0引言
綠色節(jié)能是指在滿足人們需求的前提下,通過(guò)合理利用資源和能源,減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響,實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。在建筑領(lǐng)域,尤其大型公共建筑中,智能照明設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了綠色節(jié)能目標(biāo),利用現(xiàn)代化的技術(shù)手段,對(duì)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(jié)能的照明策略。廖祈泉等提出了基于向日追蹤的智慧照明系統(tǒng),該系統(tǒng)通過(guò)智能追蹤系統(tǒng)觀察日光強(qiáng)度,并計(jì)算是否滿足照明需求。在太陽(yáng)能利用效率低、照明需求大的時(shí)間節(jié)點(diǎn),自動(dòng)開(kāi)啟照明設(shè)備,以減少能源浪費(fèi)。但該系統(tǒng)主要依賴太陽(yáng)光,在陰雨天或日照不足的情況下效果受限。許馨尹等從日光強(qiáng)度和用戶需求入手,通過(guò)對(duì)比正常條件下的日光估計(jì)值與室內(nèi)照明需求,決定是否打開(kāi)照明設(shè)備。此方法計(jì)算過(guò)程復(fù)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(yàn)觀察照明區(qū)域能見(jiàn)度變化規(guī)律,構(gòu)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(shù)據(jù),若數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或處理不及時(shí),可能導(dǎo)致控制策略失誤,增加能耗。
本文在此基礎(chǔ)上,基于綠色節(jié)能理念,考慮日光估計(jì)進(jìn)行大型公共建筑智能照明設(shè)計(jì),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(shè)計(jì),提高建筑的能效和舒適度,減少能源消耗和運(yùn)營(yíng)成本,為環(huán)保事業(yè)作出貢獻(xiàn)。
1綠色節(jié)能視域下針對(duì)大型公共建筑設(shè)計(jì)智能照明方法
1.1設(shè)計(jì)日光分布估計(jì)算法
在大型公共建筑智能照明設(shè)計(jì)過(guò)程中,為滿足綠色節(jié)能要求,充分考慮日光對(duì)建筑室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量的影響,在不影響室內(nèi)理想光環(huán)境的基礎(chǔ)上,動(dòng)態(tài)調(diào)整燈具照明亮度。因此,智慧照明的初始階段進(jìn)行日光分布估計(jì),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(jì)值時(shí),天花板日光照度貢獻(xiàn)值和工作面日光照度貢獻(xiàn)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(shù),為核心構(gòu)建一個(gè)自然光估計(jì)器,辨識(shí)日光分布情況。
式中,k為時(shí)刻,d為工作面照度貢獻(xiàn)值,η為天花板日光照度貢獻(xiàn)值,f為自然光估計(jì)器,B為待辨識(shí)參數(shù)。
實(shí)際日光分布估計(jì)過(guò)程中,引入*小二乘算法,將待辨識(shí)參數(shù)推理過(guò)程,描述為*優(yōu)解計(jì)算問(wèn)題。以*小化誤差平方值為目標(biāo)進(jìn)行*小二乘不斷搜索,從眾多匹配的待辨識(shí)參數(shù)函數(shù)中篩選出*佳數(shù)據(jù),式為:
式中,T為轉(zhuǎn)置矩陣。大型公共建筑日光分布估計(jì)的具體操作。在訓(xùn)練分析環(huán)節(jié),通過(guò)天花板、工作面上的傳感器設(shè)備,采集日光映射強(qiáng)度數(shù)據(jù),將其作為日光估計(jì)訓(xùn)練所需的數(shù)據(jù),構(gòu)建日光估計(jì)模型[8]。
1.2選取建筑照明設(shè)備的能耗模式
根據(jù)日光分布估計(jì)結(jié)果選取照明設(shè)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(gòu)建一個(gè)照明設(shè)備能耗模型。結(jié)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(tǒng)一計(jì)算,*終匹配出一個(gè)*佳室內(nèi)智能照明模式。依托式(3)進(jìn)行計(jì)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(nèi)照明裝置總數(shù)量,?為智能照明通信網(wǎng)絡(luò)控制范圍,E為室內(nèi)照明區(qū)域總面積。在得到所有裝置對(duì)應(yīng)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(jì)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(shù)。
式中,C為光照條件參數(shù),L為條件參數(shù)。在通信網(wǎng)絡(luò)的輔助下,將上述計(jì)算的光照條件參數(shù)傳達(dá)給控制*心,為綠色節(jié)能視域下大型公共建筑智能照明設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),與日光分布估計(jì)結(jié)果表現(xiàn)出的當(dāng)前建筑自然光照條件相結(jié)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(qiáng)的時(shí)段,大型公共建筑內(nèi)部映射的自然光,就可以滿足室內(nèi)正常照明需求,不需要再打開(kāi)照明裝置,從根本上達(dá)到節(jié)省電能的效果。而在日光不充足的時(shí)刻,則需要對(duì)室內(nèi)光線進(jìn)行補(bǔ)充!1,根據(jù)實(shí)時(shí)亮度變化調(diào)整為低、中、高亮度照明模式,滿足大型建筑照明要求。
1.3實(shí)現(xiàn)室內(nèi)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(qū)位置、燈具與工作面的距離,建立光通函數(shù)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(zhí)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(tǒng)服務(wù)器,導(dǎo)人照明能耗模式,自動(dòng)轉(zhuǎn)為控制命令,以調(diào)整大型建筑室內(nèi)燈具的亮度,解決自適應(yīng)智能照明問(wèn)題。
以天花板上安裝數(shù)個(gè)照明燈具的室內(nèi)環(huán)境為例,在該室內(nèi)工作區(qū)臺(tái)面上需要布置無(wú)線智能設(shè)備,利用無(wú)線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(diào)光系數(shù)。假設(shè)每個(gè)大型公共建筑室內(nèi)燈具的光線調(diào)整都是線性調(diào)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(diào)光水平二者之間表現(xiàn)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(diào)光系數(shù)向量和其他設(shè)備功耗之和,其表達(dá)式為:
式中,J為燈具總功耗,S為智能照明控制系統(tǒng)開(kāi)銷功耗,u為燈具調(diào)光系數(shù)向量,p為區(qū)域內(nèi)燈具數(shù)量,i為燈具編號(hào),"表示單個(gè)燈具功耗。依靠智能照明控制系統(tǒng),在考慮日光光照強(qiáng)度的情況下完成大型公共建筑智能照明設(shè)計(jì),確保建筑照明滿足綠色節(jié)能要求。
2試驗(yàn)
2.1試驗(yàn)環(huán)境
為評(píng)估大型公共建筑智能照明設(shè)計(jì)方法的效果,選擇沈陽(yáng)市某高層大廈作為應(yīng)用對(duì)象。該大廈位于沈河區(qū)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(guó)際商業(yè)于一體,是沈陽(yáng)的知*商務(wù)*心。針對(duì)大廈目前照明設(shè)施進(jìn)行調(diào)查可知,其內(nèi)部存在格柵熒光燈、節(jié)能筒燈、吸頂燈、藝術(shù)吊燈、白熾燈等多種照明燈具,根據(jù)不同場(chǎng)合的照明需求安裝不同燈具。建筑內(nèi)每一類照明設(shè)備的具體數(shù)量和功率,如表1所示。從表1看出,該建筑內(nèi)應(yīng)用*為廣泛的還是格柵熒光燈、節(jié)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(shè)計(jì)測(cè)試,該層內(nèi)燈具布置情況
如圖1所示。
除了新研究出的智能照明設(shè)計(jì)方法外,本次實(shí)驗(yàn)還應(yīng)用了文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]給出方法,在所提方法之后對(duì)同一樓層進(jìn)行智能照明設(shè)計(jì)。對(duì)比三種方法實(shí)施效果,以便直觀體現(xiàn)所提方法優(yōu)*性。
2.2智能照明結(jié)果
由于新方法在對(duì)室內(nèi)燈具亮度進(jìn)行智能調(diào)節(jié)時(shí)考慮日光帶來(lái)的影響,在建筑智能照明設(shè)計(jì)過(guò)程中,先獲取不同時(shí)刻每個(gè)燈具所在工作區(qū)的室外日光分布估計(jì)值,得到圖2統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
根據(jù)圖2可知,由于工作區(qū)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(qū)的照度明顯高于其他工作區(qū)。同時(shí),隨著時(shí)間變化工作區(qū)內(nèi)照度也會(huì)出現(xiàn)明顯改變,14:00左右屬于一天中日光*強(qiáng)烈的時(shí)刻,該時(shí)段建筑室內(nèi)工作區(qū)照度也相對(duì)更高。在上述環(huán)境中,設(shè)計(jì)所有工作區(qū)用戶的期望照度為300lux。當(dāng)自然光滿足該照度,則不需開(kāi)燈;反之需調(diào)整燈具亮度。實(shí)施智能照明設(shè)計(jì)后,將實(shí)際照度與期望照度繪制成圖3。
圖3看出,建筑內(nèi)燈具智能照明調(diào)節(jié)后,各工作區(qū)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(jié)能視域下新型智能照明設(shè)計(jì)方法是可行的。
2.3智能照明設(shè)計(jì)節(jié)能分析
在新研究智能照明設(shè)計(jì)方法實(shí)施一周后,在相同樓層應(yīng)用另外兩種文獻(xiàn)提出方法重新進(jìn)行智能照明設(shè)計(jì),每種設(shè)計(jì)方案的實(shí)驗(yàn)周期也是一周,統(tǒng)計(jì)不同方法應(yīng)用后每日室內(nèi)照明消耗電能變化情況,生成圖4所示的對(duì)比結(jié)果。
從圖4看出,新研究智能照明設(shè)計(jì)方法應(yīng)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(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境調(diào)整照明參數(shù),實(shí)現(xiàn)能源的準(zhǔn)確控制。
3安科瑞智能照明控制系統(tǒng)
3.1概述
ALIBUS智能照明產(chǎn)品采用RS485總線技術(shù),技術(shù)成熟可靠,安全穩(wěn)定。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器具備獨(dú)立工作的能力,適用于一些中小型的項(xiàng)目;模塊化設(shè)計(jì),可以任意拼接擴(kuò)展,同時(shí)預(yù)留I/O口以及Modbus接口,還可以滿足與AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
3.2應(yīng)用場(chǎng)所
適合于各類智能小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校、酒店,以及體育場(chǎng)所、機(jī)場(chǎng)、隧道、車站等大型公建項(xiàng)目的照明控制需求。
3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3.4系統(tǒng)功能
1)實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示各個(gè)模塊的在線狀態(tài),反饋現(xiàn)場(chǎng)受控回路的開(kāi)關(guān)狀態(tài),監(jiān)控界面按照樓層各分區(qū)的布局和回路列表來(lái)瀏覽。
2)當(dāng)發(fā)生模塊離線、網(wǎng)關(guān)設(shè)備掉線或者狀態(tài)反饋和下發(fā)控制命令不一致時(shí)會(huì)發(fā)生故障報(bào)警,并將故障報(bào)警信息記錄并顯示在界面中。
3)可以對(duì)單個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制;每個(gè)模塊、樓層都有相應(yīng)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(xiàn)開(kāi)關(guān)控制。
4)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器支持過(guò)零觸發(fā)功能,負(fù)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(duì)電網(wǎng)的沖擊,延長(zhǎng)燈具與控制裝置的壽命。
5)對(duì)每個(gè)照明回路可以預(yù)設(shè)掉電狀態(tài),當(dāng)照明電源掉電時(shí),開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)切換到預(yù)設(shè)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(diào)光控件,照明設(shè)備從0%到100%進(jìn)行調(diào)光,可以對(duì)單個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制,調(diào)光總控可以對(duì)一個(gè)模塊的照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制,也可以對(duì)多個(gè)照明回路實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制,通過(guò)圖標(biāo)的亮滅狀態(tài)反饋現(xiàn)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(duì)應(yīng)場(chǎng)景設(shè)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(biāo)的亮滅顯示對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景狀態(tài)是打開(kāi)還是關(guān)閉。
8)設(shè)置定時(shí)時(shí)間,確認(rèn)時(shí)間點(diǎn)后,對(duì)該事件點(diǎn)執(zhí)行的動(dòng)作進(jìn)行設(shè)置,設(shè)置燈在設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)亮或者滅。
9)系統(tǒng)可以通過(guò)預(yù)設(shè)的當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度信息,自動(dòng)計(jì)算每天的日升日落時(shí)間;根據(jù)天文時(shí)鐘控制照明開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)日落開(kāi)燈、日出關(guān)燈的功能。
10)所有定時(shí)控制計(jì)劃均可下發(fā)保存至驅(qū)動(dòng)模塊;當(dāng)上位機(jī)系統(tǒng)故障或模塊離線時(shí),驅(qū)動(dòng)模塊可以利用自帶的RTC時(shí)鐘維持定時(shí)控制計(jì)劃的正常執(zhí)行,不影響日常的照明控制效果。
11)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是分布式總線結(jié)構(gòu);系統(tǒng)內(nèi)各元件不依賴于其他元件而能夠獨(dú)立工作;系統(tǒng)內(nèi)各元件可以通過(guò)程序的設(shè)定實(shí)現(xiàn)功能的多樣性。
12)預(yù)留BA或*三方集成平臺(tái)接口,采用modbus、opc等方式。
3.5設(shè)備選型
名稱 | 型號(hào) | 功能 | 備注 | ||
安科瑞智能照明控制系統(tǒng) | ALIBUS | 可通過(guò)控制面板、人體感應(yīng)、照度感應(yīng)、微波感應(yīng)、上位機(jī)系統(tǒng)、觸摸屏、手機(jī)、平板端等多種控制終端實(shí)現(xiàn)靈活多樣的智能化控制 |
| ||
名稱 | 型號(hào) | 上行 | 下行 | 外形尺寸 | 備注 |
智能通信管理機(jī) | Anet-1E1S1 | 1路以太網(wǎng) | 1路RS485 | 140*90*50 |
|
智能通信管理機(jī) | Anet-1E2S1 | 1路以太網(wǎng) | 1路RS485 | 140*90*50 |
|
智能通信管理機(jī) | Anet-2E4S1 | 2路以太網(wǎng) | 4路RS485 | 168*113*54 |
|
智能通信管理機(jī) | Anet-2E8S1 | 2路以太網(wǎng) | 8路RS485 | 168*113*54 |
|
名稱 | 型號(hào) | 負(fù)載電流 | 安裝方式 | 外形尺寸 | 備注 |
4路開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器 | ASL220Z-S4/16 | 16A | 導(dǎo)軌式 | 144*90*70 | 1.控制火線 2.每回路額定電流16A 3.磁保持繼電器 4.延時(shí)控制 5.電流檢測(cè) 6.定時(shí)控制 |
8路開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器 | AS220Z-S8/16 | 16A | 導(dǎo)軌式 | 216*90*70 | 1.控制火線 2.每回路額定電流16A 3.磁保持繼電器 4.延時(shí)控制 5.電流檢測(cè) 6.定時(shí)控制 |
12路開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器 | ASL220Z-S12/16 | 16A | 導(dǎo)軌式 | 288*90*70 | 1.控制火線 2.每回路額定電流16A 3.磁保持繼電器 4.延時(shí)控制 5.電流檢測(cè) 6.定時(shí)控制 |
16路開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器 | ASL220Z-S16/16 | 16A | 導(dǎo)軌式 | 360*90*70 | 1.控制火線 2.每回路額定電流16A 3.磁保持繼電器 4.延時(shí)控制 5.電流檢測(cè) 6.定時(shí)控制 |
8路調(diào)光驅(qū)動(dòng)器 | ASL220Z-SD8/16 | 16A | 導(dǎo)軌式 | 360*90*70 | 1.控制火線 2.每回路額定電流16A 3.磁保持繼電器 4.延時(shí)控制 5.0-10V調(diào)光 |
名稱 | 型號(hào) | 性能 | 安裝方式 | 外形尺寸 | 備注 |
紅外感應(yīng)傳感器 | ASL220-PM/T | 3-5m 120° | 嵌入式吸頂 | φ80 | 開(kāi)孔55mm |
微波感應(yīng)傳感器 | ASL220-RM/T | 5-7m 120° | 嵌入式吸頂 | φ80 | 開(kāi)孔55mm |
微動(dòng)感應(yīng)傳感器 | ASL220-PR/T | 5-7m 120° | 嵌入式吸頂 | φ80 | 開(kāi)孔55mm |
IP網(wǎng)關(guān) | ASL200-485-IP | ALIBUSnet/IP | 導(dǎo)軌式 | 14*28*39 | 系統(tǒng)組網(wǎng)元件 監(jiān)控軟件接口設(shè)備 |
1聯(lián)2鍵智能面板 | ASL220-F1/2 | 2組控制指令 | 86盒 | 86*24*86 | 開(kāi)關(guān) 調(diào)光 場(chǎng)景 |
2聯(lián)4鍵智能面板 | ASL220-F2/4 | 4組控制指令 | 86盒 | 86*24*86 | |
3聯(lián)6鍵智能面板 | ASL220-F3/6 | 6組控制指令 | 86盒 | 86*24*86 | |
4聯(lián)8鍵智能面板 | ASL220-F4/8 | 8組控制指令 | 86盒 | 86*24*86 |
4結(jié)束語(yǔ)
在綠色節(jié)能視域下,大型公共建筑的智能照明設(shè)計(jì)研究至關(guān)重要。通過(guò)智能化的控制和管理,能夠?qū)崿F(xiàn)照明的有效利用,減少能源的浪費(fèi)。本次充分考慮日光以及季節(jié)變化對(duì)照明需求,完成大型公共建筑智能照明設(shè)計(jì),得出結(jié)論如下:
(1) 應(yīng)用所提技術(shù),各工作區(qū)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(shè)計(jì)應(yīng)用后,日均照明消耗電能為5.4kw·h,可明顯減少能源浪費(fèi)。
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