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探討綠色節(jié)能視域下大型公共建筑智能照明設計研究

更新時間:2024-11-07      瀏覽次數:6

【摘要】:大型公共建筑的照明系統(tǒng)通常是根據用戶需求來設計的,其容易忽略日光以及季節(jié)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(jié)能視角下對大型公共建筑的智能照明系統(tǒng)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,了綠色節(jié)能的要求。

【關鍵字】:綠色節(jié)能;公共建筑;日光估計;動態(tài)控制;智能照明

0引言

綠色節(jié)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(huán)境的負面影響,實現可持續(xù)發(fā)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(jié)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(jié)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(tǒng),該系統(tǒng)通過智能追蹤系統(tǒng)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(jié)點,自動開啟照明設備,以減少能源浪費。但該系統(tǒng)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(tài)控制策略,通過實驗觀察照明區(qū)域能見度變化規(guī)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(huán)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(jié)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(huán)保事業(yè)作出貢獻。

1綠色節(jié)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(jié)能要求,充分考慮日光對建筑室內光環(huán)境質量的影響,在不影響室內理想光環(huán)境的基礎上,動態(tài)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(yōu)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(huán)節(jié),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(tǒng)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,?為智能照明通信網絡控制范圍,E為室內照明區(qū)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(jié)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(jié)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(qū)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(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(huán)境為例,在該室內工作區(qū)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(fā)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(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(tǒng)開銷功耗,u為燈具調光系數向量,p為區(qū)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(tǒng),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(jié)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,選擇沈陽市某高層大廈作為應用對象。該大廈位于沈河區(qū)青年大街,建筑面積33000m2,共22層,每層1500m2。該建筑集商務辦公、文化展示和國際商業(yè)于一體,是沈陽的商務*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(jié)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(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。

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(jié)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(qū)的室外日光分布估計值,得到圖2統(tǒng)計結果。

根據圖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,隨著時間變化工作區(qū)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(qū)照度也相對更高。在上述環(huán)境中,設計所有工作區(qū)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(jié)后,各工作區(qū)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(jié)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(jié)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(tǒng)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(huán)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(tǒng)

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(wěn)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(yè)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(qū)、醫(yī)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(tǒng)結構

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3.4系統(tǒng)功能

1)實時檢測并顯示各個模塊的在線狀態(tài),反饋現場受控回路的開關狀態(tài),監(jiān)控界面按照樓層各分區(qū)的布局和回路列表來瀏覽。

2)當發(fā)生模塊離線、網關設備掉線或者狀態(tài)反饋和下發(fā)控制命令不一致時會發(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(fā)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(tài),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(tài);確保重新上電時燈具的開關狀態(tài)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(tài)反饋現場開關的狀態(tài)。

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(tài)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(zhí)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(tǒng)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(fā)保存至驅動模塊;當上位機系統(tǒng)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(zhí)行,不影響日常的照明控制效果。

11)系統(tǒng)結構是分布式總線結構;系統(tǒng)內各元件不依賴于其他元件而能夠獨立工作;系統(tǒng)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

名稱

型號

功能

備注

安科瑞智能照明控制系統(tǒng)

ALIBUS

可通過控制面板、人體感應、照度感應、微波感應、上位機系統(tǒng)、觸摸屏、手機、平板端等多種控制終端實現靈活多樣的智能化控制


名稱

型號

上行

下行

外形尺寸

備注

智能通信管理機

Anet-1E1S1

1路以太網

1路RS485

140*90*50


智能通信管理機

Anet-1E2S1

1路以太網

1路RS485

140*90*50


智能通信管理機

Anet-2E4S1

2路以太網

4路RS485

168*113*54


智能通信管理機

Anet-2E8S1

2路以太網

8路RS485

168*113*54


名稱

型號

負載電流

安裝方式

外形尺寸

備注

4路開關驅動器

ASL220Z-S4/16

16A

導軌式

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.延時控制

5.電流檢測

6.定時控制

8路開關驅動器

AS220Z-S8/16

16A

導軌式

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.延時控制

5.電流檢測

6.定時控制

12路開關驅動器

ASL220Z-S12/16

16A

導軌式

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.延時控制

5.電流檢測

6.定時控制

16路開關驅動器

ASL220Z-S16/16

16A

導軌式

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.延時控制

5.電流檢測

6.定時控制

8路調光驅動器

ASL220Z-SD8/16

16A

導軌式

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.延時控制

5.0-10V調光

名稱

型號

性能

安裝方式

外形尺寸

備注

紅外感應傳感器

ASL220-PM/T

3-5m

120°

嵌入式吸頂

φ80

開孔55mm

微波感應傳感器

ASL220-RM/T

5-7m

120°

嵌入式吸頂

φ80

開孔55mm

微動感應傳感器

ASL220-PR/T

5-7m

120°

嵌入式吸頂

φ80

開孔55mm

IP網關

ASL200-485-IP

ALIBUSnet/IP

導軌式

14*28*39

系統(tǒng)組網元件

監(jiān)控軟件接口設備

1聯2鍵智能面板

ASL220-F1/2

2組控制指令

86盒

86*24*86

開關

調光

場景

2聯4鍵智能面板

ASL220-F2/4

4組控制指令

86盒

86*24*86

3聯6鍵智能面板

ASL220-F3/6

6組控制指令

86盒

86*24*86

4聯8鍵智能面板

ASL220-F4/8

8組控制指令

86盒

86*24*86

4結束語

在綠色節(jié)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(jié)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(qū)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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