智能遮阳百叶技术研究进展

2021-01-21徐俊彦王汉青

建筑热能通风空调 2020年12期

关键词：百叶遮阳能耗

徐俊彦王汉青

1 南华大学土木工程学院

2 中南林业科技大学

3 建筑环境控制技术湖南省工程实验室

4 建筑节能与环境控制衡阳市重点实验室

0 引言

随着建筑节能工作的逐步实施，在建筑节能法规、标准的推动下[1-2]，建筑智能遮阳技术迅速发展。如今，未来建筑逐渐向智能型、科技型过渡[3]，在手工调节的基础上，增设智能选项，如智能窗帘、可调节色系的遮挡布、智能升降板、遮阳百叶等，解放人力，实现遥控操作的目的[4]。对比其他智能遮阳产品，智能遮阳百叶可以实现更精准的遮阳，更能与建筑外立面在形式和色彩上形成一个整体，可以作为建筑“第二表皮”，如图1 所示。除此之外，电动外挂金属百叶具有很好的耐候性，能有效将室外热量进行阻隔[5]。本文分别从智能遮阳百叶的实验研究和基于三种模拟软件对智能遮阳百叶的模拟研究两方面回顾了智能遮阳技术的研究进展。

图1 智能遮阳百叶表皮

1 对智能遮阳百叶的实验研究

在M.Ahmed[6]等人看来，对于智能遮阳系统技术的实验研究可以采用三种：采用实际比例模型的实际控制、采用实际比例模型的数字控制和采用小型测试单元的数字控制，其中数字控制中最常用。

一些学者采用实际比例模型的数字控制方法对智能遮阳百叶展开实验研究，在采用优化设计方案后，通过实验与优化前的各项参数和能耗值进行对比。郭德平[7]以北京市某高校1 间教室为研究对象，在多种不同天气条件下，分析百叶旋转角度与室内温度变化，光照度分布之间的变化情况，以及百叶的智能调节对照明与空调能耗的影响。结果表明，节能效果比较明显，阴天时节能率为57.7%，晴天时节能率为63.5%。Tzempelikos 和Athienitis[8]采用实际比例模型的数字控制方法，对加拿大的一间办公室里的一种动态滚轮遮光罩进行照明和空调能耗测试。结果显示，其开启功率小于20 W/m2，与无遮挡的窗户相比，这种装置以及调光控制方法每年可减少50%的空调能耗。Hashemi[9]设计了一种自动百叶窗来作为遮阳系统，对办公建筑日光分布不均的问题进行优化。该系统对每一个百叶的变化和翻转进行独立控制，最后在晴朗和多云的天空条件下进行实测，结果表明，该系统明显改善了室内日光分布不均这一问题，并减少了60%的人工照明需求。Hammad 和Abu-hijleh[10]测试了动态百叶窗对阿布扎比一个办公空间的照明和空调能耗的影响。该控制旨在确保最低能耗，并结合考虑相关参数的照明策略，并在能耗模拟软件中对几个工况进行了建模与测试。结果显示减少了约28%～34%的人工照明和空调能耗。

一些学者采用实验方法提出一种新型控制算法或者采用新型的智能遮阳百叶来对智能遮阳百叶进行研究。郭鹏伟[11]以模糊数学为基础对模糊控制算法进行优化，提出一种以电动百叶可翻转式百叶窗为被控对象系统描述了整个系统工作的新原理，并利用VB 语言编制了一套模拟控制方案。Yun Kyu Yi[12]提出了一种新的智能遮阳系统评价方法，包括对一种新型动态可调材料的分析，如图2 所示。为了对新材料中组成的智能遮阳系统进行评价，将日光模型、全建筑能耗分析模型和克里格模型相结合，对新材料组成的智能遮阳系统进行了性能评价。与Yun Kyu Yi 采用的方法类似，杨吴寒[13]针对南京地区冬冷夏热的极端气候，提出了一种适用于南京的智能化建筑遮阳方案，遮阳构件主要为一种智能弧形百叶，如图3 所示。通过电机控制旋转角度，在光照传感器的配合下可以对光线进行自动跟踪，并采用一款控制系统软件依附于计算机平台，便于系统的统一监测和管理。

图2 新型智能遮阳系统示意图

图3 智能弧形百叶示意图

除此之外，一些学者采用实验方法寻求智能遮阳百叶角度和室内温度变化，光照度分布等参数之间关系。马蕊[14]通过对实验数据分析，在一定范围内找到了百叶角度与遮阳系数之间的关系，作者通过实验尝试建立了能够计算不同百叶角度的遮阳系数公式。

综上所述，学者们对于智能遮阳百叶的实验研究中，主要是通过对既有建筑的遮阳百叶产品对室内遮阳效果和能耗的影响，找到现遮阳百叶产品存在的不足，提出的新的优化控制策略，比如调整最佳参数值，或者基于某种模糊控制算法进行优化，用计算机语言语言编制了一套新的模拟控制方案。在评价过程中，绝大部分研究只分析了照明能耗和空调能耗的影响，而没有涉及其他因素的影响。并且由于实验的时间尺度有限，比较难把握遮阳效果在全年过程中的变化。近年来，随着计算及性能的不断提升，数值模拟技术已成为定量预测和评价遮阳效果对能耗影响的重要研究手段。

2 对智能遮阳百叶的模拟研究

2.1 基于EnergyPlus 对智能遮阳百叶的模拟研究

EnergyPlus 是由美国能源部和劳伦斯·伯克利国家实验室共同开发一款建筑能耗模拟引擎，可以用来对建筑采暖，制冷，照明，通风以及其他能源消耗进行全面能耗模拟分析和经济分析[15]。常见的EnergyPlus 的用户界面有OpenStudio 和DesignBuilder。

Giovannini 等人[16]以照明能耗和空调能耗评估了阿联酋办公室一智能遮阳百叶装置，使用EnergyPlus测试了一些案例工况，以确定百叶的角度范围。与不安装遮阳装置相比，该控制策略将总能耗降低了27%，照明能耗降低了65.7%。穆艳娟[17]在分析影响南京地区办公建筑室内光环境基础上明确了将自动控制遮阳百叶和人工智能调光系统整合的基于光舒适的优化节能模型方案，并且利用EnergyPlus 验证了该模型在南京地区的适用性和节能率，通过正交实验设计方法最终得出南京地区各朝向优化方案。张祎[18]利用Designbuilder 针对东、西、南三种朝向，模拟分析不同形式外遮阳百叶作用下的动态光环境，以全自然采光时间百分比和最大全自然采光时间百分比为标准，评价室内采光环境，得出结论：基于室内视觉舒适度考虑，在保障室内光照充足的条件下，垂直遮阳百叶优于水平遮阳百叶。刘凯[19]运用EnergyPlus 模拟合肥地区建筑各向房间的冬夏季空调总能耗，以空调能耗为控制指标，得到东西向较优智能遮阳模式的最佳百叶倾角范围，与无遮阳相比，东西向房间空调能耗降低10.3%，整层空调能耗降低5.4%。建筑外墙采用综合遮阳，整层的空调能耗降低6%。管玲俐[20]以上海某办公建筑为例，采用Energyplus 对各朝向带有百叶外遮阳的房间能耗及室内光热环境进行了动态模拟。结果表明，对于智能控制的百叶外遮阳，节能潜力最大的是西向房间。

Konstantoglou 等人[21]提出了7 种方法来控制希腊一座办公楼的智能遮阳百叶，采用Energyplus 每隔一小时设置一次倾斜角度，根据每年人工照明和空调能耗对系统进行评估，相比固定式百叶窗减少了25%的照明能源。Yun 等人[22]研究了韩国一办公室的电动百叶帘对能耗和视觉舒适度影响，在Enegyplus 中测试了10 种遮阳控制策略。当照度水平超过值（室内3000 lx、室外10000 lx、20000 lx、40000 lx）时，角度分别调整为0°、15°、30°，反之亦然。Bunning 和Crawford[23]在澳大利亚墨尔本和布里斯班的安装有智能遮阳百叶帘的一栋办公大楼中的能耗影响。在Energyplus 中开发了一种基于小时天空条件和相对太阳角度的控制策略，将百叶调整为上下两组。结果表明，与固定悬挑和静止内百叶窗相比，动态控制的节能效果显著，约为24.9%。

2.2 基于Grasshopper 对智能遮阳百叶的模拟研究

Grasshopper 是一款可视化编程语言，它基于Rhino 平台运行，是目前数据化设计方向的主流软件之一，同时与交互设计也有重叠的区域。国内外学者们多采用Grasshopper 对智能遮阳百叶进行参数化设计，形成一层“建筑表皮”，与能耗模拟软件结合运用，在热工与建筑美学上形成一种新型建筑语言。

通过适宜性建筑技术，更好地协调建筑与环境，建筑与人的关系，探讨建筑技术的发展，扩展建筑功能，形式及空间三者的可能性，使建筑在满足功能的同时，为人们提供更好生活体验，更多的人基于Grasshopper对建筑技术进行仿真。Sjarifudin 和Justina[24]测试了雅加达一栋SOHO 大楼里智能遮阳百叶对视觉舒适度的影响，利用Grasshopper 软件开发一种新型控制算法，结合SOHO 单元立面的原尺寸，进行一天的实测，以满足工作平面350～750 lx 的照度水平，得出百叶角度在15°～75°之间达到最佳视觉舒适度。Grobman 等人[25]研究了智能百叶在地中海气候下控制办公空间内部照度的性能，以平均有效照度的最优值为标准，采用Rhino 建模和Grasshopper 确定了最优配置，结果显示，平均有效照度比无遮阳设施的窗户高出33.68%。

因为编写算法程序机械性的重复操作及大量具有逻辑的演化过程可被计算机的循环运算取代，所以Grasshopper 可以进行复杂的方案设计和参数化修改，一些学者基于Grasshopper 对于智能百叶采用了参数化设计。Kim 等人[26]对阿联酋的一办公楼比较了复杂的折纸形智能百叶和简单的固定遮阳的遮阳效果，采用Grasshopper 进行建模并对其进行能耗模拟，结果显示，与无遮阳设施相比，折纸形智能百叶遮阳和固定式遮阳各能节省60%和9%的空调能耗。同样地，Mahmoud[27]，Sabry[28]和Elghazi 等人[29]都将研究地点选在了埃及，分别对某办公楼六边形网格式遮阳百叶，利用百叶窗和可折叠三角形构件组成的动态双层表皮系统和住宅空间中折纸形智能遮阳百叶的遮阳效果进行了评估，都采用Grasshopper 建模，采用基于Grasshopper 的控制策略，确定了最佳开窗率，从结果上显示都对日光性能和节能的效果有了不同程度的优化。

除此之外，一个整体的优化设计流程对于Grasshopper 的参数化设计显得尤为重要，李纯[30]和申杰[31]均采用Grasshopper 逻辑建模探讨了遮阳装置自动调节的可能性，前者提供了一种发展研究新型互动装置的研究思路，而后者侧重对遮阳构件做整体优化设计，并做数据分析和整理，如图4 所示，以外遮阳系数和采光系数为主要评价指标，通过计算夏季太阳辐射量，冬季太阳辐射量和自然采光的系数来进行优化设计。

图4 优化设计流程示意图

2.3 基于Ecotect 对智能遮阳百叶的模拟研究

Autodesk Ecotect Analysis 是美国Autodesk 公司开发的综合建筑性能模拟软件，其静态光环境模拟部分直接采用了Radiance 的计算核心[32]。这是一款功能全面的可持续设计及分析工具，用户可以利用强大的三维表现功能进行交互式分析，模拟日照，遮阳和采光等因素对环境的影响。

LI Qing[33]利用Ecotect 软件分析遮阳和建筑室内太阳辐射对遮阳效果的影响，分析了在不同情况下，阅览室的遮阳百叶对不同太阳辐射变化给出的控制策略并在此基础上设计了一种电动百叶装置，更方便学生使用。

在基于Ecotect 对遮阳百叶的模拟研究中，学者们对于涉及到智能遮阳的研究比较少，而对于普通百叶遮阳方面，学者们的研究比较多，对于以下研究的研究内容和方法，可以借鉴到智能遮阳研究当中。张静[34]针对现有遮阳百叶存在的不能同时满足保温隔热和为室内人员提供开阔视野的问题，提出新型外遮阳百叶的模型，如图5 所示，并主要侧重于运用Ecotect软件进行模拟计算，通过对模拟数据结果进行分析，探索外遮阳百叶的最佳参数。石杨[35]，易斌[36]和许倩语[37]都是引入Ecotect 软件，以室内照度分布、照度均匀度为光环境评价指标，分析百叶不同倾角和不同间距的水平百叶对室内采光和光环境的影响。

图5 遮阳百叶改进示意图

综上所述，学者们采用模拟方法对智能遮阳百叶的研究中，主要是基于Energyplus，Grasshopper 和Ecotect 三款软件进行研究，主要研究建筑遮阳效果与各因素之间的关系，由于在模拟软件中，对于变量的控制较为方便，可以根据不同的研究对象调整相应的参数，比如不同的百叶遮阳形式，不同的朝向，不同的遮阳构件尺寸等。通过模拟软件的计算与模拟，真实再现着虚拟的光环境，为准确实现设计意图和准确把控设计细节提供了参数化的事实和依据，为进一步改进与优化方案提供了有利条件，但是，模拟软件始终只是一种辅助性的软件，目前，室内光环境照明设计还存在着一些不能完全协调的因素，尤其在面对大量数据资料、复杂计算、大型空间设计时往往会存在纰漏，所以，采用实验和模拟相结合的研究方法能够为研究提供更加真实客观的资料。