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采光的用途和环境影响
Frank Sharp, Doug Lindsey, Jeff Dols, Josh Coker
摘要
随着人口的增长和有限的自然资源，开发和实施节能解决方案以满足社会需求，同时又不影响未来的可持续性是至关重要的。 LEED（能源与环境设计领导力）认证旨在促进高效产品的选择和使用。在LEED内部，重点关注的是节能照明和采光的使用（在室内照明应用中使用自然阳光）。
采光是照明行业中一个重要的研究领域，也是那些寻求LEED认证的人们最感兴趣的领域之一。如果设计和实施得当，采光可以为室内空间提供环境适宜的照明。一旦安装了采光系统，就不会产生持续的影响，因为在产品的整个生命周期中，没有污染，没有资源的维护，没有能源的消耗以及几乎不需要的灯具维护。
市场上有各种各样的采光设计，但是关于如何最好地利用它们的信息是有限的。如果采光利用不当，可能会导致照明效率低下，并致使消费者不满意。无效的采光设计可能会导致用户恢复使用对环境造成负担更大的照明解决方案。另外，日光照明的无效实施会给高效照明带来负面影响。
本文评估了各种采光系统的设计和实现。讨论了三种主要设计：天窗，太阳能集中器和管状日光照明设备。每个设计都有独特的用途和局限性。本文是帮助理解和选择采光技术的一个简要指南。
关键词：采光，天窗，管状采光设备，太阳能收集器和聚光器，符合LEED，绿色建筑
- 引言
照明工程协会定义的日光照明，“指的是将光束日光，漫射天窗和反射光从外表面入射到建筑物中的技术和实践，以通过使用电子照明控件来满足照明要求和节能” （IESRP-5-13，2013年）。 纵观整个历史，在内部空间中传递和利用光线的能力对于人类的进步以及人们生活方式和工作条件的改善至关重要。 很难想象没有室内照明的现代社会。 实际上，在户外变化的环境条件下，我们的许多日常工作将极为不便或难以完成。正确使用的室内照明使人们可以安全有效地完成一系列任务，而不管一天中的时间或外部条件如何。
由于室内照明在社会中的重要性，因此正确使用和应用光是一个需要更多关注和研究的领域。纵观整个历史，在日落之后将光传递到内部空间或完成照明任务的手段很少。电力照明产品最早是在1800年代后期生产的，该技术是迅速扩展的主题。在1900年代初期，电照明的使用迅速扩展，导致这些产品变得更加负担得起，更可靠并且越来越流行。这就允许在室内空间使用电照明，这为当今的气体照明提供了一种流行的替代方法。然而，为了方便起见，有时忽略了对电照明的正确利用的关注。这种简化的方法常常忽略了在电子照明应用中存在的关键问题。如今，随着照明技术和选择比以往更多，每种应用都应进行单独研究和评估。照明不再是可以在所有应用范围内普遍采用一种解决方案的领域。但是，由于现代照明设备的复杂性，对其进一步研究以找到适合给定应用的正确技术面临着自身的挑战。
正如研究过照明设计和应用的任何人所证明的那样，在一个空间中或为特定任务提供足够的照明可能会很复杂。 尽管许多应用程序都有相似之处，但每种环境都有独特的需求或挑战。 一些挑战可能包括空间的大小或高度，占用者的需求，预算，维护方面的考虑，使用自然光，建筑物布线等。 当人类的个人喜好介入时，处理空间的这些独特组成部分将变得更加复杂。 有些人喜欢或多或少的光线，特定的色温（CCT）或显色指数（CRI）。 这些在灯具，固定装置和相关的照明技术之间差异很大。 这些相互竞争的利益意味着，任何照明项目都可能成为所涉及实体（建筑物所有者，设施管理，雇主/企业代理，照明设计师和照明消费者/最终用户）之间的战斗。
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- 对电子照明的担忧
如今，所有电气负载都受到严格审查，以验证功率消耗与功率使用之间的适当平衡。随着自然资源的限制和新技术的进步，减少能源使用已成为当务之急。在过去的几十年中，照明消耗的功率并不是主要问题，因为照明被认为是必需的，并且没有其他替代选择。尽管电照明继续提供许多优点和好处，但照明是大量用电的事实已成为一个主要问题。加利福尼亚州制定了一项照明计划，到2020年将电子照明的能耗降低60％至80％（Papamichael，2013年）。
除了减少照明的功耗外，还需要解决和研究电气照明的其他组件。其中包括光照水平，光谱以及人造照明对人类的影响。在许多应用中，居民可能会接受效率低下或生产效率低下的照明环境，因为他们没有意识到可以改善它，或者他们不知道如何改善它。以下各节将提供有关每个问题的更多信息。
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- 能量消耗
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在商业应用中，照明可以占每月功耗的30％或更多（美国能源部，2012年）。在住宅内，照明通常是每月负载的8-10％。这个住宅百分比似乎并不重要，但是当考虑到美国的房屋数量时，住宅照明负荷是全国电力消耗的很大一部分。从整体上看，照明约占18-23％。由于负载很大，照明是可以节省大量能源的领域。
近年来，电子照明技术已经取得了很大的进步，以提供传统照明技术的高效替代品。紧凑型荧光灯（EPRI，2003a，2003b，2007），发光二极管灯（EPRI，2011、2012a，2013），低消耗卤素灯（EPRI，2012b）和2倍白炽灯（EPRI，2012c）为消费者提供了减少照明用电的方法。这些技术比标准的白炽灯技术要有效得多，但是它们仍然消耗一些功率。采光，将自然光用于室内应用，通过将已经存在的室外光重定向到室内应用，在高峰时段提供了更大的机会来节省功率并减少负荷。购买和安装后，许多采光设计完全脱离了电网，因此，任何交付的照明灯都可以节省金钱。为了进一步减少照明消耗的能量，应认真考虑采用日光照明作为主要光源或至少是光辅助设备。
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- 灯光水平
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过度照明与不足照明问题一样大。 OSHA 1926.56（OSHA 2008）要求办公室使用至少30英尺烛光，机电设备房中使用至少10英尺烛光，而仓库，走廊和走廊中至少使用5英尺烛光。尽管这些最低水平是众所周知的并已确定，但是找到具有最低法定限额两倍至三倍的办事处的情况并不少见。在机房，走廊，走廊和仓库中也是如此。
当光线水平降低到适当的水平时，这些过度照明的空间可导致节电。许多测试表明，如果在不知情的情况下进行更改，或者在一段时间内（例如，每几分钟增加百分之一），照明的调光是否缓慢发生，大多数员工不会注意到办公室内的照明水平降低。当然，随着光线水平的降低，至关重要的是要保持一个安全且适合该空间工作的光线水平。还必须考虑将要占用空间的人们的年龄。例如，老年工人由于眼睛老化而可能需要更多的光（DiLaura等，2011）。在某些情况下，由于不正确的照明而导致一小时的生产力或生产损失，可能会抵消减少的照明消耗一年节省的电力。
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- 光谱
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许多人在照明空间时都开始考虑使用人工照明的光谱。尽管通常被忽略，但这是在空间内建立并保持适当照明的关键特征。太阳发出的光谱很广，为大多数人提供了足够的波长以感知大多数颜色。因此，将来自太阳的光定义为具有100的显色指数（CRI），这是光源可以实现的最大值，并且CCT约为5000 K（DiLaura等，2011）。随着光源的CRI降低，人眼更加难以准确识别光源所照亮的颜色。低CRI光源的一个示例是高压钠（HPS）路灯。在橙色光下，无论光源有多亮，都很难识别颜色。
除了可见光之外，太阳还发射紫外线（UV）和红外（IR）辐射。下图说明了太阳辐射的光谱以及太阳可见光的相对强度。
就相对强度而言，日光为人眼提供了最一致和最完整的颜色光谱。相比之下，下面可以看到在能源部（DOE）的商用LED产品评估和报告（CALiPER）程序和代表性的荧光灯中评估的各种LED的光谱。从图3可以看出，高效电子灯产生某些波长的光，但不能提供与太阳光发射强度相同的全光谱光（图1和2）。
自从1960年代首次提出该术语以来，就一直在争论全光谱照明的重要性。全谱灯被出售作为产生模仿日光的光的灯。多年来，各种各样的研究人员和照明制造商对全光谱照明的潜在好处提出了许多主张，但始终最好根据具体应用来研究每种产品并提出主张。
除了光谱之外，还必须解决人眼感知到的光谱部分。人眼感知到的可见光可以大致分为三个部分：明视，暗视和中视。可见光是在白天或房间光线充足的条件下，您的眼睛可以感知到的光。暗光是在夜间或昏暗的房间等昏暗环境下人眼所能感知的光。人类视觉的第三个更狭窄的部分称为中视视觉。这是在高光和低光之间（黄昏）时眼睛看到的视觉部分。
图1 自然阳光的波长 图2 自然阳光的可见波长
图3 CALIPER LED 和荧光灯输出
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- 缺乏视野
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分析室内照明时要考虑的另一个问题是，人们在建筑物内看到外部环境会获得心理上的好处。人们自然希望知道建筑物墙壁或房屋外的情况。研究表明，工人的生产率随着户外视野的增加而增加，其普遍原因是工作人员的心情更好（Edwardsand Torcellini，2002年）。出于工作人员快乐和额外采光的原因，窗户或通往室外的视觉通道是建筑物设计的重要特征。由于人造照明无法提供这些好处，因此采光对于维持空间内乘员的健康很重要。
照明的心理方面与适当的光照水平，适当的光谱以及适当的明暗特性相结合，共同促进人类在室内空间中充分有效地发挥作用。虽然改善色彩特征和使用电子照明设备可以帮助实现这些目标，但日光照明是改善照明能耗，全光谱和户外视野的最直接，最有效的方法。
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- LEED认证和室内照明
室内电气照明在很大程度上是试图复制太阳自然光的特征和成分。最近，电照明的传统用途和性质导致室内照明的开发和利用发生了一些根本性的变化。已成为焦点的两个关键思想是控制照明负载的可调光度，以减少使用量（同时仍保持适当的照明水平），以及在建筑设计中使用日光以利用室内空间的自然光。这两个重点都包含在建筑物的LEED认证中，并将在以下部分中详细说明。
LEED认证旨在鼓励建筑物和社区中的节能，无污染和可再生设计。在照明设计中使用LEED准则（USGBC，2013b）已导致减少空间中使用的照明量和电照明消耗的电量。 LEED有关新建建筑的一些准则包括电灯的可控性，75％或更多经常使用空间中使用的日光以及90％经常使用空间的外部视图（USGBC，2009年）。这些准则有助于推动建筑管理者为所有照明装置增加照明级别控制，然后允许用户在需要时调暗或关闭照明灯。大多数空间中都包含日光和景观，这也有助于减少阳光普照时电照明所消耗的功率。这些只是有助于LEED认证的两个照明要求，尽管还有许多其他要求，但可以清楚地看到减少结构对环境的影响的新重点。
- 采光系统的类型
采光可以简单地定义为将自然光引入室内空间。通过日光照明设备传递和利用的任何自然光都是不需要通过电照明产生的光。结果，减少了照明内部空间所需的总电力。反过来，这有助于总体上减少全国照明所需的能源。全国范围内的能源减少将因此减少通过发电产生的环境污染。成功的采光必须避免窗户和阳光直射的常见问题，这意味着它们必须禁止或减少眩光，并且必须减少任何热不适感。在晴天，阳光直射可以在中午产生高达100,000 lux的照度（IESRP-5-13，2013）。
当前可用的技术提供了多种美学和设计。用于将光线传递到内部空间的采光系统可分为三大类：天窗，管状采光设备（或光导管）以及太阳能收集器和太阳能集中器（EPRI，2012a）。这些开窗（建筑物围护结构的开口）中的每一种都提供了设计选项，可以在空间的室内照明设计中实现多种效果。除了这三种类型的设备外，还有其他设备充当主动或被动控制机制以提供某种形式的用户控制。这些设备中的一些包括百叶窗或其他遮光系统，玻璃和双层皮肤外墙，以及其他开窗支撑和缓解设备。
2.1 天窗
天窗照明已经是一种常见的开窗方法，用于将日光引入室内空间。 这些设备用于住宅，商业和工业应用。 天窗至少由三个组件组成：带框架的玻璃表面，路缘石或障碍墙，以及一个允许光线通过屋顶和天花板的井。 一些天窗在光阱的底部提供半透明表面或扩散透镜，以通过在条件空间和外部环境之间创建额外的屏障来减少天窗的热影响。
2.1.1 主动天窗
天窗有两种主要类型：主动和被动。主动式天窗包含活动部件，例如百叶窗，反射镜，镜子或其他机械设备，以帮助或修改自然光进入室内的传递路径。这些设备还可以具有跟踪太阳方位角的方法。有时，这种太阳跟踪是通过使用太阳能全球定位系统（GPS）来实现的。不管使用哪种跟踪方法，这些方位跟踪组件通常利用小型太阳能电机来定位上述机械元件，以最大程度地传输阳光。主动天窗还可以提供减少或消除允许进入空间的自然光量的功能。当与可调节电气和/或日光组件以维持空间内确定的光线水平的光线水平传感器配对使用时，此功能将非常有用。如果需要为演示，会议或视频使用的空间变暗，这种控件还允许用户“关闭”日光。
除了影响空间内的照明水平以外，通过控制主动天窗来减轻和增强采光可以帮助限制空间内采光的热影响。使用温度传感器或手动控制，可以增加或减少活动天窗透射的光量，以维持所需的热量水平。通过在高热传递点“切断”天窗，可以利用这种控制来减少天窗的热影响。这可以帮助减少HVAC系统的使用。相反，在室内温度较低的
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