羅亦鳴，胡珊

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢 430068）

近零能耗建筑中自適應(yīng)控制照明系統(tǒng)的研究

羅亦鳴，胡珊

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢 430068）

由于能量消耗及CO2排放的持續(xù)增長，人們開發(fā)出建筑自動管理系統(tǒng)以在保證室內(nèi)舒適的同時提升建筑中的能量效率。模糊邏輯是一種開發(fā)該相應(yīng)控制系統(tǒng)的有力工具，為解決建筑能耗和舒適度高效管理問題，文中采用模糊邏輯以優(yōu)化辦公樓的功能及能耗。通過已有的模型模擬不同的房間配置情況并進(jìn)行比較，以評估在模糊控制系統(tǒng)中房間變量的影響。在同樣的日光照射輸入下，不同的房間配置需要不同的管理模式來控制遮陽系統(tǒng)和照明系統(tǒng)，從而達(dá)到舒適和節(jié)能之間的良好平衡。

照明系統(tǒng)；建筑自動化；智能建筑；模糊邏輯

當(dāng)前，建筑能耗占據(jù)了能量需求和溫室氣體排放的很大一部分。提升節(jié)能是建筑管理中優(yōu)先考慮的問題。隨著技術(shù)的提升，保證一座建筑內(nèi)的舒適性愈發(fā)重要，其同樣對能耗有著非常重要的影響。因此，實現(xiàn)能量需求和居住舒適的平衡顯得至關(guān)重要。在典型的辦公建筑中，人工照明及空調(diào)系統(tǒng)占據(jù)主要能耗，當(dāng)前已經(jīng)有很多促進(jìn)照明電力及舒適度的技術(shù)被開發(fā)出來，且該領(lǐng)域持續(xù)增長并取得穩(wěn)步的進(jìn)展。為了開發(fā)出更多高效率的設(shè)備，近年來的研究都聚焦于照明設(shè)計與控制，許多研究都介紹了室內(nèi)分布式照明系統(tǒng)[3]，通過優(yōu)化明亮度，統(tǒng)一性以及耀眼度來減少能量需求。日光同樣是評估建筑能耗的一個非常重要的影響因素[4]：一方面，其允許減少人工照明的需求；另一方面，其增加了空調(diào)的負(fù)荷。例如，在冬季，通過采光玻璃帶來的熱分散；夏天由于陽光輻射代理的負(fù)荷增長。日光對于人的舒適度有許多有益的幫助：其增強(qiáng)視覺舒適度，輔助調(diào)節(jié)生物周期節(jié)奏，增加認(rèn)知表現(xiàn)以及產(chǎn)生精神益處[5]。綜上所述，大量的研究調(diào)查了窗戶不同的設(shè)計及功能所帶來的影響[6-10]，并提出了優(yōu)化匹配人的舒適度及能耗要求的日光對室內(nèi)建筑的貢獻(xiàn)的模型[11-15]。在這些文獻(xiàn)中，通過設(shè)定最佳的動態(tài)遮陽系統(tǒng)和管理人工照明系統(tǒng)，進(jìn)而減小照明及取暖電力負(fù)載[16]，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的同時對于能量需求和居住者舒適度的平衡已經(jīng)實現(xiàn)[17]。

本文從文獻(xiàn)[18]中定義的模型出發(fā)，采用同樣的模糊邏輯方法，旨在模擬不同配置的房間并比較其結(jié)果，以評估房間多樣性（如窗戶結(jié)構(gòu)，玻璃特性以及墻面反射）對模糊控制系統(tǒng)所帶來的影響。利用MATLAB的模糊推理系統(tǒng)進(jìn)行模糊邏輯控制器的編程，并用SIMULINK來建模和仿真。DIVA軟件用于評估日光，遮陽設(shè)計以及照明系統(tǒng)。

1 材料與方案

1.1 房屋模型及設(shè)置

此處應(yīng)用的智能辦公室已經(jīng)被研究過其夏季的狀況，基于前文所述的模型[18]。辦公室的尺寸為：長6.6 m、寬4 m、高3 m。僅在2面較短的墻的1面上有窗戶。房間基于日光的照射程度被分為3個區(qū)域：窗戶區(qū)（WZ），過渡區(qū)（TZ）以及內(nèi)部區(qū)（IZ）。采用7種不同的房屋配置，其中的影響因素如：窗戶的結(jié)構(gòu)，玻璃的傳熱性及透明度以及墻面的反射性等都在此處分析，以便評估房屋特征、視覺以及溫度等的特性。房間的設(shè)定如表1所示，情形A作為參考情形，擁有最大的窗戶及玻璃的導(dǎo)熱和透明度。房間同時配有動態(tài)遮陽系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)窗戶的遮陽程度與光線的通透度，根據(jù)控制系統(tǒng)所給輸入25%、50%、75%以及100%的遮陽因子（SF）被考慮在其中。

表1 房間設(shè)置及DIVA仿真軟件的結(jié)果Tab.1 Results of room setting and DIVA simulation software

此處對2種電氣照明情況進(jìn)行評估：僅有開關(guān)控制模式的LED燈和通過光通量進(jìn)行調(diào)節(jié)的LED燈。每個房間的區(qū)域都采用3個內(nèi)嵌燈具，每個配備2個線性燈源。與之前的研究不同，此處使用的是窄光束燈具，所以各燈具的光通量僅影響其相對的區(qū)域。燈具的數(shù)量和位置都是按照我國的辦公室標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格確定的。

表2 燈的技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parameters of lamps

1.2 仿真步驟及特性

本文采用SIMULINK來建立房屋內(nèi)的優(yōu)化能源與采光管理控制系統(tǒng)，此處的模型是基于和文獻(xiàn)[18]相同的分層結(jié)構(gòu)模型。該模型的輸入是居住情況與天氣情況，輸入對應(yīng)的是相關(guān)的傳感器處理信號或是對應(yīng)的物理現(xiàn)象。此處采用一個居住模型來仿真，其可以激發(fā)相近的傳感器來監(jiān)測室內(nèi)狀況并管理照明系統(tǒng)。

在文獻(xiàn)[18]中這些輸入允許動態(tài)遮陽系統(tǒng)基于2種不同的模式來改變其配置：舒適模式和經(jīng)濟(jì)模式。在舒適模式中，遮陽系統(tǒng)在不超過照明系統(tǒng)要求的極限下盡最大可能的允許日光進(jìn)入房間，以保障足夠的舒適度。而在經(jīng)濟(jì)模式中，控制系統(tǒng)則管理著太陽光輻射進(jìn)室內(nèi)的強(qiáng)度以最大程度的減少HVAC和照明系統(tǒng)的用電量，最終平衡照明和空調(diào)系統(tǒng)來達(dá)到照明和溫度要求。在本文中則開發(fā)一種獨一模式（舒適+經(jīng)濟(jì)），可以同時控制照明和熱量的輸入來最優(yōu)化舒適度和電力負(fù)載，如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框架Fig.1 Control system framework

該系統(tǒng)采用傳感器監(jiān)測房間內(nèi)的照度值和溫度值。一個照明傳感器控制組（CG）已經(jīng)被安裝到3個區(qū)中。最后，該模型產(chǎn)生出遮陽和電氣照明系統(tǒng)的配置，并將相應(yīng)的信號提供給執(zhí)行器件。對應(yīng)優(yōu)化過程中的主要變量的房間的技術(shù)特征為：外部照度（lx）·太陽能輻照度（W/m2）·入住率·冷負(fù)荷溫差（℃）·外部溫度（℃）。

這些參數(shù)在一天內(nèi)每小時改變一次，為了在優(yōu)化過程中計算7個房間配置的熱行為，通過ASHRAE方案評估每個小時的熱負(fù)載[19-21]。每個區(qū)上關(guān)于照明和遮陽系統(tǒng)部分負(fù)荷操作的照度程度評估如下：

EUi=ΣjELij+EDi=ΣjSjEMLi+SF·DFi·Eout式中：EUi是區(qū)域i工作面板上的平均照度；ELij是i內(nèi)從CGJ開始的平均人工照明度；EDi是區(qū)域i上的平均日光照度；Sj是CGJ的控制信號，（在切換開關(guān)時取0或1，當(dāng)變暗時由0轉(zhuǎn)到1）EMLi；是全功率照明時區(qū)域i上的平均人工照度；SF是遮陽因子；DFi是區(qū)域i上的日光因子而Eout則是室外照度。此處采用DIALux軟件計算EMLi的值。為了評估進(jìn)入每個房間的日光，采用日光模擬軟件DIVA計算每一種配置方案中的日光因子（DF）。

1.3 模糊優(yōu)化

此處應(yīng)用一個模糊邏輯控制系統(tǒng)。采用MATLAB的模糊邏輯控制套件來定義模糊控制器。一個經(jīng)濟(jì)導(dǎo)向的控制系統(tǒng)要求能夠預(yù)測通過動態(tài)調(diào)節(jié)遮陽系統(tǒng)來保持舒適度和最小化負(fù)載所需的照明和制冷控制電力的總量。在這種情況下，通過計算代價函數(shù)CF來作為在白天中照明和制冷需要的電力總量，同時保持日光輻射值SR和遮陽因子SF的變化。作為運行的一系列模擬過程，通過增加日光輻射值和遮陽因子，將每個SF和SR的值關(guān)聯(lián)起來以最小化CF。這些將SF和SR匹配起來的優(yōu)化配置被用來定義一系列的模糊規(guī)則：根據(jù)輸入的日光值和房屋占有率，通過模糊規(guī)則來為控制系統(tǒng)設(shè)置最優(yōu)化的遮陽因子；在設(shè)置完遮陽系統(tǒng)后，可以進(jìn)行室內(nèi)溫度和照明度的計算，從而評估達(dá)到舒適要求的制冷和照明負(fù)載。此時，其他燈光控制規(guī)則同樣被引入，以確定最近的室內(nèi)照明系統(tǒng)的配置。

對2種電力照明配置系統(tǒng)進(jìn)行評估：

1）采用開關(guān)控制的LED燈。

2）采用光通量調(diào)節(jié)的LED燈。在開關(guān)配置方案中，監(jiān)測3個區(qū)域的占有率和 EUi，在靠窗區(qū)域（WZ）和過渡區(qū)（TZ），如果EUi高于/低于最小/最大門限值，則為每個區(qū)域的控制組輸入開或關(guān)的信號。在內(nèi)部區(qū)域（IZ）的燈則值在占有方案中被調(diào)節(jié)。在光通量配置方案中，則采用另一組模糊規(guī)則進(jìn)行控制。在評估每個區(qū)域的占有率后，對照明要求和EUi間的差異進(jìn)行計算：燈的光通量是使用增量控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種控制器允許逐步的增加或減小EUi來達(dá)到目標(biāo)值。

2 結(jié)果和討論

DIVA仿真軟件的結(jié)果（見表1）顯示出所有情況下房間的內(nèi)部區(qū)域的DF值有明顯的減??；特別地，當(dāng)3個區(qū)域的玻璃的通透性降低時它也隨之減小，而墻面反射對其影響較小。這些關(guān)于DF的結(jié)果作為模糊處理的輸入數(shù)據(jù)，來選擇舒適度和能量消耗的最優(yōu)方案。

對于7個房間的設(shè)置（A-G），模糊邏輯控制著遮陽因子，HVAC制冷以及燈光調(diào)節(jié)。此處將情形A作為參考模式，其他6種設(shè)置方案均和A進(jìn)行比較。一整天總的能量消耗如圖2所示。玻璃類型對能耗需求影響最大（D和E）；墻面反射對能耗影響較?。‵和G）。A和G的能量需求隨時間變化如圖3所示，其中下午1：00和2：00兩點間的空缺是因為遮陽系統(tǒng)全部關(guān)上，燈也關(guān)掉以及空調(diào)減小，此時為午餐時間。

圖2 A-G情況下的每日能量消耗Fig.2 Daily energy consumption in the case of A-G

保持和A相同的DF下，墻面反射并沒有影響；相反，低通透性的玻璃減小了DF，因此需要更小的遮陽因子。相比B和C，A具有更大的窗戶面積，導(dǎo)致需要更高的遮陽因子，增加了對燈光的需求而減少了制冷的能量需求。在開關(guān)配置方案中，B和C的小窗戶設(shè)置，導(dǎo)致最初和最后1 h對人工照明消耗的震蕩，如圖4。玻璃的類型主要影響照明能源的需求（D和E），而窗戶的大小只帶來部分影響（A到C）。在最好的DF情況下，出現(xiàn)了更高的照明消耗：在這些情況中模糊優(yōu)化邏輯設(shè)置了高的遮陽因子以達(dá)到溫度的舒適，增加了照明電力的需求而保證視覺的舒適。這種現(xiàn)象從開關(guān)控制方案中的D和E的差異可以看出：在玻璃通透性為65%時能量消耗更低，因為只有1個或2個區(qū)域（IZ和TZ）的燈被打開。相反，照明消耗在通透性為80%時更高，其原因是由于高遮陽因子導(dǎo)致所有的電燈都被打開。

圖3 A-G情況下的日常能量需求Fig.3 Daily energy demand in the case of A-G

圖4 A-G情況下日常照明電力需求Fig.4 Daily lighting power demand in the case of A-G

制冷系統(tǒng)的能量需求和改變窗戶大?。ˋ到C的設(shè)定）及墻面反射比例（情形A、F和G）的趨勢相同。如圖5所示，空調(diào)系統(tǒng)最高的能量需求變化源自玻璃的類型（情況F和G），在光通量和開關(guān)模式2種配置下均如此。

圖5 A-G情況下日?？照{(diào)電力需求Fig.5 Daily air conditioning electricity demand in the case of A-G

3 結(jié)語

能量消耗和舒適度要求的平衡是從能源角度來看的最重要的建筑挑戰(zhàn)之一，在這種框架下，引入了許多基于新技術(shù)的有效工具來改善建筑設(shè)計和運維，以響應(yīng)智能建筑的概念。然而，隨著創(chuàng)新系統(tǒng)和技術(shù)的發(fā)展，從全局和整體的角度來建立照明和溫度控制模型同樣非常重要。本文基于前人所做工作，采用一種模糊邏輯方法來優(yōu)化辦公室的電力能源消耗；通過對不同設(shè)定下的房間進(jìn)行仿真，并比較結(jié)果以評估模糊控制系統(tǒng)中房間變量帶來的影響；結(jié)果顯示墻面反射的變化對能量的消耗沒有影響，而玻璃類型的變化（DF，SHGC和通透性），同時造成照明系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)的能量需求的最大變化。值得注意的是，當(dāng)玻璃擁有更高的透明和傳輸值時（情形A），從溫度的角度來看，其有著更差的表現(xiàn)特性。正如預(yù)期的一樣，其導(dǎo)致遮陽系統(tǒng)的啟動：由于其造成電力照明需求的增加，進(jìn)而產(chǎn)生全局能量需求的增加。對于玻璃特性，在大窗戶情況下（情況A），制冷和照明的能量需求高于其他情況。值得注意的是，相較于開關(guān)方案，人工照明光通量控制造成能量消耗的增加，但是保證了更平穩(wěn)的功率控制。事實上，由于日光和遮陽系統(tǒng)，它根據(jù)照度值的不同調(diào)節(jié)了工作區(qū)域的照明排放，開關(guān)控制具有更小的精確性并找出能量排放的震蕩（情況B和C）以及房間內(nèi)較低的照度，這影響了視覺舒適度。本文所提的方法對策需要進(jìn)一步進(jìn)行研究，如對輸入數(shù)據(jù)和模糊規(guī)則更具體和精確的定義。對應(yīng)其他環(huán)境和海拔下的測試同樣值得研究，以驗證是否需要不同的遮陽和照明系統(tǒng)。

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Research on Adaptive Control Lighting System in Buildings with Near-Zero Energy Consumption

LUO Yiming，HU Shan
（Hubei University of Technology，Wuhan 430068，Hubei，China）

With the constant increase of energy consumption and carbon dioxide emission，building automatic management systems have been developed to improve the energy efficiency of buildings while maintain indoor comfort.With the development of the hardware，the demand for corresponding control system solutions to enhance intelligent building management is also on the rise.Under this framework，fuzzy logic is a potential tool to develop the corresponding control system.In this paper，fuzzy logic is used to optimize the function and the energy consumption of an office building.We have modeled a different house price configuration using existing models and compared the results to evaluate the effects of room variables（window structures，glass properties，and wall reflections）in a fuzzy control system.It is worth noting that，with the same daylight input，different room configurations require different management modes to control the sunshade system and the lighting system to achieve a good balance between comfort and energy efficiency.

lighting system；building automation；intelligent building；fuzzylogic

2017-02-27。

羅亦鳴（1979—），男，碩士，講師，研究方向為環(huán)境設(shè)計；

（編輯 張曉娟）

1674-3814（2017）05-0001-05

TM594

A

國家自然科學(xué)基金（60673072）。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（60673072）.

胡 珊（1980—），女，碩士，副教授，研究方向為信息與交互設(shè)計。