李淑嫻，付保川,3，許馨尹，吳征天

(蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.江蘇省建筑智慧節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215009；3.蘇州智慧城市研究院，江蘇 蘇州 215009)

引言

近年來，隨著公共建筑規(guī)模的增長(zhǎng)及能耗強(qiáng)度的增大，公共建筑的能耗在中國(guó)建筑能耗中占據(jù)的比重也隨之增大，且辦公建筑能耗在公共建筑能耗中約占30%，其中照明能耗在公共建筑總能耗中占10%～40%，因此對(duì)辦公建筑的照明能耗進(jìn)行分析研究具有重要意義[1-3]。照明能耗受多方面因素影響，如燈具類型、室外天氣、人員行為、控制模式等[4]，本文從影響因素中控制模式的角度出發(fā)，研究一種新的智能照明動(dòng)態(tài)模型使辦公建筑照明系統(tǒng)兼具人性化和節(jié)能性。

Jain等[5]分析影響建筑照明能耗的因素，提出結(jié)合自動(dòng)遮陽和人工照明調(diào)節(jié)的照明控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果；Panjaitan等[6]設(shè)計(jì)基于模糊邏輯考慮熒光燈的建筑物內(nèi)能量效率照明系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式控制并保證了系統(tǒng)的空間照明均勻度；GAO 等[7]根據(jù)辦公室員工個(gè)人喜好生成照度提出協(xié)作調(diào)光的照明方法，達(dá)到燈具的最優(yōu)調(diào)光組合；王群鋒等[8]提出建立遺傳算法的室內(nèi)燈具亮度調(diào)節(jié)精確模型，能夠根據(jù)不同場(chǎng)景和照度需求來調(diào)節(jié)燈光亮度，得出優(yōu)化亮度。Pandharipande 等[9，10]設(shè)計(jì)了基于最小二乘法的日光照度的預(yù)測(cè)器，將照明模型轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題，求得燈具的最佳組合。羅濤等[11]結(jié)合工程實(shí)踐提出照明能耗模擬方法，為照明優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)手段。

現(xiàn)有研究中的智能照明控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)光功能，且控制方式具有多樣化，但尚未對(duì)用戶的個(gè)性化需求與天然采光相結(jié)合建立自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)模型，從而使得在滿足用戶個(gè)性化需求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)照明節(jié)能。針對(duì)現(xiàn)有研究中仍存在的問題，本文提出一種結(jié)合室外天然采光，滿足用戶個(gè)性化需求的智能照明動(dòng)態(tài)模型，可依據(jù)用戶個(gè)體差異和室外天氣變化智能地調(diào)節(jié)照明系統(tǒng)中燈具的照度，從而使照明控制系統(tǒng)具有更好的靈活性和自適應(yīng)性。

1 智能照明動(dòng)態(tài)模型

1.1 照明動(dòng)態(tài)模型建立

首先對(duì)辦公建筑內(nèi)燈具陣列進(jìn)行組網(wǎng)，根據(jù)辦公用戶對(duì)期望照度的個(gè)性化需求不同，需要對(duì)單個(gè)燈具的照度進(jìn)行獨(dú)立調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)燈具的調(diào)光系數(shù)來進(jìn)行照度調(diào)節(jié)。相關(guān)燈具利用網(wǎng)絡(luò)通信獲取調(diào)光系數(shù)，通過疊加各盞燈對(duì)工作面上指定點(diǎn)產(chǎn)生的照度來滿足辦公人員的期望照度需求。由疊加原理可知，工作面上的照度值為多盞燈具對(duì)該工作面產(chǎn)生的照度分量和。調(diào)光系數(shù)u是燈具的實(shí)際輸出光通量與額定輸出光通量之比，其值越小，燈具的功率越小，即能耗越小，因?yàn)檎{(diào)光系數(shù)與能耗成正相關(guān)性。假設(shè)辦公建筑內(nèi)有m盞燈，n名辦公用戶，根據(jù)照度的疊加原理可知，第j個(gè)工作面的期望照度QEj小于等于各盞燈在該工作面計(jì)算點(diǎn)產(chǎn)生的照度Eij和室外天然光對(duì)工作面的貢獻(xiàn)照度dj之和，如式(1)所示，其中期望照度為用戶感覺最舒適、最需要的照度，依據(jù) GB 50034—2013中開放式辦公室的照明標(biāo)準(zhǔn)，再結(jié)合辦公用戶的具體需求設(shè)定，在不同時(shí)段因需求不同期望照度值發(fā)生變化。

(1)

Eij是燈具Di在第j個(gè)工作面上產(chǎn)生的最大照度；uj是燈具Di的調(diào)光系數(shù)，且0≤ui≤1；dj為第j個(gè)工作面計(jì)算點(diǎn)的室外天然光對(duì)工作面的貢獻(xiàn)照度。

依據(jù)照度疊加原理，建立各盞燈調(diào)光系數(shù)之和最小的目標(biāo)函數(shù)，約束條件為工作面計(jì)算點(diǎn)的實(shí)際照度值大于等于辦公用戶的期望照度值和調(diào)光系數(shù)該目標(biāo)函數(shù)滿足燈具功耗最小原則。在此調(diào)光系數(shù)下，符合辦公用戶對(duì)照度的個(gè)性化需求，同時(shí)保證了節(jié)能性。根據(jù)用戶的期望照度值，結(jié)合室外天然光對(duì)工作面的貢獻(xiàn)照度值建立智能照明動(dòng)態(tài)模型，如式(2)所示：

(2)

將式(2)寫為矩陣形式，如式(3)所示：

minf=cu

(3)

E是由Eij組成的矩陣，u是調(diào)光系數(shù)列矢量，QE是期望照度列矢量，c是1×m的矩陣，元素全為1。

1.2 照明動(dòng)態(tài)模型求解

智能照明動(dòng)態(tài)模型符合線性規(guī)劃(Linear Programming，LP)問題的建模，并含有約束條件，而解決線性規(guī)劃問題最有效的方法是單純形算法，因此，本文采用單純形算法求解已建立的照明模型。

步驟1 ：求解基本可行解。

將公式(3)轉(zhuǎn)化為線性規(guī)劃問題的標(biāo)準(zhǔn)形式：

minf=cu

(4)

s.t.Eu=b

(5)

0≤u≤1

(6)

其中：u=(u1,u2,…,um)T，c為1×m的矩陣，且所有元素為1，

b=[QE1-d1,QE2-d2,…,QEn-dn]T。

式中m≥n≥1,假設(shè)系數(shù)矩陣E的秩為n，即設(shè)約束方程組中沒有多余的方程。用Pj表示矩陣E的第j列，于是式(5)可表示為

(7)

矩陣E的任意一個(gè)n階非奇異子方陣稱為L(zhǎng)P的一個(gè)基。若

B=(Pj1,Pj2,…,Pjn)

(8)

是一個(gè)基，則對(duì)應(yīng)變量uj1,uj2,…,ujn稱為關(guān)于B的基變量，其余變量稱為關(guān)于B的非基變量。令非基變量都取值為零，則式(7)變?yōu)?/p>

(9)

所構(gòu)成的向量u(0)是約束方程組的一個(gè)解，稱為L(zhǎng)P對(duì)于基B的基本解，且滿足u(0)≥0，即u(0)是LP的一個(gè)基本可行解。

步驟2：計(jì)算系數(shù)陣的每一列檢驗(yàn)數(shù)。

設(shè)u(0)對(duì)應(yīng)的基陣Β=(P1,P2,…,Pn)，即u1,u2,…,un為基變量，un+1,un+2,…,um是非基變量。記為

uB=(u1,u2,…,un)T

uN=(un+1,un+2,…,um)T

N=(Pn+1,Pn+2,…,Pm)

從而E=(B,N)，同理劃分c=(cB,cN)。目標(biāo)函數(shù)用非基變量表示的公式為

f=cBB-1b-(cBB-1N-cN)uN

(10)

亦可寫為

(11)

若記目標(biāo)函數(shù)在u(0)處的值為f(0)，即

(12)

式中λj稱為基Β(也即基本可行解u(0))的檢驗(yàn)數(shù)?；境跏伎尚薪鈑=0，若每一列的檢驗(yàn)數(shù)λj≤0，則u(k)即為最優(yōu)解，迭代結(jié)束。若某個(gè)j列的λj>0且全部元素bj≤0，則此問題無解。

步驟3：若某個(gè)j列的λj>0且某些元素有bj>0，j列所對(duì)應(yīng)的變量uj被選定作為替換的非基本變量，求新的可行解。

步驟4：計(jì)算每一列的檢驗(yàn)數(shù)，重復(fù)步驟2和步驟3，如此迭代直至找到問題的最優(yōu)解。

2 實(shí)驗(yàn)仿真

對(duì)智能照明動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。辦公室內(nèi)規(guī)格為15 m×8 m×3 m，工作臺(tái)規(guī)格為1.2 m×0.8 m×0.75 m，該辦公室的地理位置為經(jīng)度120.57°、緯度31.30°，即江蘇蘇州。室內(nèi)安裝有48盞NNFC70020 LED燈具，且燈具分布均勻，燈具設(shè)計(jì)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，有22個(gè)工作臺(tái)，即動(dòng)態(tài)模型中參數(shù)m=48,n=22。利用照明仿真軟件DIALux建立此開放式辦公室的仿真模型如圖1所示，照度被控點(diǎn)Q1～Q22以及各燈具編號(hào)D1～D48，如圖2所示。選取天空模型中的混合天空模型，獲取2019年3月6日每隔15 min的室外天然光對(duì)工作面的照度值。

圖1 辦公室的 DIALux 模型Fig.1 DIALux model of the office

圖2 照度計(jì)算點(diǎn)分布及燈具編號(hào)Fig.2 Illumination calculation point distribution and lamp number

2.1 仿真過程

針對(duì)智能照明動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，首先通過仿真獲取關(guān)鍵參數(shù)，然后求解調(diào)光系數(shù)。在本文中通過DIALux照明仿真軟件模擬獲取的數(shù)據(jù)，相關(guān)研究表明獲取的模擬數(shù)據(jù)和傳感器測(cè)量得到的數(shù)據(jù)基本一致，故仿真實(shí)驗(yàn)具有可靠性。

1)關(guān)鍵參數(shù)的獲取。由式(2)可知Eij、QEj和dj是關(guān)鍵參數(shù)。在DIALux環(huán)境中開啟燈具Di，關(guān)閉其余燈具，之后讀取Q1～Q8的照度Eij得到 22×48矩陣E，矩陣E中每行各元素之和分別對(duì)應(yīng)所有燈具開啟時(shí)Q1～Q22的照度，最小值為547 lx，滿足辦公人員的最低照明需求。日光補(bǔ)償值dj和期望照度值QEj隨時(shí)間變化而變化，dj可由DIALux軟件在混合天空模型下仿真得出，QEj期望照度根據(jù)辦公用戶的個(gè)性化需求，依照國(guó)家照度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。

2)調(diào)光系數(shù)的求解。依據(jù)智能照明動(dòng)態(tài)模型的求解過程，用Matlab編寫相應(yīng)程序，求解出使辦公建筑內(nèi)各燈具電能消耗達(dá)到最低值的調(diào)光系數(shù)u。

2.2 仿真結(jié)果分析

本文隨機(jī)選取2019年3月6日下午3點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在DIALux環(huán)境中關(guān)閉人工光源，添加混合天空模型日光場(chǎng)景，在每個(gè)工作面上添加計(jì)算點(diǎn)，輸入時(shí)間，通過軟件計(jì)算可直接獲取室外日光對(duì)工作面的照度貢獻(xiàn)值，具體數(shù)值如圖3所示，工作面的期望照度如圖4所示，求解出的最優(yōu)調(diào)光系數(shù)u如圖5所示。

圖3 工作面室外日光照度Fig.3 Outdoor sunlight illumination of working face

圖4 工作面期望照度Fig.4 Expected illumination of working face

圖5 各盞燈的調(diào)光系數(shù)Fig.5 Dimming coefficient of each lamp

現(xiàn)有研究的智能照明模型尚未將用戶的個(gè)性化需求和日光相結(jié)合，本文將考慮用戶個(gè)性化需求和日光智能照明動(dòng)態(tài)模型產(chǎn)生的調(diào)光系數(shù)及能耗與忽視用戶個(gè)性化需求智能照明模型進(jìn)行對(duì)比。調(diào)光系數(shù)對(duì)比和能耗對(duì)比分別如圖6、圖7所示，其中忽視用戶個(gè)性化需求的智能照明模型中工作面的期望照度值為燈具全開時(shí)的照度，在辦公室有辦公用戶的情況下保持不變。從圖7可知，考慮用戶個(gè)性化需求和日光智能照明動(dòng)態(tài)模型能耗比忽視用戶個(gè)性化需求智能照明模型能耗降低了32.3%，亦說明智能照明動(dòng)態(tài)模型具有更好的節(jié)能性。

圖6 調(diào)光系數(shù)對(duì)比Fig.6 Comparison of dimming coefficient

圖7 能耗對(duì)比Fig.7 Comparison of energy consumption

3 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)辦公建筑中照明系統(tǒng)的能耗問題，對(duì)比分析現(xiàn)有智能照明模型，基于用戶個(gè)性化和室外天然采光建立一種新的智能照明動(dòng)態(tài)模型，并對(duì)實(shí)際辦公室進(jìn)行照明仿真實(shí)驗(yàn)，利用單純形算法求解模型，給出智能照明系統(tǒng)模型的能耗對(duì)比圖。結(jié)果表明：本文提出的智能照明動(dòng)態(tài)模型能夠隨著室外天氣變化和用戶個(gè)性化需求不同，辦公室內(nèi)燈具輸出亦發(fā)生變化，同時(shí)能夠滿足用戶工作面的照度標(biāo)準(zhǔn)，從而大幅度地降低了照明系統(tǒng)的能耗且具有人性化。本文使用的是實(shí)驗(yàn)仿真模擬的數(shù)據(jù)，即便與光傳感器采集的實(shí)際數(shù)據(jù)極為相近，但仍不可忽視兩者的誤差，天空模型選用的是混合天空模型，若室外天氣為晴朗或者陰雨天則需要變化天空模型，日光照度值隨之發(fā)生變化。故接下來的工作是搭建一個(gè)實(shí)際的照明系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行節(jié)能分析，并考慮添加更多種因素后對(duì)能耗的影響，如眩光指數(shù)、人員位置移動(dòng)等。