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(hù)需求來(lái)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(guò)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(jìn)行改進(jìn)。首先，分析天花板和工作面之間的日光照度映射關(guān)系，建立一個(gè)日光估計模型。通過(guò)進(jìn)行訓練和操作兩個(gè)階段，得出建筑日光分布的估計值。接下來(lái)，結合實(shí)時(shí)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(gè)智能照明控制框架。這個(gè)框架可以處理用戶(hù)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(jīng)過(guò)實(shí)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(mǎn)足了綠色節能的要求。

【關(guān)鍵字】：綠色節能；公共建筑；日光估計；動(dòng)態(tài)控制；智能照明

0引言

綠色節能是指在滿(mǎn)足人們需求的前提下，通過(guò)合理利用資源和能源，減少對環(huán)境的負面影響，實(shí)現可持續發(fā)展[1]。在建筑領(lǐng)域，尤其大型公共建筑中，智能照明設計實(shí)現了綠色節能目標，利用現代化的技術(shù)手段[2]，對建筑照明的智能化控制，提高照明質(zhì)量和能效。近年來(lái)，學(xué)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(guò)智能追蹤系統觀(guān)察日光強度，并計算是否滿(mǎn)足照明需求。在太陽(yáng)能利用效率低、照明需求大的時(shí)間節點(diǎn)，自動(dòng)開(kāi)啟照明設備，以減少能源浪費。但該系統主要依賴(lài)太陽(yáng)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(hù)需求入手，通過(guò)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(kāi)照明設備。此方法計算過(guò)程復雜，實(shí)時(shí)性較差。梁波等[5]提出一種照明動(dòng)態(tài)控制策略，通過(guò)實(shí)驗觀(guān)察照明區域能見(jiàn)度變化規律，構建基于模糊徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的智能照明體系。該方法需實(shí)時(shí)采集和處理大量環(huán)境數據，若數據不準確或處理不及時(shí)，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(jìn)行大型公共建筑智能照明設計，為相關(guān)領(lǐng)域提供新的思路和方法。希望通過(guò)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(yíng)成本，為環(huán)保事業(yè)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(guò)程中，為滿(mǎn)足綠色節能要求，充分考慮日光對建筑室內光環(huán)境質(zhì)量的影響，在不影響室內理想光環(huán)境的基礎上，動(dòng)態(tài)調整燈具照明亮度[6]。因此，智慧照明的初始階段進(jìn)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(guān)系。

在獲取日光分布估計值時(shí)，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(guān)系[7]?；谶@一特點(diǎn)，定義式（1）的映射函數，為核心構建一個(gè)自然光估計器，辨識日光分布情況。

式中，k為時(shí)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(shí)際日光分布估計過(guò)程中，引入*小二乘算法，將待辨識參數推理過(guò)程，描述為*優(yōu)解計算問(wèn)題。以*小化誤差平方值為目標進(jìn)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(huán)節，通過(guò)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(shí)[9]，需要先分析大型公共建筑典型照明能耗特點(diǎn)，構建一個(gè)照明設備能耗模型。結合每個(gè)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(jìn)行統一計算，*終匹配出一個(gè)*佳室內智能照明模式。依托式（3）進(jìn)行計算，獲取照明裝置具體網(wǎng)絡(luò )地址。

式中，V為照明裝置網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )地址后，通過(guò)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(kāi)計算，獲取單個(gè)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(wǎng)絡(luò )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(kāi)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(shí)段，大型公共建筑內部映射的自然光，就可以滿(mǎn)足室內正常照明需求，不需要再打開(kāi)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(shí)刻，則需要對室內光線(xiàn)進(jìn)行補充!1,根據實(shí)時(shí)亮度變化調整為低、中、高亮度照明模式,滿(mǎn)足大型建筑照明要求。

1.3實(shí)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(yáng)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(mǎn)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(wù)器，導人照明能耗模式，自動(dòng)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(wèn)題。

以天花板上安裝數個(gè)照明燈具的室內環(huán)境為例，在該室內工作區臺面上需要布置無(wú)線(xiàn)智能設備，利用無(wú)線(xiàn)廣播的形式向控制器發(fā)送期望照度值，以便求出更加符合實(shí)際要求的調光系數。假設每個(gè)大型公共建筑室內燈具的光線(xiàn)調整都是線(xiàn)性調光模式，考慮其本身的物理限制，定義燈具開(kāi)度范圍為10，11。這種環(huán)境下，燈具功耗同調光水平二者之間表現出正比例變化關(guān)系，也就是說(shuō)，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(kāi)銷(xiāo)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(gè)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(mǎn)足綠色節能要求。

2試驗

2.1試驗環(huán)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(yáng)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(wù)辦公、文化展示和國際商業(yè)于一體，是沈陽(yáng)的*名商務(wù)*心。針對大廈目前照明設施進(jìn)行調查可知，其內部存在格柵熒光燈、節能筒燈、吸頂燈、藝術(shù)吊燈、白熾燈等多種照明燈具，根據不同場(chǎng)合的照明需求安裝不同燈具。建筑內每一類(lèi)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(jìn)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(shí)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(jìn)行智能照明設計。對比三種方法實(shí)施效果，以便直觀(guān)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(jìn)行智能調節時(shí)考慮日光帶來(lái)的影響，在建筑智能照明設計過(guò)程中，先獲取不同時(shí)刻每個(gè)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(shí)，隨著(zhù)時(shí)間變化工作區內照度也會(huì )出現明顯改變，14:00左右屬于一天中日光*強烈的時(shí)刻，該時(shí)段建筑室內工作區照度也相對更高。在上述環(huán)境中，設計所有工作區用戶(hù)的期望照度為300lux。當自然光滿(mǎn)足該照度，則不需開(kāi)燈；反之需調整燈具亮度。實(shí)施智能照明設計后，將實(shí)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(chǎn)生的實(shí)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(shí)施一周后，在相同樓層應用另外兩種文獻提出方法重新進(jìn)行智能照明設計，每種設計方案的實(shí)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(diǎn)，根據實(shí)時(shí)環(huán)境調整照明參數，實(shí)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(chǎn)品采用RS485總線(xiàn)技術(shù)，技術(shù)成熟可靠，安全穩定。開(kāi)關(guān)驅動(dòng)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(shí)預留I/O口以及Modbus接口，還可以滿(mǎn)足與AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺進(jìn)行數據交換。

3.2應用場(chǎng)所

適合于各類(lèi)智能小區、醫院、學(xué)校、酒店，以及體育場(chǎng)所、機場(chǎng)、隧道、車(chē)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(shí)時(shí)檢測并顯示各個(gè)模塊的在線(xiàn)狀態(tài)，反饋現場(chǎng)受控回路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，監控界面按照樓層各分區的布局和回路列表來(lái)瀏覽。

2）當發(fā)生模塊離線(xiàn)、網(wǎng)關(guān)設備掉線(xiàn)或者狀態(tài)反饋和下發(fā)控制命令不一致時(shí)會(huì )發(fā)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(gè)照明回路實(shí)現開(kāi)關(guān)控制；每個(gè)模塊、樓層都有相應的模塊控制開(kāi)關(guān)和樓層控制開(kāi)關(guān)，也可以一個(gè)模塊或者整個(gè)樓層實(shí)現開(kāi)關(guān)控制。

4）開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器支持過(guò)零觸發(fā)功能，負載（燈具）的分合操作僅在交流電過(guò)零時(shí)進(jìn)行；可有效減少電磁干擾以及對電網(wǎng)的沖擊，延長(cháng)燈具與控制裝置的壽命。

5）對每個(gè)照明回路可以預設掉電狀態(tài)，當照明電源掉電時(shí)，開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器會(huì )自動(dòng)切換到預設的掉電狀態(tài)；確保重新上電時(shí)燈具的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是確定與可控的。

6）拖動(dòng)調光控件，照明設備從0%到100%進(jìn)行調光，可以對單個(gè)照明回路實(shí)現調光控制，調光總控可以對一個(gè)模塊的照明回路實(shí)現調光控制，也可以對多個(gè)照明回路實(shí)現調光控制，通過(guò)圖標的亮滅狀態(tài)反饋現場(chǎng)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。

7）點(diǎn)擊場(chǎng)景控件，打開(kāi)或者關(guān)閉對應場(chǎng)景設置，軟件界面上顯示不同的場(chǎng)景模式和場(chǎng)景功能，通過(guò)圖標的亮滅顯示對應的場(chǎng)景狀態(tài)是打開(kāi)還是關(guān)閉。

8）設置定時(shí)時(shí)間，確認時(shí)間點(diǎn)后，對該事件點(diǎn)執行的動(dòng)作進(jìn)行設置，設置燈在設定的時(shí)間點(diǎn)亮或者滅。

9）系統可以通過(guò)預設的當地經(jīng)緯度信息，自動(dòng)計算每天的日升日落時(shí)間；根據天文時(shí)鐘控制照明開(kāi)關(guān)，實(shí)現日落開(kāi)燈、日出關(guān)燈的功能。

10）所有定時(shí)控制計劃均可下發(fā)保存至驅動(dòng)模塊；當上位機系統故障或模塊離線(xiàn)時(shí)，驅動(dòng)模塊可以利用自帶的RTC時(shí)鐘維持定時(shí)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(xiàn)結構；系統內各元件不依賴(lài)于其他元件而能夠獨立工作；系統內各元件可以通過(guò)程序的設定實(shí)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(yǔ)

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(guān)重要。通過(guò)智能化的控制和管理，能夠實(shí)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(shù)，各工作區產(chǎn)生的實(shí)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。

參考文獻

[1]丁偉,卓亞琪,何盛,等.包容性設計視角下基于A(yíng)HP和QFD法的智慧照明設計系統研究[J].包裝工程,2023,44(18):436-447.

[2]吳艷麗,揭安仝.基于視覺(jué)參照系重構的室內照明區域控制仿真[J].計算機仿真,2023,40(06):518-522.

[3]廖祈泉,華洋,廖鈞濠,等.基于向日追蹤的智慧照明系統設計[J].電子器件,2023,46(03):861-865.

[4]許馨尹,劉夢(mèng)杰,李濤,等.基于日光估計的動(dòng)態(tài)照明控制方法研究[J].建筑科學(xué),2022,38(08):184-193.

[5]梁波,牛佳安,李碩,等.考慮能見(jiàn)度影響的公路隧道照明動(dòng)態(tài)優(yōu)化與智能控制[J].控制理論與應用,2023,40(10):1783-1792.

[6]秦新景,王志勝,張曼群,等.結合日光和占用的動(dòng)態(tài)辦公室照明系統設計[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2023,60(15):326-332.

[7]郭敬,張玉杰.基于遺傳模擬退火算法的室內照明節能控制方法研究[J].應用光學(xué),2022,43(05):879-885.

[8]毛自根,洪千哲,邸昊田,等.基于仿真模擬的公路隧道照明設計優(yōu)化[J].公路,2023,68(05):240-246.

[9]蔣涵元,宋萬(wàn)軍,白龍,等.基于VPLC的工業(yè)智能照明控制系統的設計和開(kāi)發(fā)[J].控制工程,2022,29(10):1916-1920.

[10]陳琪.基于高速服務(wù)區商店備用照明的設計方案[J].中國建筑金屬結構,2023,22(12):118-120.

[11]王科偉.綠色節能視域下大型公共建筑智能照明設計研究

[12]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊。2022.05版