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(shí)驗(yàn)室

4 建筑節(jié)能與環(huán)境控制衡陽市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

隨著建筑節(jié)能工作的逐步實(shí)施，在建筑節(jié)能法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)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(xiàng)，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(shí)現(xiàn)遙控操作的目的[4]。對(duì)比其他智能遮陽產(chǎn)品，智能遮陽百葉可以實(shí)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(gè)整體，可以作為建筑“第二表皮”，如圖1 所示。除此之外，電動(dòng)外掛金屬百葉具有很好的耐候性，能有效將室外熱量進(jìn)行阻隔[5]。本文分別從智能遮陽百葉的實(shí)驗(yàn)研究和基于三種模擬軟件對(duì)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(jìn)展。

圖1 智能遮陽百葉表皮

1 對(duì)智能遮陽百葉的實(shí)驗(yàn)研究

在M.Ahmed[6]等人看來，對(duì)于智能遮陽系統(tǒng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究可以采用三種：采用實(shí)際比例模型的實(shí)際控制、采用實(shí)際比例模型的數(shù)字控制和采用小型測(cè)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(shí)際比例模型的數(shù)字控制方法對(duì)智能遮陽百葉展開實(shí)驗(yàn)研究，在采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案后，通過實(shí)驗(yàn)與優(yōu)化前的各項(xiàng)參數(shù)和能耗值進(jìn)行對(duì)比。郭德平[7]以北京市某高校1 間教室為研究對(duì)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(duì)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(shí)節(jié)能率為57.7%，晴天時(shí)節(jié)能率為63.5%。Tzempelikos 和Athienitis[8]采用實(shí)際比例模型的數(shù)字控制方法，對(duì)加拿大的一間辦公室里的一種動(dòng)態(tài)滾輪遮光罩進(jìn)行照明和空調(diào)能耗測(cè)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(jì)了一種自動(dòng)百葉窗來作為遮陽系統(tǒng)，對(duì)辦公建筑日光分布不均的問題進(jìn)行優(yōu)化。該系統(tǒng)對(duì)每一個(gè)百葉的變化和翻轉(zhuǎn)進(jìn)行獨(dú)立控制，最后在晴朗和多云的天空條件下進(jìn)行實(shí)測(cè)，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(cè)試了動(dòng)態(tài)百葉窗對(duì)阿布扎比一個(gè)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(duì)幾個(gè)工況進(jìn)行了建模與測(cè)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(shí)驗(yàn)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(duì)智能遮陽百葉進(jìn)行研究。郭鵬偉[11]以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)對(duì)模糊控制算法進(jìn)行優(yōu)化，提出一種以電動(dòng)百葉可翻轉(zhuǎn)式百葉窗為被控對(duì)象系統(tǒng)描述了整個(gè)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(píng)價(jià)方法，包括對(duì)一種新型動(dòng)態(tài)可調(diào)材料的分析，如圖2 所示。為了對(duì)新材料中組成的智能遮陽系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(duì)新材料組成的智能遮陽系統(tǒng)進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)。與Yun Kyu Yi 采用的方法類似，楊吳寒[13]針對(duì)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(jī)控制旋轉(zhuǎn)角度，在光照傳感器的配合下可以對(duì)光線進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，并采用一款控制系統(tǒng)軟件依附于計(jì)算機(jī)平臺(tái)，便于系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)測(cè)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(shí)驗(yàn)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(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)嘗試建立了能夠計(jì)算不同百葉角度的遮陽系數(shù)公式。

綜上所述，學(xué)者們對(duì)于智能遮陽百葉的實(shí)驗(yàn)研究中，主要是通過對(duì)既有建筑的遮陽百葉產(chǎn)品對(duì)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(jìn)行優(yōu)化，用計(jì)算機(jī)語言語言編制了一套新的模擬控制方案。在評(píng)價(jià)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(shí)驗(yàn)的時(shí)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(jì)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(cè)和評(píng)價(jià)遮陽效果對(duì)能耗影響的重要研究手段。

2 對(duì)智能遮陽百葉的模擬研究

2.1 基于EnergyPlus 對(duì)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(shí)驗(yàn)室共同開發(fā)一款建筑能耗模擬引擎，可以用來對(duì)建筑采暖，制冷，照明，通風(fēng)以及其他能源消耗進(jìn)行全面能耗模擬分析和經(jīng)濟(jì)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(píng)估了阿聯(lián)酋辦公室一智能遮陽百葉裝置，使用EnergyPlus測(cè)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(dòng)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(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(duì)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(dòng)態(tài)光環(huán)境，以全自然采光時(shí)間百分比和最大全自然采光時(shí)間百分比為標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)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(yùn)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(duì)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(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬。結(jié)果表明，對(duì)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(shí)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)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(dòng)百葉簾對(duì)能耗和視覺舒適度影響，在Enegyplus 中測(cè)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(shí)，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(shí)天空條件和相對(duì)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(dòng)態(tài)控制的節(jié)能效果顯著，約為24.9%。

2.2 基于Grasshopper 對(duì)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(tái)運(yùn)行，是目前數(shù)據(jù)化設(shè)計(jì)方向的主流軟件之一，同時(shí)與交互設(shè)計(jì)也有重疊的區(qū)域。國內(nèi)外學(xué)者們多采用Grasshopper 對(duì)智能遮陽百葉進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，形成一層“建筑表皮”，與能耗模擬軟件結(jié)合運(yùn)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(kuò)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(shí)，為人們提供更好生活體驗(yàn)，更多的人基于Grasshopper對(duì)建筑技術(shù)進(jìn)行仿真。Sjarifudin 和Justina[24]測(cè)試了雅加達(dá)一棟SOHO 大樓里智能遮陽百葉對(duì)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(jìn)行一天的實(shí)測(cè)，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?yàn)榫帉懰惴ǔ绦驒C(jī)械性的重復(fù)操作及大量具有邏輯的演化過程可被計(jì)算機(jī)的循環(huán)運(yùn)算取代，所以Grasshopper 可以進(jìn)行復(fù)雜的方案設(shè)計(jì)和參數(shù)化修改，一些學(xué)者基于Grasshopper 對(duì)于智能百葉采用了參數(shù)化設(shè)計(jì)。Kim 等人[26]對(duì)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(jìn)行建模并對(duì)其進(jìn)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(diǎn)選在了埃及，分別對(duì)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(dòng)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(jìn)行了評(píng)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(duì)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(gè)整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程對(duì)于Grasshopper 的參數(shù)化設(shè)計(jì)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(dòng)調(diào)節(jié)的可能性，前者提供了一種發(fā)展研究新型互動(dòng)裝置的研究思路，而后者側(cè)重對(duì)遮陽構(gòu)件做整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(píng)價(jià)指標(biāo)，通過計(jì)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程示意圖

2.3 基于Ecotect 對(duì)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(jì)算核心[32]。這是一款功能全面的可持續(xù)設(shè)計(jì)及分析工具，用戶可以利用強(qiáng)大的三維表現(xiàn)功能進(jìn)行交互式分析，模擬日照，遮陽和采光等因素對(duì)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(duì)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(duì)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(jì)了一種電動(dòng)百葉裝置，更方便學(xué)生使用。

在基于Ecotect 對(duì)遮陽百葉的模擬研究中，學(xué)者們對(duì)于涉及到智能遮陽的研究比較少，而對(duì)于普通百葉遮陽方面，學(xué)者們的研究比較多，對(duì)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(duì)現(xiàn)有遮陽百葉存在的不能同時(shí)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(yùn)用Ecotect軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，通過對(duì)模擬數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)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(píng)價(jià)指標(biāo)，分析百葉不同傾角和不同間距的水平百葉對(duì)室內(nèi)采光和光環(huán)境的影響。

圖5 遮陽百葉改進(jìn)示意圖

綜上所述，學(xué)者們采用模擬方法對(duì)智能遮陽百葉的研究中，主要是基于Energyplus，Grasshopper 和Ecotect 三款軟件進(jìn)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(duì)于變量的控制較為方便，可以根據(jù)不同的研究對(duì)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(jì)算與模擬，真實(shí)再現(xiàn)著虛擬的光環(huán)境，為準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖和準(zhǔn)確把控設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)提供了參數(shù)化的事實(shí)和依據(jù)，為進(jìn)一步改進(jìn)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(jì)還存在著一些不能完全協(xié)調(diào)的因素，尤其在面對(duì)大量數(shù)據(jù)資料、復(fù)雜計(jì)算、大型空間設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)存在紕漏，所以，采用實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的研究方法能夠?yàn)檠芯刻峁└诱鎸?shí)客觀的資料。

3 結(jié)語

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

1）在研究方法的采用上，較為單一。對(duì)于采用實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的研究方法，學(xué)者們運(yùn)用得較少。

2）對(duì)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(xiàng)參數(shù)設(shè)置均對(duì)建筑能耗有著影響，而目前大部分研究缺乏對(duì)整體環(huán)境的考量，影響了結(jié)論的參考價(jià)值。

3）應(yīng)加強(qiáng)長時(shí)間尺度模擬的研究。實(shí)踐中設(shè)計(jì)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(gè)空調(diào)供暖季的最佳遮陽狀態(tài)。因此，對(duì)于建筑智能遮陽對(duì)建筑節(jié)能的影響，也需要開展相應(yīng)時(shí)間尺度的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

4）目前學(xué)者們無論是針對(duì)氣候區(qū)還是建筑類型的遮陽的研究尺度都比較寬泛。因?yàn)椴煌墓鈿夂騾^(qū)之間差異較大，而不同類型的建筑對(duì)于遮陽也有不一樣的要求，所以應(yīng)針對(duì)某一個(gè)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(duì)某一類型的建筑，比如住宅建筑、辦公建筑、公共建筑等。