引言近年来，绿色图书馆成为我国各大高校图书馆建设的热门话题。绿色图书馆是满足节地、节能、节水、环保等绿色建筑要求的图书馆建筑[1]。设计师设计常规建筑时，很少将照明所需能耗值作为主要考虑对象，因为与其他建筑能耗相比，照明耗能占比不明显。高校图书馆的重要功能之一是满足师生的日常文献阅读活动，对采光和照明具有较大的需求[2]。图书馆建筑中，照明所需能耗可能超过建筑总能耗的20%甚至30%[3]。管理人员倾向于在运维阶段通过行政管理的方法降低建筑的能耗，通过构件改造的方式降低已有建筑能耗的研究较少。在绿色建筑、可持续发展的背景下，从能源消耗的角度对高校图书馆室内阅读空间的照明情况进行分析，探究可行的改进方案。1图书馆阅读空间的采光需求与能耗介绍图书馆的采光应该采用自然光线为主、设备照明为辅的设计思路。自然光不能像设备照明一样提供稳定的光源，以满足人们的阅读需求，室内的采光会随着室外天气改变而变化。室内采光需要根据当地的地理位置、气候条件以及相应的采光规范进行设计。分析馆内的阅读空间采光时，主要考虑采光系数、室内采光均匀度以及光照强度等因素[4]。采光系数表示室内某一点的自然照度与室外照度之间的百分比关系，通过对比室内与室外的照度以量化室内的照明效果。根据《图书馆建筑设计规范》（JGJ 38—2015）（以下简称规范），室内阅览室采光系数需满足顶部采光不低于2%、侧面采光不低于3%的要求。室内采光均匀度（U0）是假设工作面的采光系数的最低值与平均值的比值。室内采光均匀度会对人们的日常工作与学习造成一定的影响，不合理的采光均匀度容易导致人的眼部疲劳，降低视觉功能，从而降低工作质量。根据《建筑照明设计标准》（GB 50034—2013）规定，采光均匀度应不低于0.6。光照强度指工作面单位面积能够接收的光通量，简称照度，单位是勒克斯（lx或lux）。文中的照度指室内的光照强度。根据不同空间以及室内不同工作的需求和相关规范制定采光设计，阅览室的照度最低值为300 lx。自然采光无法满足要求时，需要提供人工照明设备，确保室内照度不低于最低值。图书馆建筑的能源分析内容主要包括电力、暖通和机器设备的能耗，设计时需要重点关注照明耗能与空调耗能。照明与空调的能耗量与外部围护结构有关，如墙体与窗户。部分窗户的传热系数（K）较大，保暖能力较差；墙体的传热系数较小时，保暖能力较好[5]。从能耗的角度分析，窗户面积越小，空调能耗越小。但室内阅读空间的采光效果随着窗户面积的增大而增强。因此，确定窗户参数时，应同时考虑采光与空调耗能两方面因素。2案例分析2.1案例信息案例图书馆是位于广东省珠海市的北京理工大学珠海学院图书馆。图书馆的建筑面积为1.4万m3，设置了6个阅览室，分别为社会科学文献阅览室、自然科学文献阅览室、现刊阅览室、报纸阅览室、合订本期刊阅览室以及典藏阅览室。其中，为师生提供阅读空间的阅览室主要为社会科学文献阅览室与自然科学文献阅览室。社会科学阅览室与自然科学阅览室的空间布局、设备设置以及门、窗等构件分布情况类似，选择图纸信息更齐全、设备资料与其他相关数据更全面和准确的自然科学文献阅览室（以下简称阅览室）作为研究对象。2.2数据来源图书馆建筑的相关设计图纸以及门、窗等构件信息在高校的基础建设处获取。图书馆的建设年限较久，部分图纸存在缺漏，经历过更新升级导致图书馆的部分图纸与实地建设之间存在差异。因此，需要通过实地测量对有差异的部位的信息进行更新，并结合原有的设计图纸绘制阅览室的完整示意图。自然科学文献阅览室布局如图1所示。阅览室的用电量数据以及现有照明设备信息在图书馆管理处获取。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.002.F001图1自然科学文献阅览室布局2.3研究方法结合计算机的数值模拟与理论计算方法，对研究对象的采光照明和空调能耗情况进行分析。数值模拟能够将需要考虑的影响因子输入模型，通过时间设定逐步计算模拟区域的采光情况。利用数据信息能够推算研究区域的照明能耗与综合能耗。能耗分析软件采用Autodesk Ecotect Analysis软件，是能够进行采光、热工等能耗分析的三维可视化软件[6]。软件能够与目前主流的建筑建模软件进行互通，可以与Revit、Sketchup等软件进行数据交换，具备数字建模功能。理论计算方面，照明能耗主要采用照明功率密度（LPD）进行计算，因为照明功率密度能够反映单位面积需要的照明功率，计算公式如下：ρLPD=∑(pl+pb)A (1)式中：pl——单个光源的额定功率，W；pb——光源配套的镇流器或变压器的功耗，W；A——室内房间或区域的面积，m2。图书馆位于中国南部，冬季不提供供暖服务，空调的主要能耗为制冷能耗。对阅览室进行照明动态模拟，探究图书馆建筑的综合能耗最小值，综合能耗主要由照明能耗与夏季制冷能耗组成。2.4分析与讨论阅览室为钢筋混凝土框架结构，层高4.3 m，双侧采光，位于图书馆二楼。原始方案主要设置4种不同尺寸的窗口。原始方案窗户类型与属性如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.002.T001表1原始方案窗户类型与属性窗户名称尺寸(b×h)/mm×mm数量/个样式窗1400×2 2406窗22 300×2 83010窗31 400×1 5103窗41 950×1 85010本案例中，窗台高度具有两种形式，分别为1.2 m和0.9 m。受建筑层高的影响，大部分窗户的高度不具备改造条件，因此将窗户宽度作为自变量，因变量为窗户面积。依据建筑图纸，采用Revit建模，在图书馆模型中根据调研情况赋予构件对应的材质。Ecotect无法识别Revit的rvt格式文件，需要先利用Revit文件导出gbxml格式文件，利用gbxml文件将模型导入Ecotect软件，进行原始数据分析。遮阳系数统一被设定为0.5。原始方案阅览室的整体照明情况如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.002.F002图2原始方案阅览室的整体照明情况原始方案中，靠窗区域的采光效果较好，在距离窗口约2 m处设置人工照明。分析数值模拟情况发现，靠窗位置阅读空间的自然采光并未到达预期值，靠近外墙区域的照度低于300 lx，室内无法获取更多的自然采光以满足白天的阅读要求，阅读光源的补充主要源自人工照明。平均照明功率密度LPD值为9.4 W/m2，大于9.0 W/m2的最低要求。原方案的照明能耗偏高，根据2020年校图书馆全年的能耗情况，自然科学阅览室的照明用电量与综合用电量如图3所示。照明能耗约占图书馆总能耗的36.3%。阅览室采光未得到有效设计，现有的窗户面积为98.41 m2，具有较大的改进空间[7]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.002.F003图3自然科学阅览室的照明用电量与综合用电量3改造方案与建议针对自然光利用不充分的问题，可以通过增大窗户面积达到提高自然采光的目的。在理论层面，自然采光效果随窗口面积的增大而增强，但窗户的传热系数会受到窗户面积的影响，导致空调能耗增加，窗口面积变动量的临界点应根据照明能耗与空调制冷能耗之和的最小值确定[8]。利用计算机进行数值模拟，窗户面积与用电量的关系数值模拟如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.002.F004图4窗户面积与用电量的关系数值模拟由图4可知，案例能耗最小值对应的窗口总面积为168~178 m2，利用插值法确定其最小数值为170 m2。依据案例图书馆的实际情况及设计要求提出优化方案：（1）窗1的尺寸增大为1 200 mm×2 240 mm，数量不变；（2）窗2的尺寸增大为2 600 mm×2 830 mm，数量不变；（3）窗3的尺寸保持不变，数量增加10扇；（4）窗4的尺寸不变，数量增加6扇，改造后的窗户类型与属性如表2所示。由于窗户的装饰与结构部分占了约2.5%的采光面积，因此优化方案的窗户总面积为174.91 m2。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.002.T002表2改造后的窗户类型与属性窗户名称尺寸(b×h)/mm×mm数量/个样式窗11 200×2 2406窗22 600×2 83010窗31 400×1 51013窗41 950×1 85016改造后的采光模拟情况如图5所示。需要在满足室内照度要求时减少白天照明设备的功率。经过计算，平均照明功率密度为7.6 W/m2，改造后数值下降1.8 W/m2。与改造前相比，改造后室内靠外墙处的照度数值更均匀，随着窗户面积增大，自然采光效用更好。增加窗户的自然采光使靠近窗边的照度从原来的275 lx提升至约310 lx。靠窗处是主要阅读空间，提升窗边照度能够提高师生阅读质量。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.002.F005图5改造后阅览室的整体照明情况阅览室改造前后的照明用电量与综合用电量如图6所示。完成珠海市气象数据与日照条件设置后，通过能耗模拟，与改造前相比，预计一年的照明能耗下降13.6%，一年的综合能耗下降11.7%。控制遮阳系数变量，造成空调制冷能耗提高的原因可能是窗户的传热系数（Uc）在改造后发生变化。随着窗户面积增大，太阳热量的进入也会导致室内温度上升[9]。空调制冷耗能比改造前增加约1.9%。窗户面积与照明能耗和空调制冷能耗之间存在非线性相关的关系。因此，设计窗户面积时，应该考虑综合能耗的最低值。从综合能耗角度分析，文中的改造方案可行。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.002.F006图6阅览室改造前后的照明用电量与综合用电量4结语基于建筑能耗的视角对图书馆阅览室的照明情况进行研究，原始方案中靠近外墙处的照明设计不合理。根据计算机数值模拟的结果分析，原始方案中靠近外墙的阅读空间照度约275 lx，照明效果并不理想。室内的照明基本依靠人工照明设备满足阅读需求，导致阅览室照明能源消耗较高，未体现“绿色、节能”等设计要求。文中提出的改造方案主要体现在窗户尺寸及数量改造方面，原理为提高窗户面积可以增大采光效用，从而降低白天对照明设备的依赖。窗户面积与照明能耗和空调制冷能耗之间存在非线性关系，确定窗户面积的关键为分析综合能耗的最小值，为高校图书馆的绿色、节能设计与改造提供数据支持。目前，每年均有高校图书馆处于新建或改造阶段，绿色图书馆的理念是国家“双碳”目标下需要思考的内容，通过设计手段降低建筑能耗是设计师们关注的问题。合理改善窗户面积和提高自然采光，能够降低建筑能耗。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.10.002.F007