曹燕華 袁 樵

(復(fù)旦大學(xué)環(huán)境與科學(xué)工程系，上海 200433)

1 引言

建筑總能耗在中國能源消費(fèi)總量中的份額已經(jīng)超過27%，而照明用電在建筑總能耗中占有相當(dāng)比例，降低建筑中的照明能耗對于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、緩解環(huán)境危機(jī)的雙重目標(biāo)有著重要意義。高等院校是多元文化、先進(jìn)科技和優(yōu)秀人才的孕育基地，其對于諸多先進(jìn)低碳節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，不僅對改善氣候問題、緩解能源危機(jī)有重要作用，對貫徹落實(shí)“十二五”規(guī)劃中低碳節(jié)能和可持續(xù)發(fā)展的規(guī)劃目標(biāo)也有指導(dǎo)典范作用。綠色校園建筑的照明策略研究對于節(jié)能可持續(xù)照明的發(fā)展有著巨大的推進(jìn)作用。

本文通過對英國東英吉利大學(xué)最新的綠色校園建筑——Thomas Paine Study Center的典型辦公室照明策略進(jìn)行照明模擬計(jì)算，從而對綠色校園建筑照明策略的諸多發(fā)展途徑進(jìn)行初步的探討和研究，旨在為進(jìn)一步發(fā)展節(jié)能可持續(xù)照明作一份貢獻(xiàn)。

2 Thomas Paine Study Center簡介

Thomas Paine Study Center(TPSC)是繼ElizabethFry Building之后，東英吉利大學(xué)最新的綠色校園建筑，共有兩個(gè)階段。該建筑不但成功的實(shí)現(xiàn)了低碳節(jié)能的目標(biāo)，同時(shí)為廣大學(xué)生和老師提供了一流的學(xué)習(xí)、工作、科研環(huán)境和各類行政輔助功能。

本文主要討論TPSC的第二階段，于2010年開放。其使用者主要為挪威商業(yè)學(xué)校的師生，建筑的主要功能定位為辦公行政樓。部門辦公室的配置主要為分格式辦公室以及相關(guān)的輔助支持區(qū)域。

TPSC第二階段房屋面積為1162平方米。在所有樓層都配置有可容納3人進(jìn)行學(xué)術(shù)討論的分格式辦公室以及供員工進(jìn)行會(huì)議討論和學(xué)術(shù)展示的大型會(huì)議空間。此外，打印區(qū)域及茶歇空間等輔助支持空間也設(shè)置在每一樓層以提供和諧交流的環(huán)境，促進(jìn)彼此溝通。

3 TPSC辦公教學(xué)區(qū)照明策略簡介

TPSC的辦公教學(xué)區(qū)的照明策略主要采用天然采光結(jié)合人工照明的方式。

天然采光區(qū)域選用高性能的低輻射玻璃作為窗戶、這種玻璃在其密封的雙層玻璃單元間填充了氬氣。在建筑南立面，特別配置有可以調(diào)節(jié)的百葉窗遮陽板以控制進(jìn)入室內(nèi)的自然光。

人工照明主要從智能高效的照明控制系統(tǒng)、高效節(jié)能的照明設(shè)備以及最優(yōu)化合理的照明設(shè)計(jì)三方面考慮。在辦公室以及教學(xué)區(qū)域，使用結(jié)合控制系統(tǒng)、感應(yīng)器以及調(diào)光裝置的人工照明以配合天然采光，從而為室內(nèi)提供恒定的溫度和照度。照度要求應(yīng)嚴(yán)格遵循相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，不能低于標(biāo)準(zhǔn)值，也不能大幅度高于標(biāo)準(zhǔn)值從而造成不必要的電能消耗。選擇附有高頻傳動(dòng)裝置的緊湊型熒光燈或T5三基色熒光燈以提高能源利用率。一般照明在滿足基本照度需求的前提下應(yīng)盡量滿足光源類型及數(shù)量最少化，同時(shí)充分考慮及利用庫存中留存的燈具［1］。

4 TPSC典型空間照明模擬計(jì)算

TPSC第二階段共三層，每一層典型室內(nèi)空間均為分格式辦公室，其建筑底層平面布置圖如圖1所示，而其中E-E剖面細(xì)部如圖2所示。本文將選擇“Office 4”作為示范空間，對其進(jìn)行模擬計(jì)算，從而進(jìn)一步研究分格式辦公室的照明策略及其成效。

圖1 TPSC一層平面圖Fig.1 1stfloor plan of TPSC

圖2 TPSC E—E剖面圖Fig.2 E—E section plan of TPSC

4.1 模型空間設(shè)置

模擬辦公室空間“Office 4”空間尺寸如下:長3.6m、寬 3.05m，面積約為10.98m2，層高3.065m。墻面和頂棚都粉刷成白色，地面為條形橡木板。集成可旋轉(zhuǎn)百葉窗的透光玻璃單元設(shè)置在南立面高于成品層高0.9m處。模擬辦公室室內(nèi)各個(gè)元素的反射系數(shù)如表1所示。

表1 辦公室各個(gè)元素的反射系數(shù)Table 1 Reflection factors of different sections in office

4.2 空間燈具設(shè)置

本模擬辦公室空間晝光控制的天然采光結(jié)合人工照明策略中所選取的燈具及其參數(shù)如表2所示。

表2 辦公室燈具配置Table 2 Parameters of luminaries

4.3 照明模擬計(jì)算

本節(jié)通過照度計(jì)算軟件Relux對無控制的純天然采光、利用遮陽板晝光控制的天然采光以及晝光控制的天然采光結(jié)合人工照明三種照明策略進(jìn)行模擬，從而對綠色校園建筑TPSC的典型辦公空間的最優(yōu)照明策略進(jìn)行詳細(xì)探討。

4.3.1 無控制純天然采光模擬

在側(cè)窗采光情況下，室外晝光一般通過三種方式進(jìn)入室內(nèi):直射太陽光、散射天空光、地面和附近建筑物的反射光。在這里，僅考慮太陽直射光和散射天空光。

建筑位于英國諾維奇市，北緯52.6度，東經(jīng)1.3度。通過照度計(jì)算軟件 Relux對模擬辦公室空間進(jìn)行純天然采光模擬。該場景不設(shè)置人工照明及百葉窗遮光板，以考察無控制的純天然采光效果，測光結(jié)果如表3所示。

表3 無控制純天然采光測光結(jié)果表Table 3 Calculating results of uncontrolled daylighting

由表3可知，TPSC辦公空間側(cè)窗采光面積大，對白天室內(nèi)照明貢獻(xiàn)很大，僅依靠天然采光照明時(shí)室內(nèi)平均照度水平即可滿足工作任務(wù)要求。然而，在沒有采用晝光控制的情況下，無論是全晴天空還是全陰天空，整個(gè)空間的照度分布，包括工作面的照度分布都極不均勻。0.75m水平面照度最大值為2020lx，而最小照度值僅為59lx，二者相差30倍之多。故而光環(huán)境質(zhì)量無法滿足照度均勻性的要求。

4.3.2 遮陽板晝光控制模擬

在本模型中，遮陽板百葉角度可以根據(jù)需要在零至一百八十度范圍內(nèi)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，葉片寬度和葉片間間距均為40mm。純天然采光情況下，通過調(diào)節(jié)遮陽百葉角度進(jìn)行晝光控制。以葉片閉合角度為基準(zhǔn)0度，每隔15度進(jìn)行順時(shí)針調(diào)節(jié)，測光結(jié)果如表4所示。

表4 遮陽板晝光控制測光結(jié)果表Table 4 Calculating results of louver-controlled daylighting

由表4可知，當(dāng)百葉窗遮光板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)在15°、90°、105°、120°、135°、150°、165°時(shí)，采光系數(shù)極低，且對0.75m工作面平均照度值的貢獻(xiàn)極為低下。而當(dāng)其順時(shí)針旋轉(zhuǎn)在45°至60°之間時(shí)，采光系數(shù)具有最大值;30°至45°之間以及60°至75°之間，采光系數(shù)也具有可觀的平均值。故而，除非在日光特別強(qiáng)烈的情況下，在使用百葉窗進(jìn)行晝光控制時(shí)，角度適宜控制在順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°到 75°之間。

4.3.3 晝光控制的天然采光結(jié)合人工照明

設(shè)置百葉窗遮光板的純天然采光以犧牲采光系數(shù)為代價(jià)，雖然有效地控制了天然光，卻無法為該工作面提供足夠的照度水平以及照度均勻度。故而，需要人工照明對其進(jìn)行補(bǔ)充。

百葉窗遮光板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)75°的模擬結(jié)果如圖3、圖4所示，而旋轉(zhuǎn)角度30°至75°時(shí)，晝光控制的天然采光結(jié)合人工照明的測光結(jié)果如表5所示。

圖3 天然采光+人工照明照度偽色分布圖Fig.3 Pseudo colors distribution

表5 晝光控制的天然采光結(jié)合人工照明測光結(jié)果表Table 5 calculating results of louver-controlled daylighting with artificial lighting

由表5可知，四個(gè)角度下，0.75m工作面的平均照度模擬值的平均值為358lx，略高于標(biāo)準(zhǔn)值(300lx)，處于標(biāo)準(zhǔn)值的±20%之內(nèi)。而照度均勻度的平均值為0.68，處于標(biāo)準(zhǔn)值 (0.7)的±10%之內(nèi)。

本模擬場景未考慮智能控制照明系統(tǒng)，等價(jià)于調(diào)光及感應(yīng)模式關(guān)閉。通過對燈具進(jìn)行智能調(diào)光控制，使0.75m工作面的平均照度值略高于300lx，在滿足標(biāo)準(zhǔn)值的同時(shí)、不顯著高于標(biāo)準(zhǔn)值的，從而進(jìn)一步貫徹低碳節(jié)能的宗旨。

根據(jù)TPSC整個(gè)建筑設(shè)計(jì)的電力供應(yīng)和分配標(biāo)準(zhǔn)，照明部分的允許值為8 W m2，而本模型 (晝光控制的天然采光結(jié)合人工照明)的模擬照明功率密度LPD為7.19 W m2，符合低碳節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)。

5 小結(jié)

東英吉利大學(xué)最新綠色校園建筑Thomas Paine Study Center很好地實(shí)現(xiàn)了控制碳排放以及提供舒適高效的教學(xué)辦公環(huán)境的雙重目標(biāo)。其辦公教學(xué)區(qū)主要采用遮陽板晝光控制的天然采光結(jié)合人工照明的照明策略。

TPSC典型辦公室空間的天然采光照明模擬計(jì)算結(jié)果顯示，無晝光控制的天然采光為0.75m水平面提供了448lx的平均照度，然而其照度最大值為2020lx，與最小照度值相差30倍之多。其光環(huán)境質(zhì)量卻無法滿足照度均勻性的要求，因此晝光控制十分重要。利用百葉窗進(jìn)行晝光控制的天然采光通過對遮陽板的調(diào)節(jié)，角度適宜控制在順時(shí)針旋轉(zhuǎn)30°到75°之間，從而有效控制進(jìn)入室內(nèi)的自然光，很大程度提高空間的采光系數(shù)均勻度以及照度均勻度。

人工照明以懸掛式熒光燈及嵌入式筒燈結(jié)合智能高效的控制系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)囊话阏彰鳎钥烧{(diào)光、高度可調(diào)節(jié)的臺燈提供工作區(qū)重點(diǎn)照明。TPSC典型辦公室空間的天然采光結(jié)合人工照明的模擬計(jì)算結(jié)果顯示，在未使用智能調(diào)光控制時(shí)，遮陽板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)在30°至75°之間時(shí)，0.75m工作面的平均照度模擬值平均在358lx左右，而照度均勻度平均值為0.68，照明功率密度LPD為7.19 W m2，均符合綠色校園建筑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。此外，在現(xiàn)模擬基礎(chǔ)上應(yīng)用照明智能調(diào)光控制系統(tǒng)，使0.75m工作面的平均照度值略高于300lx，在滿足標(biāo)準(zhǔn)值的同時(shí)、不顯著高于標(biāo)準(zhǔn)值，能夠進(jìn)一步貫徹低碳節(jié)能的宗旨。

最后，在成本允許的前提下，筆者建議在綠色校園建筑中更多地選擇LED燈具，充分利用其高壽命高光效的特點(diǎn)，從而進(jìn)一步服務(wù)于低碳節(jié)能的宗旨。

［1］Martin Ingham.Thomas Paine Study Center:How it Works［J OL］.Build with CaRe.http: www.buildwithcare.eu images pdfs tpsc_how_it_works_march_2012.pdf，2012－03.