智能遮陽百葉技術(shù)研究進展

徐俊彥 王漢青

1 南華大學(xué)土木工程學(xué)院

2 中南林業(yè)科技大學(xué)

3 建筑環(huán)境控制技術(shù)湖南省工程實驗室

4 建筑節(jié)能與環(huán)境控制衡陽市重點實驗室

0 引言

隨著建筑節(jié)能工作的逐步實施，在建筑節(jié)能法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的推動下[1-2]，建筑智能遮陽技術(shù)迅速發(fā)展。如今，未來建筑逐漸向智能型、科技型過渡[3]，在手工調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，增設(shè)智能選項，如智能窗簾、可調(diào)節(jié)色系的遮擋布、智能升降板、遮陽百葉等，解放人力，實現(xiàn)遙控操作的目的[4]。對比其他智能遮陽產(chǎn)品，智能遮陽百葉可以實現(xiàn)更精準(zhǔn)的遮陽，更能與建筑外立面在形式和色彩上形成一個整體，可以作為建筑“第二表皮”，如圖1 所示。除此之外，電動外掛金屬百葉具有很好的耐候性，能有效將室外熱量進行阻隔[5]。本文分別從智能遮陽百葉的實驗研究和基于三種模擬軟件對智能遮陽百葉的模擬研究兩方面回顧了智能遮陽技術(shù)的研究進展。

圖1 智能遮陽百葉表皮

1 對智能遮陽百葉的實驗研究

在M.Ahmed[6]等人看來，對于智能遮陽系統(tǒng)技術(shù)的實驗研究可以采用三種：采用實際比例模型的實際控制、采用實際比例模型的數(shù)字控制和采用小型測試單元的數(shù)字控制，其中數(shù)字控制中最常用。

一些學(xué)者采用實際比例模型的數(shù)字控制方法對智能遮陽百葉展開實驗研究，在采用優(yōu)化設(shè)計方案后，通過實驗與優(yōu)化前的各項參數(shù)和能耗值進行對比。郭德平[7]以北京市某高校1 間教室為研究對象，在多種不同天氣條件下，分析百葉旋轉(zhuǎn)角度與室內(nèi)溫度變化，光照度分布之間的變化情況，以及百葉的智能調(diào)節(jié)對照明與空調(diào)能耗的影響。結(jié)果表明，節(jié)能效果比較明顯，陰天時節(jié)能率為57.7%，晴天時節(jié)能率為63.5%。Tzempelikos 和Athienitis[8]采用實際比例模型的數(shù)字控制方法，對加拿大的一間辦公室里的一種動態(tài)滾輪遮光罩進行照明和空調(diào)能耗測試。結(jié)果顯示，其開啟功率小于20 W/m2，與無遮擋的窗戶相比，這種裝置以及調(diào)光控制方法每年可減少50%的空調(diào)能耗。Hashemi[9]設(shè)計了一種自動百葉窗來作為遮陽系統(tǒng)，對辦公建筑日光分布不均的問題進行優(yōu)化。該系統(tǒng)對每一個百葉的變化和翻轉(zhuǎn)進行獨立控制，最后在晴朗和多云的天空條件下進行實測，結(jié)果表明，該系統(tǒng)明顯改善了室內(nèi)日光分布不均這一問題，并減少了60%的人工照明需求。Hammad 和Abu-hijleh[10]測試了動態(tài)百葉窗對阿布扎比一個辦公空間的照明和空調(diào)能耗的影響。該控制旨在確保最低能耗，并結(jié)合考慮相關(guān)參數(shù)的照明策略，并在能耗模擬軟件中對幾個工況進行了建模與測試。結(jié)果顯示減少了約28%～34%的人工照明和空調(diào)能耗。

一些學(xué)者采用實驗方法提出一種新型控制算法或者采用新型的智能遮陽百葉來對智能遮陽百葉進行研究。郭鵬偉[11]以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)對模糊控制算法進行優(yōu)化，提出一種以電動百葉可翻轉(zhuǎn)式百葉窗為被控對象系統(tǒng)描述了整個系統(tǒng)工作的新原理，并利用VB 語言編制了一套模擬控制方案。Yun Kyu Yi[12]提出了一種新的智能遮陽系統(tǒng)評價方法，包括對一種新型動態(tài)可調(diào)材料的分析，如圖2 所示。為了對新材料中組成的智能遮陽系統(tǒng)進行評價，將日光模型、全建筑能耗分析模型和克里格模型相結(jié)合，對新材料組成的智能遮陽系統(tǒng)進行了性能評價。與Yun Kyu Yi 采用的方法類似，楊吳寒[13]針對南京地區(qū)冬冷夏熱的極端氣候，提出了一種適用于南京的智能化建筑遮陽方案，遮陽構(gòu)件主要為一種智能弧形百葉，如圖3 所示。通過電機控制旋轉(zhuǎn)角度，在光照傳感器的配合下可以對光線進行自動跟蹤，并采用一款控制系統(tǒng)軟件依附于計算機平臺，便于系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)測和管理。

圖2 新型智能遮陽系統(tǒng)示意圖

圖3 智能弧形百葉示意圖

除此之外，一些學(xué)者采用實驗方法尋求智能遮陽百葉角度和室內(nèi)溫度變化，光照度分布等參數(shù)之間關(guān)系。馬蕊[14]通過對實驗數(shù)據(jù)分析，在一定范圍內(nèi)找到了百葉角度與遮陽系數(shù)之間的關(guān)系，作者通過實驗嘗試建立了能夠計算不同百葉角度的遮陽系數(shù)公式。

綜上所述，學(xué)者們對于智能遮陽百葉的實驗研究中，主要是通過對既有建筑的遮陽百葉產(chǎn)品對室內(nèi)遮陽效果和能耗的影響，找到現(xiàn)遮陽百葉產(chǎn)品存在的不足，提出的新的優(yōu)化控制策略，比如調(diào)整最佳參數(shù)值，或者基于某種模糊控制算法進行優(yōu)化，用計算機語言語言編制了一套新的模擬控制方案。在評價過程中，絕大部分研究只分析了照明能耗和空調(diào)能耗的影響，而沒有涉及其他因素的影響。并且由于實驗的時間尺度有限，比較難把握遮陽效果在全年過程中的變化。近年來，隨著計算及性能的不斷提升，數(shù)值模擬技術(shù)已成為定量預(yù)測和評價遮陽效果對能耗影響的重要研究手段。

2 對智能遮陽百葉的模擬研究

2.1 基于EnergyPlus 對智能遮陽百葉的模擬研究

EnergyPlus 是由美國能源部和勞倫斯·伯克利國家實驗室共同開發(fā)一款建筑能耗模擬引擎，可以用來對建筑采暖，制冷，照明，通風(fēng)以及其他能源消耗進行全面能耗模擬分析和經(jīng)濟分析[15]。常見的EnergyPlus 的用戶界面有OpenStudio 和DesignBuilder。

Giovannini 等人[16]以照明能耗和空調(diào)能耗評估了阿聯(lián)酋辦公室一智能遮陽百葉裝置，使用EnergyPlus測試了一些案例工況，以確定百葉的角度范圍。與不安裝遮陽裝置相比，該控制策略將總能耗降低了27%，照明能耗降低了65.7%。穆艷娟[17]在分析影響南京地區(qū)辦公建筑室內(nèi)光環(huán)境基礎(chǔ)上明確了將自動控制遮陽百葉和人工智能調(diào)光系統(tǒng)整合的基于光舒適的優(yōu)化節(jié)能模型方案，并且利用EnergyPlus 驗證了該模型在南京地區(qū)的適用性和節(jié)能率，通過正交實驗設(shè)計方法最終得出南京地區(qū)各朝向優(yōu)化方案。張祎[18]利用Designbuilder 針對東、西、南三種朝向，模擬分析不同形式外遮陽百葉作用下的動態(tài)光環(huán)境，以全自然采光時間百分比和最大全自然采光時間百分比為標(biāo)準(zhǔn)，評價室內(nèi)采光環(huán)境，得出結(jié)論：基于室內(nèi)視覺舒適度考慮，在保障室內(nèi)光照充足的條件下，垂直遮陽百葉優(yōu)于水平遮陽百葉。劉凱[19]運用EnergyPlus 模擬合肥地區(qū)建筑各向房間的冬夏季空調(diào)總能耗，以空調(diào)能耗為控制指標(biāo)，得到東西向較優(yōu)智能遮陽模式的最佳百葉傾角范圍，與無遮陽相比，東西向房間空調(diào)能耗降低10.3%，整層空調(diào)能耗降低5.4%。建筑外墻采用綜合遮陽，整層的空調(diào)能耗降低6%。管玲俐[20]以上海某辦公建筑為例，采用Energyplus 對各朝向帶有百葉外遮陽的房間能耗及室內(nèi)光熱環(huán)境進行了動態(tài)模擬。結(jié)果表明，對于智能控制的百葉外遮陽，節(jié)能潛力最大的是西向房間。

Konstantoglou 等人[21]提出了7 種方法來控制希臘一座辦公樓的智能遮陽百葉，采用Energyplus 每隔一小時設(shè)置一次傾斜角度，根據(jù)每年人工照明和空調(diào)能耗對系統(tǒng)進行評估，相比固定式百葉窗減少了25%的照明能源。Yun 等人[22]研究了韓國一辦公室的電動百葉簾對能耗和視覺舒適度影響，在Enegyplus 中測試了10 種遮陽控制策略。當(dāng)照度水平超過值（室內(nèi)3000 lx、室外10000 lx、20000 lx、40000 lx）時，角度分別調(diào)整為0°、15°、30°，反之亦然。Bunning 和Crawford[23]在澳大利亞墨爾本和布里斯班的安裝有智能遮陽百葉簾的一棟辦公大樓中的能耗影響。在Energyplus 中開發(fā)了一種基于小時天空條件和相對太陽角度的控制策略，將百葉調(diào)整為上下兩組。結(jié)果表明，與固定懸挑和靜止內(nèi)百葉窗相比，動態(tài)控制的節(jié)能效果顯著，約為24.9%。

2.2 基于Grasshopper 對智能遮陽百葉的模擬研究

Grasshopper 是一款可視化編程語言，它基于Rhino 平臺運行，是目前數(shù)據(jù)化設(shè)計方向的主流軟件之一，同時與交互設(shè)計也有重疊的區(qū)域。國內(nèi)外學(xué)者們多采用Grasshopper 對智能遮陽百葉進行參數(shù)化設(shè)計，形成一層“建筑表皮”，與能耗模擬軟件結(jié)合運用，在熱工與建筑美學(xué)上形成一種新型建筑語言。

通過適宜性建筑技術(shù)，更好地協(xié)調(diào)建筑與環(huán)境，建筑與人的關(guān)系，探討建筑技術(shù)的發(fā)展，擴展建筑功能，形式及空間三者的可能性，使建筑在滿足功能的同時，為人們提供更好生活體驗，更多的人基于Grasshopper對建筑技術(shù)進行仿真。Sjarifudin 和Justina[24]測試了雅加達(dá)一棟SOHO 大樓里智能遮陽百葉對視覺舒適度的影響，利用Grasshopper 軟件開發(fā)一種新型控制算法，結(jié)合SOHO 單元立面的原尺寸，進行一天的實測，以滿足工作平面350～750 lx 的照度水平，得出百葉角度在15°～75°之間達(dá)到最佳視覺舒適度。Grobman 等人[25]研究了智能百葉在地中海氣候下控制辦公空間內(nèi)部照度的性能，以平均有效照度的最優(yōu)值為標(biāo)準(zhǔn)，采用Rhino 建模和Grasshopper 確定了最優(yōu)配置，結(jié)果顯示，平均有效照度比無遮陽設(shè)施的窗戶高出33.68%。

因為編寫算法程序機械性的重復(fù)操作及大量具有邏輯的演化過程可被計算機的循環(huán)運算取代，所以Grasshopper 可以進行復(fù)雜的方案設(shè)計和參數(shù)化修改，一些學(xué)者基于Grasshopper 對于智能百葉采用了參數(shù)化設(shè)計。Kim 等人[26]對阿聯(lián)酋的一辦公樓比較了復(fù)雜的折紙形智能百葉和簡單的固定遮陽的遮陽效果，采用Grasshopper 進行建模并對其進行能耗模擬，結(jié)果顯示，與無遮陽設(shè)施相比，折紙形智能百葉遮陽和固定式遮陽各能節(jié)省60%和9%的空調(diào)能耗。同樣地，Mahmoud[27]，Sabry[28]和Elghazi 等人[29]都將研究地點選在了埃及，分別對某辦公樓六邊形網(wǎng)格式遮陽百葉，利用百葉窗和可折疊三角形構(gòu)件組成的動態(tài)雙層表皮系統(tǒng)和住宅空間中折紙形智能遮陽百葉的遮陽效果進行了評估，都采用Grasshopper 建模，采用基于Grasshopper 的控制策略，確定了最佳開窗率，從結(jié)果上顯示都對日光性能和節(jié)能的效果有了不同程度的優(yōu)化。

除此之外，一個整體的優(yōu)化設(shè)計流程對于Grasshopper 的參數(shù)化設(shè)計顯得尤為重要，李純[30]和申杰[31]均采用Grasshopper 邏輯建模探討了遮陽裝置自動調(diào)節(jié)的可能性，前者提供了一種發(fā)展研究新型互動裝置的研究思路，而后者側(cè)重對遮陽構(gòu)件做整體優(yōu)化設(shè)計，并做數(shù)據(jù)分析和整理，如圖4 所示，以外遮陽系數(shù)和采光系數(shù)為主要評價指標(biāo)，通過計算夏季太陽輻射量，冬季太陽輻射量和自然采光的系數(shù)來進行優(yōu)化設(shè)計。

圖4 優(yōu)化設(shè)計流程示意圖

2.3 基于Ecotect 對智能遮陽百葉的模擬研究

Autodesk Ecotect Analysis 是美國Autodesk 公司開發(fā)的綜合建筑性能模擬軟件，其靜態(tài)光環(huán)境模擬部分直接采用了Radiance 的計算核心[32]。這是一款功能全面的可持續(xù)設(shè)計及分析工具，用戶可以利用強大的三維表現(xiàn)功能進行交互式分析，模擬日照，遮陽和采光等因素對環(huán)境的影響。

LI Qing[33]利用Ecotect 軟件分析遮陽和建筑室內(nèi)太陽輻射對遮陽效果的影響，分析了在不同情況下，閱覽室的遮陽百葉對不同太陽輻射變化給出的控制策略并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種電動百葉裝置，更方便學(xué)生使用。

在基于Ecotect 對遮陽百葉的模擬研究中，學(xué)者們對于涉及到智能遮陽的研究比較少，而對于普通百葉遮陽方面，學(xué)者們的研究比較多，對于以下研究的研究內(nèi)容和方法，可以借鑒到智能遮陽研究當(dāng)中。張靜[34]針對現(xiàn)有遮陽百葉存在的不能同時滿足保溫隔熱和為室內(nèi)人員提供開闊視野的問題，提出新型外遮陽百葉的模型，如圖5 所示，并主要側(cè)重于運用Ecotect軟件進行模擬計算，通過對模擬數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，探索外遮陽百葉的最佳參數(shù)。石楊[35]，易斌[36]和許倩語[37]都是引入Ecotect 軟件，以室內(nèi)照度分布、照度均勻度為光環(huán)境評價指標(biāo)，分析百葉不同傾角和不同間距的水平百葉對室內(nèi)采光和光環(huán)境的影響。

圖5 遮陽百葉改進示意圖

綜上所述，學(xué)者們采用模擬方法對智能遮陽百葉的研究中，主要是基于Energyplus，Grasshopper 和Ecotect 三款軟件進行研究，主要研究建筑遮陽效果與各因素之間的關(guān)系，由于在模擬軟件中，對于變量的控制較為方便，可以根據(jù)不同的研究對象調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，比如不同的百葉遮陽形式，不同的朝向，不同的遮陽構(gòu)件尺寸等。通過模擬軟件的計算與模擬，真實再現(xiàn)著虛擬的光環(huán)境，為準(zhǔn)確實現(xiàn)設(shè)計意圖和準(zhǔn)確把控設(shè)計細(xì)節(jié)提供了參數(shù)化的事實和依據(jù)，為進一步改進與優(yōu)化方案提供了有利條件，但是，模擬軟件始終只是一種輔助性的軟件，目前，室內(nèi)光環(huán)境照明設(shè)計還存在著一些不能完全協(xié)調(diào)的因素，尤其在面對大量數(shù)據(jù)資料、復(fù)雜計算、大型空間設(shè)計時往往會存在紕漏，所以，采用實驗和模擬相結(jié)合的研究方法能夠為研究提供更加真實客觀的資料。

3 結(jié)語

通過以上對國內(nèi)外學(xué)者對智能遮陽技術(shù)研究及其最新進展的分析，提出以下探討性觀點：

1）在研究方法的采用上，較為單一。對于采用實驗和模擬相結(jié)合的研究方法，學(xué)者們運用得較少。

2）對于智能遮陽的研究應(yīng)綜合考慮全遮陽要素的影響。建筑周圍的空氣溫濕度，室內(nèi)外照度和太陽輻射量以及智能遮陽裝置的各項參數(shù)設(shè)置均對建筑能耗有著影響，而目前大部分研究缺乏對整體環(huán)境的考量，影響了結(jié)論的參考價值。

3）應(yīng)加強長時間尺度模擬的研究。實踐中設(shè)計人員不只需要了解典型或極端氣象條件下的遮陽效果，也需要分析全年或整個空調(diào)供暖季的最佳遮陽狀態(tài)。因此，對于建筑智能遮陽對建筑節(jié)能的影響，也需要開展相應(yīng)時間尺度的預(yù)測評價。

4）目前學(xué)者們無論是針對氣候區(qū)還是建筑類型的遮陽的研究尺度都比較寬泛。因為不同的光氣候區(qū)之間差異較大，而不同類型的建筑對于遮陽也有不一樣的要求，所以應(yīng)針對某一個氣候區(qū)，比如夏熱冬暖地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、寒冷地區(qū)等，并針對某一類型的建筑，比如住宅建筑、辦公建筑、公共建筑等。