基于模拟评估的自由曲面光纤导光系统工位级日光分配与节能潜力

《Energy》：Simulation-based assessment of workstation-level daylight allocation and energy-saving potential of a freeform fiber-optic daylighting system

　　

自然采光可以提高照明能效，并有助于室内环境质量的提升。然而，现有的单一照明策略往往难以同时提供稳定的自然光供给、个性化控制和最大化的节能效果。为应对这一挑战，将可控的自然光传输与工位级照明控制相结合提供了一条潜在途径。基于此前开发的自由曲面光纤采光系统（FFODS），本研究探讨了其在非均匀窗户自然光和辅助电灯照明条件下的建筑级应用。采用了一套整合光学模拟、基于Radiance的自然光模拟和参数化叠加分析的流程，并应用于一个参考开放式办公室。模拟评估了工位照度、基于有效照明强度（EML）的非视觉照明潜力以及电灯节能潜力。在基本案例中，24个工位的年度500 lux满意率从18.8%提高至54.4%。使用此前测量的光纤出射光谱作为代表性输入，深区工位满足所采用EML标准的预测天数从0天增加至230天。在评估的方案中，FFODS与分区调光控制相结合实现了最低的能耗。更大的光纤分配灵活性降低了特定照明满意度水平所需的系统容量，而策略效益取决于工位照度缺口的时空模式。系统性能主要由直射太阳光资源可用性决定，并受到被动自然光边际效益递减的限制。研究结果确定时空供需不匹配是系统利用的一个重要约束，为系统配置、分配控制和辅助电灯照明集成提供了设计见解。

**引言**

建筑运行能耗约占全球终端能耗的30%[1]。在各类建筑类型中，办公楼因其长时间运行和高设备负荷而成为城市建筑能耗的主要贡献者。照明系统通常占建筑运行能耗的10%-20%，在深平面空间或高照度需求空间中可升至20%-30%[2]。因此，照明系统被广泛认为是办公楼中具有重要节能潜力的关键子系统[3]。除了能源问题外，自然光在室内环境质量中的作用也日益受到关注，以应对病态建筑综合征的担忧以及健康和福祉导向建筑评估框架的发展[4]。自然光具有宽泛且连续的光谱功率分布，支持色彩渲染和色彩辨别，通常被视为室内照明质量的重要参考[5]。同时，关于光非视觉反应的研究表明，白天光照暴露的光谱和时间特征有助于昼夜节律同步，并与睡眠质量和健康结果相关[6]。因此，建筑评估系统近年来逐渐纳入了年度自然光可用性的量化要求。例如，LEED采用年度动态自然光指标，如空间自然光自主性（sDA300/50%）和年度阳光暴露（ASE1000,250）作为认证指标[7]。

在实际办公环境中，个体主观照明偏好的差异以及任务类型的多样性，导致住户偏好的照度水平存在显著差异。Veitch和Newsham[8]评估了94名参与者执行办公任务时偏好的照明条件，发现个体对水平照度的偏好范围从83到725 lux。此外，办公室空间中窗户引入的自然光表现出显著的时空变异性。在空间上，随着距离窗户立面的增加，工位处的自然光可用性迅速下降，导致高度不均匀的空间分布[9]。在时间上，给定工位的自然光条件可能随着太阳高度角、云量和室外环境条件的变化而发生大幅波动。住户需求的差异和自然光条件的时空波动共同要求办公照明系统具有更高的可调性和更稳健的照度稳定性。

为应对这些挑战，先前的研究探索了供给侧、需求侧和运行控制解决方案，包括自然光利用技术、任务-环境照明策略和智能照明控制系统，如表1所示。首先，自然光利用技术，如导光管和日光反射镜，将自然光引入室内空间以减少电灯照明需求[10]、[11]、[12]。然而，它们的输出受天气条件强烈影响，限制了维持稳定照度的能力。此外，这些系统通常在房间或区域规模而非工位规模实施，限制了满足差异化工位级需求的能力。其次，任务-环境照明策略在任务区域提供更高的局部照度，同时降低整体环境照明水平，从而在保持任务照度的同时减少能耗。当使用可调光任务灯具时，此类策略也可以适应个体差异。然而，作为基于电灯的策略，它们不会固有地向任务区域提供自然光。第三，智能照明控制系统使用传感器和控制算法实现占用响应和自然光响应调光，在适当条件下报告的照明节能约为20%-40%[13]、[14]。尽管如此，这些系统仍然依赖电灯照明，满足个性化需求的能力受照明区域粒度限制。

应当指出，这些策略在各自的应用规模内各有独特优势。然而，单一策略仍然难以同时提供稳定的自然光供给、个性化控制和最大化的节能效果。作为以人为本的照明的实用方法，任务-环境照明可以将建筑照明从连续、全空间均匀照明转变为局部化、时间依赖性和个性化照明。这减少了在整个空间维持高照度的需求，并为在工位级别协调自然光供给与动态运行控制定义了明确的功能边界[21]。因此，有必要在任务-环境照明框架内探索自然光利用技术和运行策略的集成。

通过将自然光收集与室内传输在空间上解耦，光纤采光系统（FODS）为在办公环境中集成照明措施提供了一条潜在途径。首先，它们可以将自然光引导至特定的室内目标区域，从而改善深区工位的自然光可用性。同时，光纤提供多个自然光传输通道，可以在建筑内灵活路由，并支持向各个工位离散分配自然光，为满足差异化工位级照明需求提供了结构基础[22]。更重要的是，每个单独的FODS通道携带相对较小的光通量并具有模块化配置，为集成控制设备并在工位间动态分配光通量创造了可行的接口。这可以进一步实现与占用控制和自然光响应调光等运行策略的协调。

许多研究从光学性能和系统组件角度研究了FODS。Vu等人开发了改进的光纤采光系统，并通过光学模拟和实验证明了其在室内照明的可行性[23]。Chen等人测量并表征了光纤出射光的光谱功率分布（SPD），报告了其色彩渲染性能和色彩再现特性，并进一步证明了其在非视觉效应方面的价值[24]。Liu等人提出了一种基于高透光隔热膜的塑料光纤采光系统，并评估了其制冷和照明性能[25]。总体而言，现有研究表明FODS具有相当大的应用和节能潜力。然而，它们仍面临若干挑战，包括照度均匀性不足、可调性有限和利用效率低。

为解决这些局限，我们团队此前开发了一种新型FFODS，其中采集器和扩散器均使用自由曲面透镜来塑造光学波前[26]。通过利用基于焦散线的自由曲面光学设计和精确的源到目标能量映射，该系统实现了采集自然光到光纤的高效耦合以及局部目标区域的均匀照明。基于该系统，已在工位级实现了高效、均匀且可调的自然光照度。

然而，关于FFODS应用于工位照明的若干关键问题仍未解决。首先，大多数现有研究主要评估光纤输出作为环境照明应用，这些研究通常假设无窗室内环境。因此，在典型窗户自然光条件下的局部照明性能尚未得到充分评估。其次，工位间的光纤分配通常基于预定义假设，将光纤配置与关键建筑参数（如朝向和窗墙比WWR）联系起来的设计方法仍发展不足。第三，对FFODS与不同辅助电灯照明系统之间运行协同的系统性定量分析仍然有限。

为弥补这些差距，本研究系统评估了FFODS驱动的工位照明系统。在建模系统中，FFODS在工位级别提供任务照明，而辅助电灯照明在FFODS提供的自然光不足时提供环境照明。使用窗户自然光条件下的参考办公室来分析：(1) 工位级照明性能和供需匹配；(2) 在采用参考光谱假设下的基于EML的非视觉照明潜力；以及(3) 在不同辅助控制方案下的电灯节能潜力。在同一参考办公室几何形状内通过60个受控参数案例考察了气候和立面变量。

基于这些分析，讨论考察了对直射太阳光资源条件和立面参数的敏感性、光纤分配策略之间的差异以及动态光通量分配的设计启示。我们之前的研究聚焦于FFODS的光学设计和组件级性能。在此设备级创新的基础上，本研究将FFODS研究扩展到年度、工位级的建筑运行，并解决三个相互关联的设计问题：(1) 有限的、时间变化的FFODS自然光供给如何与空间和时间变化的工位照度缺口相匹配；(2) 光纤分配能力如何影响满足工位照明需求所需的系统容量；以及(3) FFODS分配如何与被动窗户自然光和辅助电灯照明控制相互作用。通过在不同气候和立面条件下考察这些问题，研究确定了工位级FFODS应用背后的时空供需不匹配，并量化了分配灵活性、系统容量需求、自然光条件和照明控制策略之间的关系。因此，本工作为工位级FFODS的系统配置、分配控制和后续原型开发提供了基于模拟的设计框架。

**各节片段**

**方法**

本研究采用了一套整合FFODS光学性能模拟、建筑自然光模拟和参数化叠加分析的流程，如图1所示。对于光学性能模拟，使用LightTools模拟FFODS，并将出射光的发光强度分布导出为标准IES文件。然后将此IES文件导入DIALux，并用作等效灯具来模拟FFODS的室内照度贡献并获得...

**基本案例的自然光模拟**

兰州的直射太阳辐射（DNI）条件如图4a和图4b所示。从年度来看，兰州相当比例的工时时没有可用的DNI，占总工时的43.3%。这表明FFODS在将近一半的工作时间内无法接收到直射太阳光输入。进一步分析显示，没有可用DNI的小时比例存在明显的季节变化。这一比例在冬季明显较高，12月达到约66.8%。相比之下，...

**FFODS性能对直射太阳光资源和立面参数的敏感性**

本节考察了FFODS节能潜力对直射太阳光资源条件和立面参数的敏感性。此处考虑的电灯方案为带调光的分区控制。图11显示了FFODS在12种窗墙比（WWR）和朝向组合下的五个代表性城市的平均ΔWsave和ηsave。

就影响因素而言，区域差异明显由直射太阳光资源可用性主导，如...

**结论**

这项基于模拟的研究探讨了当FFODS与自然光照明不均匀的窗户和辅助电灯照明控制相结合时，FFODS有限的、时间变化的自然光供给如何在多个工位间分配。分析在一个参考开放式办公室内评估了工位照度、基于EML的非视觉照明潜力、电灯节能潜力以及对气候和立面参数的敏感性。在建模条件下得出的主要结论...

**作者贡献声明**

Hongli Sun：写作——审阅与编辑，概念化。Borong Lin：概念化。Shenfei Yu：调查研究。Junkang Song：软件。Songjun Li：写作——原稿撰写

**利益冲突声明**

? 作者声明，他们没有已知的可能影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**

本研究由国家自然科学基金（编号：52478100, 52425801）和四川大学跨学科创新基金资助。

Songjun Li | Junkang Song | Shenfei Yu | Borong Lin | Hongli Sun

四川大学建筑与环境学院，中国成都610065