的因素：眩光、頻閃和對比等；(2)非視覺效應(yīng)方面的因素：光譜特性、輻照水平、照射時間和持續(xù)時間等；(3)心理方面的因素：視野、私密性和室內(nèi)空間感受等，研究中還需要考慮不同年齡、性別以及不同氣候和文化背景的使用者的差異性。SubTask B則對采光照明技術(shù)進(jìn)行梳理，并重點關(guān)注新的技術(shù)，特別是照明控制技術(shù)，包括：(1)利益相關(guān)者的調(diào)研，了解目前技術(shù)的問題與缺陷；(2)對現(xiàn)有采光照明技術(shù)的調(diào)研分析；(3)對新的技術(shù)，特別是控制技術(shù)的調(diào)研分析；(4)對照明控制交互界面的研究；(5)對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)研分析。SubTask C的主要任務(wù)是采光照明一體化的設(shè)計流程和方法進(jìn)行研究，包括：(1)現(xiàn)有設(shè)計流程的調(diào)研分析；(2)采光系統(tǒng)雙向透射反射模型(BSDF)的研究；(3)天空光譜模型的研究；(4)評價方法和工具研究。SubTask D的主要任務(wù)是研究監(jiān)測方法，并對實驗室和實際案例進(jìn)行跟蹤監(jiān)測研究，包括：(1)對現(xiàn)有研究的調(diào)研分析；(2)監(jiān)測方法研究；(3)對典型案例的測試研究。聯(lián)合工作組的主要工作則是協(xié)調(diào)4個子任務(wù)的研究工作和成果，提出基于逐時分析的采光照明一體化分析工具，以及虛擬現(xiàn)實(VR)技術(shù)應(yīng)用導(dǎo)則。

參與該項目的專家來自高校、研究院所和知名跨國企業(yè)，研究內(nèi)容涉及基礎(chǔ)理論、設(shè)計和測試方法、應(yīng)用技術(shù)等，其成果將對未來光環(huán)境領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)、新產(chǎn)品、設(shè)計及應(yīng)用產(chǎn)生重要影響。

2 采光照明一體化的原則與設(shè)計方法

我國的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)體系、氣候特點以及使用者習(xí)慣與國外有較大差異，采光照明一體化應(yīng)結(jié)合我國的實際情況進(jìn)行應(yīng)用。充分利用天然采光可改善光環(huán)境和實現(xiàn)照明節(jié)能，同時由于采光設(shè)計處于建筑設(shè)計階段，一旦確定，后期的照明設(shè)計很難去修正，只能去被動適應(yīng)，也難以彌補(bǔ)。因此公共建筑的采光照明一體化應(yīng)堅持“被動優(yōu)先，主動優(yōu)化”的原則，把充分利用天然光作為首要的目標(biāo)。同時，采光系統(tǒng)應(yīng)從光熱兩方面綜合權(quán)衡，照明也應(yīng)考慮與遮陽進(jìn)行聯(lián)動控制，采用動態(tài)評價指標(biāo)和設(shè)計方法[6,7]。

公共建筑分為新建和既有兩類，既有建筑由于受到自身條件限制，立面和室內(nèi)裝修等現(xiàn)狀條件不易修改，而新建建筑則受限制較少，因此新建和既有建筑在采光照明一體化應(yīng)用中有著不同的工作流程和處理方法。

1)既有建筑。我國既有公共建筑的存量巨大，這些建筑的照明系統(tǒng)老化，能效較低，光環(huán)境較差，這類建筑通常以節(jié)能改造為主，因而采光照明一體化應(yīng)用應(yīng)結(jié)合節(jié)能改造的目標(biāo)進(jìn)行。既有建筑的照明改造需要在測試和調(diào)研分析現(xiàn)有問題的基礎(chǔ)上，確定合理的改造目標(biāo)，再進(jìn)行技術(shù)方案的比選。圖2是既有建筑照明改造技術(shù)的矩陣圖。

圖2既有建筑照明改造技術(shù)[8]

水平方向從左至右表示技術(shù)實施的復(fù)雜程度或難度，越往右說明實施難度越大，改造費用越高，但相應(yīng)的改造效果也越好；垂直方向列舉了四類改造技術(shù)方案，可根據(jù)改造目標(biāo)和建筑的實際情況進(jìn)行選擇。在燈具布置和照明控制選擇時，需要充分考慮與采光結(jié)合，以充分利用天然采光。同時需要考慮使用者的特點，特別是控制設(shè)備要符合使用者的行為習(xí)慣。

2)新建建筑。相對于既有建筑而言，新建建筑的技術(shù)方案可選余地更大，同時設(shè)計過程顯得更為重要。采光照明一體化設(shè)計，要考慮充分利用天然光，特別是重視對直射日光的處理，要兼顧光熱兩方面的影響，綜合考慮其全年的綜合節(jié)能效果。不同的采光方案對于光熱環(huán)境和照明能耗有著顯著的影響，通過權(quán)衡分析確定建筑總體節(jié)能的優(yōu)化方案，同時考慮與照明設(shè)計的銜接，為后期的照明設(shè)計提供良好的基礎(chǔ)條件。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行照明優(yōu)化設(shè)計，與采光進(jìn)行協(xié)調(diào)和銜接，特別是燈具的分組要與采光進(jìn)行結(jié)合，以及合理的照明控制策略等。

從實踐經(jīng)驗來看，窗簾及遮陽對于室內(nèi)光環(huán)境和照明能耗有較大的影響，但往往被忽視，多數(shù)項目僅在后期把窗簾作為一種室內(nèi)裝飾性構(gòu)件來考慮，在采光照明設(shè)計時對窗系統(tǒng)就應(yīng)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計，充分考慮其對光熱環(huán)境的重要影響。

圖3表明，由于采用了更為優(yōu)化的采光方案，與傳統(tǒng)側(cè)窗采光相比，照明能耗降低27%左右。

圖3 某辦公室采光與照明結(jié)合的案例[7]

3)一體化設(shè)計方法。采光照明一體化的核心在于其設(shè)計方法。在設(shè)計環(huán)節(jié)，就綜合考慮采光與照明的協(xié)調(diào)與優(yōu)化，并兼顧使用者行為習(xí)慣和熱環(huán)境等因素的影響。該設(shè)計方法需要解決三個關(guān)鍵技術(shù)問題：(1)光熱權(quán)衡分析，即綜合考慮采光對光環(huán)境和熱環(huán)境的影響；(2)適用于不同地區(qū)，即與當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)相結(jié)合；(3)考慮控制系統(tǒng)特性和使用者行為特點，即采用動態(tài)的分析方法。該設(shè)計方法考慮因素較多，包括氣候特點、建筑空間、采光系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、照明控制以及使用者行為特點，要想進(jìn)行定量的分析，需要借助于計算機(jī)模擬的手段。

從20世紀(jì)80年代開始，國外學(xué)者就開始研究計算機(jī)模擬的方法用于建筑環(huán)境和能耗分析，并開發(fā)了相關(guān)的軟件。Clarke等[9,10]開展了相關(guān)研究，利用ESP-r+Radiance搭建的平臺，將光的模擬特別是室內(nèi)照度分布計算與熱的模擬相結(jié)合。DOE-2[11]和Energyplus[12]利用采光系數(shù)法，計算不同時刻的采光效果，并假設(shè)人工照明正好補(bǔ)充天然采光照度不足的部分，得到照明能耗。Daysim[13,14]則基于Radiance[15]內(nèi)核，采用Daylight Coefficients的方法，動態(tài)計算天然光照度分布，引入了手動控制照明和窗簾的模型，可用于分析單人房間在各種照明控制方式下的室內(nèi)照度分布和照明能耗情況，計算結(jié)果還可進(jìn)一步導(dǎo)入到EnergyPlus軟件中，用于建筑能耗的模擬。

筆者針對我國氣候、使用者行為和工程應(yīng)用的特點，研究并提出了適合于我國工程實踐要求的采光照明一體化模擬方法[6,7]。該方法的系統(tǒng)框架如圖4所示。

圖4 采光照明一體化分析方法 [6]

鑒于本文篇幅所限，此處不再贅述，詳細(xì)內(nèi)容可參閱本文的參考文獻(xiàn)[6][7]。該方法對于指導(dǎo)采光照明一體化的設(shè)計與實踐具有重要的作用，可用于建筑采光優(yōu)化設(shè)計、照明節(jié)能優(yōu)化設(shè)計以及基于建筑總體能耗的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計等，并在工程實踐中得到了應(yīng)用，取得了良好的效果。

3 采光照明一體化應(yīng)用與實踐

采光照明一體化在實際應(yīng)用中，除設(shè)計方法外，還有以下三方面的關(guān)鍵技術(shù)：(1)基于中國氣候特征的動態(tài)采光技術(shù)；(2)照明優(yōu)化設(shè)計技術(shù)；(3)智能照明控制技術(shù)。

3.1 基于中國氣候特征的動態(tài)采光技術(shù)

我國不同地區(qū)的氣候差異很大，天然光資源也有很大區(qū)別，不同地區(qū)采光策略應(yīng)適應(yīng)其氣候特征，選擇被動式、主動式或兩者結(jié)合的采光策略，實現(xiàn)充分利用天然光資源的目的。傳統(tǒng)的采光方式以利用天空散射光為主，為了充分利用天然光，綜合利用直射日光與散射天空光的采光技術(shù)已成為未來的發(fā)展趨勢。通過利用日光重定向和分光技術(shù)，實現(xiàn)對不同時段日光的空間和光譜分布的精準(zhǔn)控制，解決傳統(tǒng)采光方式帶來的光熱不平衡以及環(huán)境質(zhì)量與節(jié)能之間的矛盾等問題，從而提升建筑光環(huán)境品質(zhì)和綜合節(jié)能水平。

目前已大量應(yīng)用的導(dǎo)光管采光技術(shù)，實現(xiàn)對直射日光與散射天空光的綜合利用，并減少了太陽輻射得熱，優(yōu)化室內(nèi)光熱環(huán)境同時實現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。適合于無窗房間和地下空間，以及大進(jìn)深和傳統(tǒng)采光方式難以應(yīng)用的場所。新型的采光系統(tǒng)則同時考慮了遮陽和采光的需求，采用了光回復(fù)反射和定向反射技術(shù)，通過特殊設(shè)計的微光學(xué)結(jié)構(gòu)，可以控制太陽光線的透射及反射，從而滿足不同季節(jié)遮陽和采光的共同需求[16](圖5)。

圖5 新型采光系統(tǒng)[16]

3.2 照明優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

照明的優(yōu)化設(shè)計，包括合理選擇照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、選擇高效的照明產(chǎn)品、燈具布置及分組等。照明設(shè)計中，燈具的分組是容易忽視的問題，需要進(jìn)行定量的分析和比較，特別是燈具的分組要與采光進(jìn)行結(jié)合。

圖6是一個案例分析，當(dāng)采用不同的燈具分組方案時，其對照明能耗的影響是不同的。

當(dāng)房間內(nèi)燈具不分組，只有1個開關(guān)控制時，其年開燈時數(shù)為4088小時，遠(yuǎn)超過其它方案。當(dāng)燈具分組合理時(方案3和方案4)，照明開燈時數(shù)和能耗顯著減少。

注：測點上方即為燈具方案1：房間內(nèi)所有燈具只有1個開關(guān)；方案2：垂直于窗的燈具分組；方案3：平行于窗的燈具分組；方案4：單燈控制圖6 不同燈具分組對開燈時數(shù)和照明能耗的影響[7]

3.3 智能照明控制技術(shù)

照明控制系統(tǒng)是照明方案的重要內(nèi)容之一，不合理的控制方式往往會增加照明能耗。實踐表明，不能片面擴(kuò)大自動控制的作用，不合理的控制設(shè)置比手動控制的能耗更高。

隨著技術(shù)的發(fā)展，以LED為代表的半導(dǎo)體照明已得到廣泛的應(yīng)用。而LED易于控制的特點，為智能照明的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。智能照明控制技術(shù)的關(guān)鍵在于協(xié)調(diào)好手動控制與自動控制的關(guān)系。耗能的動作建議由手動控制來實現(xiàn)，比如開燈、調(diào)高亮度等；而節(jié)能的動作建議由自動控制來輔助實現(xiàn)，比如感應(yīng)光燈、根據(jù)采光情況調(diào)低或關(guān)閉照明、自動開啟窗簾等。同時還需要考慮控制系統(tǒng)自身的能耗問題，選擇低功耗的系統(tǒng)(包括運行和待機(jī)功耗)。

使用者與控制系統(tǒng)之間會相互影響，在節(jié)能設(shè)計中需要充分考慮使用者對于控制系統(tǒng)的需求，特別是控制系統(tǒng)設(shè)計時需要充分考慮使用者的特點，同時也應(yīng)合理引導(dǎo)主動節(jié)能的行為。由于使用者需求的不確定性，意味著照明系統(tǒng)需要有一定的適應(yīng)性，特別是對于智能照明系統(tǒng)而言，自適應(yīng)性是重要的性能指標(biāo)?？刂葡到y(tǒng)的優(yōu)化不僅僅限于設(shè)計階段，在調(diào)試和運行階段，還可以對實際使用時的光環(huán)境和照明能耗情況進(jìn)行監(jiān)測，持續(xù)對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)性能不斷提升，持續(xù)降低能耗的目標(biāo)。

3.4 實踐案例

位于北京的中國建筑科學(xué)研究院(CABR)近零能耗節(jié)能示范樓是采光照明一體化實踐的經(jīng)典案例(圖7)。該辦公樓采用不同的技術(shù)策略，通過采光照明結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計、照明優(yōu)化設(shè)計與控制這一系列的持續(xù)優(yōu)化技術(shù)措施，實現(xiàn)了持續(xù)降低照明能耗的目標(biāo)，年照明用電量不足同類建筑的25%(圖8)。

圖7 CABR近零能耗節(jié)能示范樓

圖8 采光一體化技術(shù)措施應(yīng)用的節(jié)能效果

4結(jié)語

隨著技術(shù)的發(fā)展，新的采光照明技術(shù)不斷出現(xiàn)，并逐步在國內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。未來光環(huán)境的設(shè)計目標(biāo)，不是追求某一產(chǎn)品或部件的性能或效能，而是借助于數(shù)字化和智能化的手段，通過技術(shù)的綜合運用，實現(xiàn)整體最佳的性能和節(jié)能效果，即提供系統(tǒng)的解決方案。本文提出了采光照明一體化的思路，將采光照明統(tǒng)籌考慮，兼顧了設(shè)計環(huán)節(jié)的特點與實際應(yīng)用的需求，并對其原則、設(shè)計方法和關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行了探討，將有助于解決目前設(shè)計與使用環(huán)節(jié)相脫離、采光與照明未有效結(jié)合等問題，對于光環(huán)境優(yōu)化設(shè)計及照明節(jié)能實踐具有重要的參考價值。