采光照明一体化研究与应用

专家聚焦采光照明一体化研究与应用*照明工程学报

2018年

Focus罗涛第29卷第3期

(中国建筑科学研究院有限公司）

No.3, Vol.29

摘要：建筑光学在传统上分为天然采光和人工照明两大部 分，两者有着各自的评价指标和方法，但在实际应用中往 往脱节，出现了很多不合理的设计。采光照明一体化是实 现采光和照明有机结合的最终目标，本文探讨了采光照明 一体化的原则、设计方法以及关键应用技术，对光坏境优 化设计及照明节能具有重要的参考价值。

关键词：光坏境；节能；非视觉效应；智能控制

引言

研究表明，良好的光坏境可提升坏境满意度，对健康 和工作效率具有重要的影响[1]。天然采光不仅可以显著提 升公共建筑的光坏境，同时对于其照明节能甚至建筑整 体节能具有至关重要的影响。Heschong等[2]的研究发现，

采光充足的教室区域的学生成绩提髙了 7%~18%;天然 采光与人工照明有机结合，可降低公共建筑的照明能耗 20%~60%，减少建筑整体能耗10%~16%[3,4]。

然而，由于传统应用中通常将天然采光和人工照明分 别放在两个不同的设计阶段，两者建立了各自的评价指标 和方法，在设计过程中分别由建筑师和电气工程师负责，这样的分工使得采光与照明设计完全分离，光坏境仅满足 于符合相应的采光和照明标准，缺乏精细化设计，忽略了 使用者的需求和实际运行的特点。比如很多新建的写字 楼，采用了大面积的玻璃幕墙，但由于过量的太阳辐射带 来的眩光和室内过热等问题，实际应用中往往大白天是拉 下窗帘，室内长时间开灯；又比如有些照明设计未考虑天 然采光的状况和实际使用要求，照明分区不合理，照明控 制过于集中或设置不合理，只能全开或全关，即使临近窗 的区域采光良好或只有少数人在室内时，也只能全部开 灯。这不仅与设计的初衷相矛盾，也不利于室内坏境，同时还增加了建筑能耗'

为了克服传统设计方法带来的弊端，解决上述不合理 的问题，采光与照明需要在设计阶段统一考虑，并进行有 机结合，也就是实现采光照明一体化，将采光照明的各种 单个的技术（部件）整合成系统的解决方案。本文结合目 前正在进行的国际合作项目《采光照明一体化解决方案研 究》，对适应于我国的采光照明一体化的原则、设计方法 以及关键应用技术进行了探讨，从而可为光坏境优化设计 提供重要的参考。

1IEA-SHC Task61 /EBC Annex77 项目

该项目是国际能源署太阳能供热制冷实施协议（IEA-SHC)的研究任务，项目名称为“采光与照明的综合

解决方案（Integrated Solutions for daylight and electric lighting)”。该项目的研究对象是非居住建筑，总体目标 是提升使用者满意度并降低能源消耗，通过研究采光与照 明设计及应用过程中的关键技术问题，提出建筑采光与照 明的综合解决方案。

该项目的实施时间为2018年1月1日至2021年6月31 日，并于2018年2月28日至3月2日在瑞典隆德大学召开了 启动会（图1)。项目负责人是德国Fraunhofer建筑物理研 究所的Jan deBoer博士，参与国家包括德国、奥地利、丹 麦、挪威、中国、美国、比利时、芬兰、瑞典、瑞士、意 大利、斯洛伐克、日本、新加坡和巴西等。笔者有幸作为 中国代表参与该项目研究工作。

该项目分为使用者的照明需求（SubTask A)、采光 与照明的优化设计（SubTask B)、方法工具（SubTask C)和案例研究（SubTask D)四个子任务，以及1个联合

工作组。其中，SubTask A的主要任务是研究使用者的照 明需求，包括：（1)视觉舒适性方面的因素：眩光、频 闪和对比等；（2)非视觉效应方面的因素：光谱特性、辐照水平、照射时间和持续时间等；（3)心理方面的因 素：视野、私密性和室内空间感受等，研究中还需要考虑 不同年龄、性别以及不同气候和文化背景的使用者的差 异性。SubTask B则对采光照明技术进行梳理，并重点关 注新的技术，特别是照明控制技术，包括：（1)利益相 关者的调研，了解目前技术的问题与缺陷；（2)对现有 采光照明技术的调研分析；（3)对新的技术，特别是控 制技术的调研分析；（4)对照明控制交互界面的研究；

(5)对相关标准的调研分析。SubTask C的主要任务是采 光照明一体化的设计流程和方法进行研究，包括：（1) 现有设计流程的调研分析；（2)采光系统双向透射反 射模型（BSDF)的研究；（3)天空光谱模型的研究；

(4)评价方法和工具研究。SubTask D的主要任务是研究 监测方法，并对实验室和实际案例进行跟踪监测研究，包 括：（1)对现有研究的调研分析；（2)监测方法研究；

(3)对典型案例的测试研究。联合工作组的主要工作则 是协调4个子任务的研究工作和成果，提出基于逐时分析

*基金项目：国家“十三五”课题“新型采光关键技术与高效照明控制系统研发” (2016YFB0601702)

的采光照明一体化分析工具，以及虚拟现实（VR)技术 应用导则。

参与该项目的专家来自髙校、研究院所和知名跨国企 业，研究内容涉及基础理论、设计和测试方法、应用技术 等，其成果将对未来光环境领域的标准、新产品、设计及 应用产生重要影响。

2采光照明一体化的原则与设计方法

我国的设计标准、技术体系、气候特点以及使用者 习惯与国外有较大差异，采光照明一体化应结合我国的 实际情况进行应用。充分利用天然采光可改善光环境和 实现照明节能，同时由于采光设计处于建筑设计阶段，一旦确定，后期的照明设计很难去修正，只能去被动适 应，也难以弥补。因此公共建筑的采光照明一体化应坚 持“被动优先，主动优化”的原则，把充分利用天然光 作为首要的目标。同时，采光系统应从光热两方面综合 权衡，照明也应考虑与遮阳进行联动控制，采用动态评 价指标和设计方法[6,7]。

公共建筑分为新建和既有两类，既有建筑由于受到自 身条件限制，立面和室内装修等现状条件不易修改，而新 建建筑则受限制较少，因此新建和既有建筑在采光照明一 体化应用中有着不同的工作流程和处理方法。

1)既有建筑。我国既有公共建筑的存量巨大，这 些建筑的照明系统老化，能效较低，光环境较差，这类 建筑通常以节能改造为主，因而采光照明一体化应用应 结合节能改造的目标进行。既有建筑的照明改造需要在 测试和调研分析现有问题的基础上，确定合理的改造目 标，再进行技术方案的比选。图2是既有建筑照明改造技 术的矩阵图。

图2既有建筑照明改造技术[8]

水平方向从左至右表示技术实施的复杂程度或难度，越往右说明实施难度越大，改造费用越髙，但相应的改造 效果也越好；垂直方向列举了四类改造技术方案，可根据 改造目标和建筑的实际情况进行选择。在灯具布置和照明 控制选择时，需要充分考虑与采光结合，以充分利用天然 采光。同时需要考虑使用者的特点，特别是控制设备要符 合使用者的行为习惯。

2)新建建筑。相对于既有建筑而言，新建建筑的技

术方案可选余地更大，同时设计过程显得更为重要。采光

照明一体化设计，要考虑充分利用天然光，特别是重视对

直射日光的处理，要兼顾光热两方面的影响，综合考虑其

全年的综合节能效果。不同的采光方案对于光热环境和照

明能耗有着显著的影响，通过权衡分析确定建筑总体节能

的优化方案，同时考虑与照明设计的衔接，为后期的照明

设计提供良好的基础条件。在此基础上，进行照明优化设 计，与采光进行协调和衔接，特别是灯具的分组要与采光

进行结合，以及合理的照明控制策略等。

从实践经验来看，窗帘及遮阳对于室内光环境和照明

能耗有较大的影响，但往往被忽视，多数项目仅在后期把

窗帘作为一种室内装饰性构件来考虑，在采光照明设计时

对窗系统就应进行精细化设计，充分考虑其对光热环境的

重要影响。

图3表明，由于采用了更为优化的采光方案，与传统

侧窗采光相比，照明能耗降低27%左右。

图3某办公室采光与照明结合的案例[7]

3)—体化设计方法。采光照明一体化的核心在于 其设计方法。在设计环节，就综合考虑采光与照明的协

调与优化，并兼顾使用者行为习惯和热环境等因素的影 响。该设计方法需要解决三个关键技术问题：（1)光热

权衡分析，即综合考虑采光对光环境和热环境的影响；

(2)适用于不同地区，即与当地的气象数据相结合；

(3)考虑控制系统特性和使用者行为特点，即采用动 态的分析方法。该设计方法考虑因素较多，包括气候特 点、建筑空间、采光系统、照明系统、照明控制以及使

用者行为特点，要想进行定量的分析，需要借助于计算

机模拟的手段。

从20世纪80年代开始，国外学者就开始研究计算机模

拟的方法用于建筑环境和能耗分析，并开发了相关的软 件。Clarke等[9,10]开展了相关研究，利用ESP-r+Radiance搭

建的平台，将光的模拟特别是室内照度分布计算与热的模

拟相结合。DOE-2[11]和Energyplus[12]利用采光系数法，计

算不同时刻的采光效果，并假设人工照明正好补充天然

采光照度不足的部分，得到照明能耗。Daysim[13,14]则基于 Radiance[15]内核，采用Daylight Coefficients的方法，动态

计算天然光照度分布，引入了手动控制照明和窗帘的模 型，可用于分析单人房间在各种照明控制方式下的室内

照度分布和照明能耗情况，计算结果还可进一步导入到