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办公室自然光最优利用方法与试验解析

来源:ofweek 日期:2017/5/8 14:43:51 浏览量:... 分享到:
在智能照明领域,自然光的合理利用及以及自然光、遮阳系统与人工光的配合是个有趣的话题。本文是飞利浦(中国)投资有限公司张宇宁为描述我们的一些尝试和方法。

1、平衡自然光与人造光

  通过先进技术平衡自然光与人造光,可以最大程度节省能源、提高室内舒适度。

  下图是欧洲的一个安装了智能照明控制系统和电动遮阳系统的成功合作典范,使得该建筑在完工以及随后的使用过程中降低了能耗。不仅如此,先进照明解决方案的应用也减少了该建筑的二氧化碳排放,这也符合项目业主的环境战略及其保护环境的制度。

  这个系统简单易懂、操作方便,在通过技术调节灯光以适应用户需求的同时,不仅能够为员工的办公空间提供舒适的照明效果,还帮助用户节省了能源。

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  图1 Apator公司的智能办公楼

  类似的产品和解决方案在国内也并不鲜见,其基本原理是简单的,甚至是朴素的:尽可能多的利用自然光。在自然光过强或不足时,配合遮阳设备和人工光源进行调节,已达到目标区域的特定照度。

  本文从技术角度探索一个具体问题:控制精度。即,采用何种方法可以尽可能高的提高照度控制的精准度。

  一般来讲,作为照度控制的最主要依据,照度传感器安装在天花板上。而我们感兴趣的区域是人的办公区域,即办公桌面。按照一般的设计要求,办公环境下桌面照度应达到500lux。

  本文即以此作为设计的目标:动态调整自然光、遮阳设备(窗帘)和人工光源,使得特定的桌面照度保持500lux。

  下图是我们实验搭建的环境。

  其中,两个照度传感器分别用于采集室外照度的目标区域的照度,用做闭环控制的输入参数。放置于桌面的照度计作为校准设备,用于评估系统的精度,并不是系统中的设备。此外还有照明设备和遮阳设备的控制系统以及测试用的计算机

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  图2 实验搭建

  控制算法如图3所示:判断的输入条件为太阳光照度、桌面照度、灯光的亮度等级、窗帘的位置。输出为新的灯光亮度等级和窗帘位置。算法的目标是保持桌面照度恒定(500 lux)。

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  图3 恒定照度控制算法

  2、桌面照度的校准

  在实践中我们发现了一个问题:位于天花板的照度传感器的数值与位于桌面的照度计测量的实际数值是有偏差的,且此偏差无规律,取决于室外太阳光的照射角度、强度、以及室内环境对自然光的反射。

  比如,当太阳光以较低的角度、较高的强度直射地面时(对应北方地区冬日的晴天),地面的反射光会强烈影响天花板的照度传感器,但对桌面上的照度影响较小。这导致了测试误差,进而闭环控制的精度无从保证。

  图4 给出了一组实测数据。

  可以看到,随着自然环境的变化(一天中的不同时间),桌面的实际照度与天花板的照度传感器的读书无明显规律。因此,如何在不同的环境、不同的地理位置,根据天花板的照度传感器拟合出桌面照度,是必须解决的问题。

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  图4 实测数据对比

  3、照度的校准方法

  首先,应当分析进入照度传感器的光的成分和来源。图5画出了光的分解。

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  图5 光的分解

  从图中可以看到,两种光源:即自然光与人工光分别对照度传感器(屋顶)和照度计(桌面)的影响是不同的。进一步分析发现,人工光因为其位置和照射角度固定,其对照度传感器(屋顶)和照度计(桌面)的照度贡献是线性的,既可以找到一个系数表述两者的关系。

  实测验证了这个规律:在不同的人工光亮度下,照度计和照度传感器的读数显示极好的线性。

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  图6 不同亮度下照度计与照度传感器的读数

  与人工光相反,太阳光在不同的时间和强度下对照度计和照度传感器的读数贡献无明显规律。

  为了解决这一问题,我们采用了创新的“多点校准”技术:即对太阳光划分典型照射模式,并针对每种模式通过实测记录对应的照度关系;拟合出公式的参数进而用于控制闭环。限于篇幅本文不详细描述。图7大致给出可以考虑的典型模式。

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  图7 典型的太阳光照射模型

  针对每种模式,仍然需要大量的实测得到f1, f2, f3 的拟合曲线。模型的合理准确和大量原始数据可以保证足够的精度。感兴趣的读者可以联系作者进一步探讨。

  4、验证

  我们做了大量的实测以验证精度。

  实践表明,基于“多点校准”方法和大量数据拟合的函数,可以用于照度的闭环控制,并且达到精度+/- 10%的设计目标。即:桌面设定恒定照度为500 lux时,实测照度范围在[450, 550]lux区间。本文给出部分数据。

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  图8 部分实测数据

  5、总结

  自然光与人工光的平衡利用带来的好处不言而喻。在实践中,自然光的复杂性使得闭环控制的精度难以保证。根据实际的安装环境研究合适的校准算法,对恒照度控制的实现极其关键。

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