安科瑞 陳聰

【摘要】：大型公共建筑的照明系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筑的智能照明系統進行改進。首先，分析天花板和工作面之間的日光照度映射關系，建立一個日光估計模型。通過進行訓練和操作兩個階段，得出建筑日光分布的估計值。接下來，結合實時的自然光照條件，選擇合適的照明模式。*后，以*央控制器為核心，構建一個智能照明控制框架。這個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，并完成*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為5.4kw·h，完*滿足了綠色節能的要求。

【關鍵字】：綠色節能；公共建筑；日光估計；動態控制；智能照明

0引言

綠色節能是指在滿足人們需求的前提下，通過合理利用資源和能源，減少對環境的負面影響，實現可持續發展[1]。在建筑領域，尤其大型公共建筑中，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]，對建筑照明的智能化控制，提高照明質量和能效。近年來，學者們致力于研究節能的照明策略。廖祈泉等[3]提出了基于向日追蹤的智慧照明系統，該系統通過智能追蹤系統觀察日光強度，并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。但該系統主要依賴太陽光，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室內照明需求，決定是否打開照明設備。此方法計算過程復雜，實時性較差。梁波等[5]提出一種照明動態控制策略，通過實驗觀察照明區域能見度變化規律，構建基于模糊徑向基神經網絡的智能照明體系。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，可能導致控制策略失誤，增加能耗。

本文在此基礎上，基于綠色節能理念，考慮日光估計進行大型公共建筑智能照明設計，為相關領域提供新的思路和方法。希望通過合理的智能照明設計，提高建筑的能效和舒適度，減少能源消耗和運營成本，為環保事業作出貢獻。

1綠色節能視域下針對大型公共建筑設計智能照明方法

1.1設計日光分布估計算法

在大型公共建筑智能照明設計過程中，為滿足綠色節能要求，充分考慮日光對建筑室內光環境質量的影響，在不影響室內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，深入分析天花板與工作面照度之間的映射關系。

在獲取日光分布估計值時，天花板日光照度貢獻值和工作面日光照度貢獻值之間，存在比例關系[7]?；谶@一特點，定義式（1）的映射函數，為核心構建一個自然光估計器，辨識日光分布情況。

式中，k為時刻，d為工作面照度貢獻值，η為天花板日光照度貢獻值，f為自然光估計器，B為待辨識參數。

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*優解計算問題。以*小化誤差平方值為目標進行*小二乘不斷搜索，從眾多匹配的待辨識參數函數中篩選出*佳數據，式為：

式中，T為轉置矩陣。大型公共建筑日光分布估計的具體操作。在訓練分析環節，通過天花板、工作面上的傳感器設備，采集日光映射強度數據，將其作為日光估計訓練所需的數據，構建日光估計模型[8]。

1.2選取建筑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筑典型照明能耗特點，構建一個照明設備能耗模型。結合每個傳感器采集的光照信息，在大型公共建筑智能照明控制終端進行統一計算，*終匹配出一個*佳室內智能照明模式。依托式（3）進行計算，獲取照明裝置具體網絡地址。

式中，V為照明裝置網絡地址，M為大型公共建筑內照明裝置總數量，ϖ為智能照明通信網絡控制范圍，E為室內照明區域總面積。在得到所有裝置對應的網絡地址后，通過式（4）完成不同裝置兩兩之間間隔距離的推算。

公式中，D為照明裝置之間距離。隨后，利用式（5）展開計算，獲取單個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為光照條件參數，L為條件參數。在通信網絡的輔助下，將上述計算的光照條件參數傳達給控制*心，為綠色節能視域下大型公共建筑智能照明設計提供基礎數據，與日光分布估計結果表現出的當前建筑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，大型公共建筑內部映射的自然光，就可以滿足室內正常照明需求，不需要再打開照明裝置，從根本上達到節省電能的效果。而在日光不充足的時刻，則需要對室內光線進行補充!1,根據實時亮度變化調整為低、中、高亮度照明模式,滿足大型建筑照明要求。

1.3實現室內空間智能照明控制

將光源的空間照度表示為矩陣，考慮太陽光和工作區位置、燈具與工作面的距離，建立光通函數矩陣。在智能照明控制中考慮人工光源的照度影響，判斷是否執行選定模式。明確照明模式后，為滿足智能化要求，在照明控制終端附近建立建筑能源管理系統服務器，導人照明能耗模式，自動轉為控制命令，以調整大型建筑室內燈具的亮度，解決自適應智能照明問題。

以天花板上安裝數個照明燈具的室內環境為例，在該室內工作區臺面上需要布置無線智能設備，利用無線廣播的形式向控制器發送期望照度值，以便求出更加符合實際要求的調光系數。假設每個大型公共建筑室內燈具的光線調整都是線性調光模式，考慮其本身的物理限制，定義燈具開度范圍為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系，也就是說，可以將智能照明控制中所有照明裝置的總功耗，看作燈具調光系數向量和其他設備功耗之和，其表達式為:

式中，J為燈具總功耗，S為智能照明控制系統開銷功耗，u為燈具調光系數向量，p為區域內燈具數量，i為燈具編號，"表示單個燈具功耗。依靠智能照明控制系統，在考慮日光光照強度的情況下完成大型公共建筑智能照明設計，確保建筑照明滿足綠色節能要求。

2試驗

2.1試驗環境

為評估大型公共建筑智能照明設計方法的效果，選擇沈陽市某高層大廈作為應用對象。該大廈位于沈河區青年大街，建筑面積33000m²，共22層，每層1500m²。該建筑集商務辦公、文化展示和國際商業于一體，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。建筑內每一類照明設備的具體數量和功率，如表1所示。從表1看出，該建筑內應用*為廣泛的還是格柵熒光燈、節能筒燈兩種照明燈具。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，在所提方法之后對同一樓層進行智能照明設計。對比三種方法實施效果，以便直觀體現所提方法*越性。

2.2智能照明結果

由于新方法在對室內燈具亮度進行智能調節時考慮日光帶來的影響，在建筑智能照明設計過程中，先獲取不同時刻每個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，由于工作區11、12、13、14均處于靠近窗子的位置，其受到日光影響更大，這些工作區的照度明顯高于其他工作區。同時，隨著時間變化工作區內照度也會出現明顯改變，14:00左右屬于一天中日光*強烈的時刻，該時段建筑室內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。實施智能照明設計后，將實際照度與期望照度繪制成圖3。

圖3看出，建筑內燈具智能照明調節后，各工作區產生的實際照度值均保持在300lux，與期望照度一致，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后，在相同樓層應用另外兩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，統計不同方法應用后每日室內照明消耗電能變化情況，生成圖4所示的對比結果。

從圖4看出，新研究智能照明設計方法應用后，日均照明消耗電能為5.4kw·h，而另外兩種方法的照明消耗電能日均值為13.7、14.8kW·h。整體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，實現能源的準確控制。

3安科瑞智能照明控制系統

3.1概述

ALIBUS智能照明產品采用RS485總線技術，技術成熟可靠，安全穩定。開關驅動器具備獨立工作的能力，適用于一些中小型的項目；模塊化設計，可以任意拼接擴展，同時預留I/O口以及Modbus接口，還可以滿足與AcrelEMS企業微電網管理云平臺進行數據交換。

3.2應用場所

適合于各類智能小區、醫院、學校、酒店，以及體育場所、機場、隧道、車站等大型公建項目的照明控制需求。

3.3系統結構

3.4系統功能

1）實時檢測并顯示各個模塊的在線狀態，反饋現場受控回路的開關狀態，監控界面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、網關設備掉線或者狀態反饋和下發控制命令不一致時會發生故障報警，并將故障報警信息記錄并顯示在界面中。

3）可以對單個照明回路實現開關控制；每個模塊、樓層都有相應的模塊控制開關和樓層控制開關，也可以一個模塊或者整個樓層實現開關控制。

4）開關驅動器支持過零觸發功能，負載（燈具）的分合操作僅在交流電過零時進行；可有效減少電磁干擾以及對電網的沖擊，延長燈具與控制裝置的壽命。

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

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

7）點擊場景控件，打開或者關閉對應場景設置，軟件界面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閉。

8）設置定時時間，確認時間點后，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）系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；根據天文時鐘控制照明開關，實現日落開燈、日出關燈的功能。

10）所有定時控制計劃均可下發保存至驅動模塊；當上位機系統故障或模塊離線時，驅動模塊可以利用自帶的RTC時鐘維持定時控制計劃的正常執行，不影響日常的照明控制效果。

11）系統結構是分布式總線結構；系統內各元件不依賴于其他元件而能夠獨立工作；系統內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*三方集成平臺接口，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，大型公共建筑的智能照明設計研究至關重要。通過智能化的控制和管理，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，完成大型公共建筑智能照明設計，得出結論如下：

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

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