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一种简化的方法来估计人工照明使用的采光节能
摘要
本文提供了一种简化的分析方法来评估采光的潜力，以节省与电力相关的使用照明的能量。特别地，在美国的四个地理位置调查了影响采光性能的几种组合的建筑几何，窗口开口尺寸和玻璃类型。已经分析了与各种窗户到地板区域，以及不同的玻璃类型的有关的四种建筑几何。已确定对于大多数玻璃透射率值高于0.5，窗户面积与地板面积比增加到0.5以上的商业建筑物，采光不能提供显着额外的照明能量节省。在窗口透射率和全年的照明减少的窗口区域之间已经建立了直接的关系。提出了一种模型，用于估计给定周边面积，窗口面积的照明节能量和窗口类型。 使用建筑能量模拟的结果来证明模型的预测的验证以及验证实验数据。Elsevier有限公司2004年发布
1.引言
美国的商业建筑消费超过国家一次能源的三分之一。人工照明估计占该能量消耗的25-40％。在过去三十年里，已考虑采取若干措施减少与人工照明相关的电力使用。使用紧凑型荧光灯，安装占用传感器，以及更好的设计策略来最小化使用的固定装置的数量这是通常被采用的有效利用能量的措施。这些措施可以为新的和改造过的建筑取得大量的能源和成本节约。虽然有益，这些措施需要不断使用人工照明来照亮建筑物。
作为人工照明的替代，日光提供与人类视觉反应最紧密匹配的照明源，并提供更愉快和有吸引力的室内环境。据报道，采光在学校中提高了学生的表现和健康。最近，建筑师和建筑设计师越来越对将采光作为减少建筑物能源使用的一种手段感兴趣。大多数商业设施经营在白天，使他们能够利用丰富的自然光源。
然而，调查显示采光战略不常被纳入商业建筑物。例如，只有10％的美国商业建筑物有一些采光计划然而几乎50％的建筑都配备了能源高效灯和镇流器。简化评估工具的缺乏，提供采光的适宜性信息和保存能量的潜在的能力，被认为是一个建筑专业人员不愿融入采光功能在他们的设计主要原因。
几个详细的模拟工具可用评估采光的好处，如ADELINE和SUPERLITE。但是，这些模拟工具需要冗长的输入过程并且太耗时而不能被大多数建筑师和设计师使用。已经开发了一些模型来预测不同的开窗设计节省能量。这些模型需要几个计算步骤并且具体到一个地点或一个气候带。本文提出了一个简化分析方法，可作为办公楼预设评估采光潜力的工具，以此节省与人工照明相关的用电量。此外，本文提出了分析的结果，它提供了建筑周边，地板面积，玻璃，窗口面积，及其对人工照明能源使用的影响之间有用的见解之间的关系。这些参数的被用来考察美国各城市具有不同的气候条件的原因。DOE-2.1E是一个整体建筑模拟工具，用于确定日光对典型办公楼照明用电的影响。首先，描述建模方法。然后，讨论了一系列参数分析的选定结果。最后，通过验证和验证分析的结果，提供了一个用于估计日光节能的简化工具的开发。
2.建模描述
分析基于一个典型的三层楼40,000平方英尺的具有各种几何形状的办公大楼。应该注意的是，本文提出的研究仅专注于人工照明的节能，并没有解决对加热和冷却系统的影响。为了简化以后的讨论，定义了以下建筑参数：
Af 建筑物的总建筑面积。
Ap 总周边楼面面积基于办公室的深度为12英尺（3.7米）。
Aw ---- 建筑物的总窗户玻璃面积。
2.1 建筑模型
选择了四种建筑模型用于分析。典型的三层40000ft2(3716m2)的办公建筑被考虑具有四种不同的几何形状。第一个模型考虑了一个正方形建筑物，而其他三个模型在北面和南面正面有增加的暴露，同时保持面积不变。图1提供了在分析中考虑建筑模型的画像。办公楼的典型密度和时间表用于模拟占用，照明和设备。
图1 在分析中考虑建筑几何
2.2 底纹
着色是模型的一个困难的属性。个人偏好效果占用者部署阴影策略。对于这种分析，内部可移动遮光罩被结合最大眩光值22和最大太阳热增益30Btu/ft2-h(95W/m2)。如果超过这些阈值中的任一个，则使用阴影。
2.3 人工照明
嵌入式荧光灯是用来代表标准的商业设施。我们选择只使用一个典型的办公室照明时间表（通讯员8:00至下午6:00入住），使分析可重复和连贯。
2.4 采光
采光是为建筑的北部，东部，西部和南部的办公室建模的。选择的办公室尺寸为12.5英尺（3.8米）宽，12英尺（3.7米）深，9英尺（2.7米）从地板到天花板。将单个日光控制传感器放置在房间的中心，即距外壁8英尺（2.4m）处。 选择连续调光作为采用最小50fc（500lx）的日光控制的方法
3.参数分析
本文提出的分析包括各种类型的现代商业建筑。 不同的几何形状允许对具有各种周边区域和地板面积的建筑物进行表征。 窗 - 壁面积比设置为从0（无开口）至1（釉面壁）。由于窗口的广泛选择，选择和分析了具有不同透光率的四种不同的玻璃类型。 目的是获得宽范围的透射率值，以获得可用产品的广泛表示。
评估不同的地理位置以确定与天气和纬度变化相关的相对差异。所选的四个城市是亚特兰大，芝加哥，菲尼克斯和丹佛。 芝加哥和亚特兰大比两个西方城市多云，处于不同的纬度。 菲尼克斯和丹佛都接收相对大量的太阳，也在不同的纬度。
不同的玻璃类型和窗口区域被结合四个几何形状和四个地理位置被建模。 表1列出了参数分析中使用的窗口区域和玻璃类型。
表1
在参数分析中使用的窗口透射率和Aw / Ap和Ap / Aw比率的范围
|
上釉 |
标签 |
可见光透射率 |
窗户与周边楼面面积的比率（Law / Ab） |
周长与总面积比（Ap / Af） |
|
无色 |
釉1 |
0.781 |
0–0.7 |
0.23–0.96 |
|
蓝色 |
釉2 |
0.505 |
0–0.7 |
0.23–0.96 |
|
灰色 |
釉3 |
0.381 |
0–0.7 |
0.23–0.96 |
|
反光色 |
釉4 |
0.073 |
0–0.7 |
0.23–0.96 |
4.参数分析结果
模拟结果表明，从收获日光可以实现大量的照明能量减少。 总建筑物照明节省主要是周边办公空间面积，窗口面积和窗口透射率的函数。 本节总结了不同参数之间的相对效应和相关性。 在结果的讨论中，使用以下归一化参数：
Aw / Ap：窗户到周边楼层面积。 此参数提供了相对于日间楼面面积的窗口大小的良好指示。
Ap/ Af：周长对总建筑面积。 此参数指示相对于总建筑面积的日照区域的范围。 因此，整个建筑可以受益于采光。
百分比节能，fd：通过使用采光节省的年度人工照明能量消耗的分数。
4.1窗口面积到周边楼层面积
本节重点介绍窗户对周边楼面面积比（Aw / Ap）对照明能耗的影响。 对于所有窗口类型和地理位置，发现预期Aw / Ap比的增加导致照明能量使用的更高节省。 图2示出当建筑物具有正方形几何形状（Ap/Af= 0.23）并且位于亚特兰大，GA时，增加一组窗玻璃类型的Aw / Ap比率的效果。
照明能耗百分比（％）
图 2. 相对于在亚特兰大，GA的一个方形建筑的窗口面积的节能。
对于其他建筑形状，获得类似的结果。 然而，可以实现更大的节省，因为周边到地板的比率A p / A f增加。 在图3中可以看出储蓄的相对幅度，其中在给定清楚的玻璃窗口的情况下，针对不同的Ap / Af比率值，示出了增加Aw / Ap比率的效果。
增加窗口面积对于清晰窗口的能量损失具有减小的效果。 对于大于0.5的Ap / Af比的建筑几何形状的窗户到大于0.5的周边地板面积显示出很少额外的照明能量损失。 建筑设计师应该意识到增加窗口面积可能对电气照明减少的限制。 对于不同的注视类型和建筑几何形状，从图3-6中所示的结果可以容易地注意到这些限制。
4.2透射率
窗的透射率对采光引起的能量节省具有显着影响。 随着玻璃窗的透射率降低，也降低了照明能量节省。 着色窗导致与窗口面积线性相关的能量节省，与使用更高透射率的窗玻璃观察到的递减回归行为相反。 图6显示了寡聚面积对于在亚特兰大，GA的着色窗口的能量减少的影响。
双清窗
照明能耗百分比（％）
Aw/Ap
图3.相对于清除窗口的窗口面积的节能
双蓝色玻璃
照明能耗百分比（％）
Aw/Ap
图4.相对于蓝色玻璃窗口面积的节能
双灰色窗口
照明能耗百分比（％）
Aw/Ap
图5 相对于灰色窗口的窗口区域的节能
双色窗
照明能耗百分比（％）
Aw/Ap
图6 相对于亚特兰大，GA的着色窗户的窗口面积的节能
蓝色玻璃的节能与周边区域
照明节省百分比（％）
Ap/Af
图7 作为周长面积的函数的节能
4.3周长至占地面积
模拟结果表明，周边至地板面积与采光的潜在照明能量减少直接相关。 对于所有情况，Ap / Af比的增加导致照明能量减少的增加。 分析表明，不同Aw / Ap比值的相对节能量与周长对总建筑面积Ap / Af比率的变化成正比。 将能量减少的百分比变化相对于不同窗口区域的Ap/Af比率绘图，并且显示在图7中。显然，周边区域以线性方式简单地影响潜在照明能量节省的幅度。
5.开发简化分析方法
根据上述参数分析的结果，显然在各种参数之间存在强的相互依赖性。 透射率和Aw / Ap都影响光进入各个空间的可能性，而Ap / Af比率指示可以是日光的周边空间的范围，以及照明能量减少的大小。 总体节省是所有这些参数的函数。
评估透射率和Ap / Af或采光势的组合参数，产生一致且可预测的趋势，空间中的照明减少百分比。 图8展示了建筑物周长与总建筑面积比Ap / Af之间的关系，为0.23和0.96。
图8中所示的趋势进一步证明透射率和窗口面积对照明能量减少具有类似的效果。 产品（透射率Aw/ Ap）通常用作采光孔径的指标[3,5]。 如图8所示，对于采光孔径的高值，获得照明节能的最大潜在极限。最大百分比照明降低范围从周边到总建筑面积的16％至68％，Ap / Af，比率为0.23和 0.96。 周边区域像一个乘法器，影响节能的幅度。 在图9中示出了在宽范围的采光光圈值上的不同建筑几何形状的比较。
由于周边面积和照明能量节省之间的线性关系（参见图7所示的结果），可以如图10所示对亚特兰大，GA评价每个标准化周边面积的照明能量节省（即Ap/Af）。 图10的结果清楚地表明，每周边照明能量减少与总建筑面积比仅取决于所有建筑几何形状和所有玻璃类型的采光孔径。
曲线拟合数据以获得用于节能和采光孔径之间的关系的一般方程。 发现最佳曲线拟合具有形式:
(1)
其中tw是窗口的玻璃化可见光透射率，a和b是相关系数，在下面的部分中为其提供物理意义。
针对每个地理位置确定方程（1）的相关系数a和b，并且将其总结在表2中。对于图11中的所有位置以曲线图示出曲线拟合结果。
所有位置显示相似的模式。 具有较高气候的城市在低透射率窗口区域值显示出较大的能量减少增加。 这分别对应于Phoenix和Denver的系数a为7.6和6.6的较高值。 此外，这些位置在高透射率Delta;Aw/Delta;p值下具有更大的夏季节省潜力，这对应于系数b的较高值：应当注意，在这个分析中所考虑的位置之间的a和b的值没有大的变化。
因此，为了确定由于使用办公楼中的调光控制实现采光而在人工照明的年度使用中的节省百分比f d，可以使用以下等式：
(2)
其中在表2中为选定的位置提供系数a和b。 对于其他地理位置，系数a和b可以使用本文提出的相同过程来确定。
照明节省与采光潜能Ap / Af = 0.23
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