同濟大學機械與能源工程學院 李崢嶸，張信民，余旭蕓，朱  晗, 李璨君

       【摘  要】當前針對遮陽系統自動控制的研究多以物理環境參數，如光照度、輻照度等，作為控制策略的輸入和評價指標。然而，此類物理環境參數無法直觀地描述人員對室內環境的光熱舒適需求，以此制定的控制策略由于經常偏離目標人員的真實光熱舒適需求，既造成了人員對室內環境營造效果的不滿意，又無法起到通過遮陽降低建筑負荷的目的。學者們提出了各類描述人員光熱舒適度的關鍵性能指標，如描述光環境的DGP，描述熱環境的PMV等。隨著當前芯片技術的發展，實時計算此類復雜的關鍵性能指標逐漸成為可能。因此，結合基本的遮陽控制目標，本文提出了一種基于關鍵性能指標的遮陽自控邏輯。仿真結果表明，所提出的控制策略在確保人員視覺舒適和熱舒適的條件下，在夏季使得進入房間的太陽輻射得熱量減少了60％。與無遮陽裝置相比，該策略不會導致照明能耗的增加。

       【關鍵詞】遮陽控制策略；性能指標；光熱舒適；降低能耗

Abstract: Most of the existing studies about automatic control of shading use physical environmental parameters as the input and evaluation indicators of control strategies, such as illuminance and irradiance. However, these parameters cannot accurately describe occupants' sense. Hence the effect of the control strategies based on the physical environmental parameters always deviate from the real requirement and preferences of occupants, which leads to the dissatisfaction with the environment and the failure to decrease the load. In the past research, scholars proposed kinds of performance indicators to the visual and thermal comfort of occupants, such as DGP, PMV. With the development of chip technology, it is possible to calculate such complex performance indicators in real time. In this study, a shading control logic based on the selected key performance indicators is proposed. The control strategy generated by this logic can well meet the requirement and preferences of occupants. It is proved by simulation that the proposed control strategies with the objective of combining the energy saving and comfort demands reduce the solar radiation heat gain by 60% in the cooling season under the condition of ensuring the visual and thermal comfort of occupants, and it almost do not lead to the increase of lighting energy consumption compared with no shading.

Keywords: Shading control strategy; Performance indicators; Visual and thermal comfort; Energy consumption

0 引言

       建筑環境營造技術種類眾多，遮陽技術是其中一種。設置遮陽的首要目的是避免在極端情況下，過量的日光和太陽輻射進入房間，造成人員的光熱不適。其次，設置遮陽能夠在制冷季減少透過圍護結構進入室內的熱量，并降低峰值負荷，降低空調系統的運行能耗。表1展示了部分研究中遮陽在減少過熱、提升視覺舒適及降低能耗方面的表現。

表1 部分研究中遮陽減少過熱、提升視覺舒適及節約能耗降低能耗的表現匯總

       但是，手動控制遮陽的節能效果被普遍高估，Christoffersen等^[7]通過實驗研究發現，人員往往將遮陽設置在“最糟糕”的位置，并且長時間保持遮陽簾位置不變。Littlefair等^[8]通過實驗對比了靜態遮陽、人員手動控制遮陽與自動控制遮陽的效果。對于外遮陽，自動控制遮陽系統降低了66%的空調能耗。Kim等^[9]通過模擬方法對比手動遮陽控制與自動遮陽控制后發現，自動遮陽控制在夏季降低的能耗約為30%。因此，人員調節并不能充分發揮遮陽的潛在作用。另一方面，隨著建筑節能領域研究的逐漸深入，遮陽自動控制的重要性日益凸顯，其關注度也不斷提升。

1 基于性能指標的遮陽控制邏輯的提出

       常見的遮陽自動控制策略可以分為以下四類：

       1）基于閾值或閾值組合的開環遮陽控制

       這一控制方法通常采用室外環境變量作為觸發遮陽控制的參考變量，當環境參數超過閾值時，遮陽控制被觸發。環境變量及其閾值的選取多來源于研究者對室內人員調節遮陽的規律或是人員光熱舒適規律的總結。這些環境變量包括但不限于：水平面太陽輻照度、立面太陽輻照度、太陽方位角、太陽高度角等。

       2）基于閾值或閾值組合的閉環遮陽控制

       這一控制方法通常采用室內環境變量作為控制目標。閉環控制的特點是以某一種或多種環境參數作為控制目標，通過遮陽控制使得該環境參數落在確定的范圍內。開環控制的優點是利于實現，缺點是控制精度較低，往往不能使環境參數落在所需的范圍內。閉環控制的優點是控制精細，缺點是需要傳感器系統持續穩定工作。遮陽閉環控制系統在既有研究中多出現在實驗室環境中，其原因在于實際環境中人員活動密集，室內傳感器系統易受到人員影響，難以持續穩定地進行測量。

       3）情景化的遮陽控制

       這一控制方法在不同的使用場景，使用傳感器網絡和氣象數據，設計復雜的遮陽控制邏輯從而確定遮陽的調節程度。情景化遮陽控制往往能夠有效地實現控制目標，但由于依賴大量傳感器實測數據作為必要的數據訓練基礎，多出現在實驗室研究中，適用范圍有限，難以應用到實際環境中。

       4）基于性能指標的遮陽控制

       這一控制方法針對控制目標，選定性能指標，并根據模型對能耗、環境等性能指標的計算結果進行遮陽控制。Wienold等^[10]提出使用模擬工具計算各遮陽設置情況下的環境參數時間序列，以替代傳感器系統測量，從而實現基于環境數據的實時遮陽控制。這種控制方式的優勢有兩點：（1）使用模擬工具替代傳感器系統獲取數據，避免了復雜的安裝和調試工作，并且不易受到室內人員的干擾；（2）使用模擬工具能夠更便捷地計算出傳感器難以測量得到的復雜參數，例如眩光可能性指標等參數。Wienold等人通過實驗研究發現，使用復雜參數作為遮陽控制參數的遮陽控制效果優于使用復雜傳感器系統。原因在于，眩光可能性、PMV等復雜參數更為直接和準確地體現了人員的舒適性需求，將評價參數用作控制參數，自然能夠得到更為優越的遮陽控制效果。

       因此，若不考慮復雜參數的獲取難度，基于性能指標的遮陽控制是從控制需求出發的目標導向的控制方式，在提供舒適環境并降低能耗方面最具潛力?；谛阅苤笜说恼陉柨刂频年P鍵問題并非設計何種控制邏輯，而是遮陽性能指標的獲取。設計簡單可靠的遮陽性能指標獲取方法，從控制目標出發采用基于性能指標的遮陽控制策略，即抓住了遮陽控制的關鍵，在降低了遮陽控制系統復雜性的同時，又保證了其有效性。因此，本研究結合實際案例設計了基于性能指標的遮陽控制方法，并對其遮陽控制效果進行了模擬驗證。

2 遮陽控制性能指標的選取及模擬計算

       遮陽性能指標有兩個維度的分類方式，一是舒適與節能，二是光與熱。按照此種分類方式，遮陽對建筑環境和能耗的影響有四個方面，分別是：光環境舒適、熱環境舒適、照明能耗和空調采暖能耗。

       2.1 光環境舒適指標的選取

       采光過于充足時，眩光和照度不均勻的情況會引起視覺不舒適。眩光是一種主觀感覺，描述了人員視野范圍內光線的強度，或視野中明暗對比超過人員能夠適應的強度的現象。眩光分為失能眩光和不舒適眩光，其中不舒適眩光是一種主觀現象，可以通過觀察者視野中的亮度分布的分析得到。
Hopkinson于1972年提出評價大面積眩光源下眩光水平的指標：DGI。DGI指標在均勻的人工光源條件下建立，不適用于自然采光條件，DGP則克服了這一缺陷。表2展示了DGP值與人員感受的對應關系，一般地，當DGP值大于0.35時，出現不舒適眩光。測量人眼處和所有眩光源的亮度，并結合眩光源與人眼的相對立體角即可求得眩光值DGP。

表2 眩光可能性 DGP值與人員感受的對應關系

       使用眩光指標DGP作為光環境舒適的評價指標已成為共識。Pesenti^[11]等使用模擬方法計算DGP，對比分析了27種遮陽構型下自然采光和光環境舒適的情況。Lavin^[12]等以自然采光利用度和眩光指標作為優化目標，使用遺傳算法得到了最優的遮陽幕墻結構。相較于原有結構，不舒適眩光現象幾乎不再出現。故本研究選用DGP指標作為描述光環境舒適的性能指標。

       2.2 熱環境舒適指標的選取

       PMV^[13]指標是評價室內熱環境的通用指標。該指標綜合了空氣溫度、空氣濕度、空氣流動速度、平均輻射溫度、人體新陳代謝率和服裝熱阻等因素，反映了人員熱舒適水平。

       在傳統的PMV模型中，落在人員身上的太陽輻射沒有被考慮在內。但在實際情況中，人員的太陽輻射得熱很大程度上影響了人員熱舒適。當人員靠近窗口，太陽輻射照射在人員身上時，傳統PMV模型將不再適用于人員熱舒適的評價。為解決這一問題，Gennusa^{[13, 14]}等人從平均輻射溫度切入，將太陽輻射分為太陽直射輻射和太陽散射輻射，并建立了考慮太陽輻射的平均輻射溫度計算模型，將考慮太陽輻射的輻射不對稱度RTA*作為熱舒適評價指標，衡量設置遮陽前后的室內人員熱舒適水平，從而更為準確地衡量太陽輻射條件下的室內熱環境情況。因此，本研究采用RTA*作為描述熱環境舒適的性能指標。

       2.3 照明能耗指標的選取

       設置遮陽將遮擋部分太陽光，降低自然采光的有效利用。為了維持室內照度水平，人工光源的使用將提高照明能耗。國標GB 50033-2013《建筑采光設計標準》指出，辦公建筑自然采光下工作面照度不應低于450lux。美國照明工程師學會IEA將500lux作為自然采光下限值。當工作面照度低于閾值時，應當開啟人工光源以維持適宜的工作照度環境。

       通過采光模擬能夠求得桌面照度，從而確定是否需要開啟人工光源。本研究選用工作面照度作為衡量自然采光利用的性能指標。

       2.4 空調能耗指標的選取

       太陽輻射透過透明圍護結構進入室內，在空調季形成冷負荷，在采暖季提升室內溫度。設置遮陽將改變通過透明圍護結構進入室內的太陽輻射得熱，從而降低或提高空調和采暖能耗。因此，本研究選用太陽輻射得熱作為衡量空調能耗的性能指標。

       2.5 遮陽控制性能指標的模擬計算

       本研究選用EnergyPlus和Radiance作為模擬計算內核，并采用Rhino-Grasshopper模塊中的Diva、Ladybug和Honeybee插件，實現實際氣象條件下的遮陽性能指標模擬。本研究采用Diva插件運行Radiance內核計算透過窗戶和遮陽進入室內的太陽輻射得熱、工作面照度和眩光可能性指標。對于RTA*，首先以人員所在位置為基點，用平面劃分靠近窗口和遠離窗口的半空間，之后分別計算兩個半空間的平均輻射溫度，取二者的差值即可求得RTA*。平均輻射溫度采用Grasshopper-honeybee插件運行OpenStudio內核進行計算。

3 案例研究與模擬驗證

       正如上文所述，基于性能指標的遮陽控制的關鍵問題并非設計何種控制邏輯，而是遮陽性能指標的獲取。設計簡單可靠的遮陽性能指標獲取方法，從控制目標出發采用基于性能指標的遮陽控制策略，即抓住了遮陽控制的關鍵，在降低了遮陽控制系統復雜性的同時，又保證了其有效性。因此，采用案例研究的方式探討基于性能指標的遮陽控制模式的效果。

       3.1 基于性能指標的遮陽控制策略

       從目的與需求出發是基于性能指標的遮陽控制最大的特點，將選取的遮陽性能指標的優先級排列組合，可以得到六種遮陽控制策略，分別是：在保證人員舒適基礎上盡可能節能、節能優先、舒適優先、犧牲部分人員舒適度以更大程度節能、太陽輻射得熱利用與熱舒適優先和自然采光與光環境舒適優先。分析中，假設當工作面照度小于300lux時，照明開啟并產生照明能耗。圖1-圖6展示了這六種遮陽控制方法的控制邏輯圖。下一小節將比較各遮陽控制邏輯的控制效果。

圖1 在保證人員舒適的基礎上，盡量節能控制                               圖2 節能優先控制

           圖3 舒適優先控制              圖4 犧牲部分人員舒適性，進一步節能控制

圖5 太陽輻射利用與熱環境舒適優先控制     圖6 自然光利用與光環境舒適優先控制邏輯

       3.2 案例描述

       案例一位于美國加州的勞倫斯-伯克利實驗室^[2]。房間窗口朝向為南向,人員位置處于靠窗0.76m處，對稱布置，均朝向墻面，更詳盡的模型信息及實驗驗證參見Park^[2]等人的介紹。案例二位于韓國首爾^[15]，房間窗口朝向為南向，人員位置處于靠窗1m處，人員朝向窗口，更詳盡的模型信息及實驗驗證參見Yun^[15]等人的介紹。案例三位于德國弗萊堡^[3]，房間窗口朝向為東向，人員位置處于靠窗1.6m處，人員朝向窗口且與窗口法向呈45°夾角，更詳盡的模型信息及實驗驗證參見Wienold^[16]等人的介紹。下表展示了各案例的參數設置情況。

表3 各案例房間參數設置匯總

       3.3 控制結果及分析

       3.3.1 眩光可能性指標結果分析

圖7 A 案例一各遮陽控制策略全年眩光可能性指標熱力圖； B 案例二各遮陽控制策略全年眩光可能性指標熱力圖； C 案例三各遮陽控制策略全年眩光可能性指標熱力圖

       圖7展示了案例一至案例三各遮陽控制策略下，全年眩光可能性指標的堆積熱力圖。從上至下依次為前述第1至第6種遮陽控制方法和不設置遮陽下的眩光可能性指標熱力圖。熱力圖色塊由淺至深代表眩光可能性指標由0至1，單一熱力圖橫向由全年365天堆積而成，縱向由早8點至晚5點的9個小時堆積而成。對比全年眩光可能性指標熱力圖發現：

       第1、3、4、6種遮陽控制策略在控制眩光方面表現良好，第2、5種控制策略在眩光控制方面表現不佳。即僅考慮節能、僅考慮熱環境的遮陽控制策略不能有效地控制眩光，特別是在太陽高度角較低的清晨和傍晚；考慮眩光的遮陽控制方法均能有效地將眩光控制在一定范圍內。

       對比各案例的遮陽控制結果，各遮陽控制方法在不同案例中的眩光控制表現一致?；谛阅苤笜说恼陉柨刂品椒ㄔ谘９獾目刂菩Ч?，對案例邊界條件的變化不敏感。這一結果的原因在于：基于性能指標的遮陽控制方法是目標導向的控制方法，控制參數與評價指標一致。不論邊界條件如何改變，同一基于遮陽性能指標的控制方法在控制結果上變化不大。

       3.3.2工作面照度與自然采光結果分析

圖8 A案例一各遮陽控制策略全年工作面照度熱力圖； B案例二各遮陽控制策略全年工作面照度熱力圖； C案例三各遮陽控制策略全年工作面照度熱力圖

       圖8展示了案例一至案例三各遮陽控制策略下，工作面照度的堆積熱力圖。從上至下依次為前述第1至第6種遮陽控制方法和不設置遮陽下的工作面照度熱力圖。熱力圖色塊由淺至深代表工作面照度由0lux至3000lux，單一熱力圖橫向由全年365天堆積而成，縱向由早8點至晚5點的9個小時堆積而成。對比全年工作面照度熱力圖發現：

       第1、3、4、6種遮陽控制策略在控制工作面照度方面表現良好，第2、5種控制策略在控制工作面照度方面表現不佳。僅考慮節能、僅考慮熱環境的遮陽控制策略不能有效地控制工作面照度，特別是在太陽高度角較低的清晨和傍晚；考慮眩光的遮陽控制方法均能有效地將工作面照度控制在一定范圍內。在太陽輻射強度較高的午間，僅考慮熱環境的第5種遮陽控制策略將導致較高的遮陽關閉率，引起工作面照度不足，需要補充照明。

       對比各案例的遮陽控制結果，各遮陽控制方法在各案例中的工作面照度控制的表現一致，對案例邊界條件的變化不敏感。

       3.3.3 熱舒適指標結果分析

圖9 A案例一各遮陽控制策略全年輻射不對稱度熱力圖；B案例二各遮陽控制策略全年輻射不對稱度熱力圖；C案例三各遮陽控制策略全年輻射不對稱度熱力圖

       圖9展示了案例一至案例三各遮陽控制策略下，輻射不對稱度的堆積熱力圖。從上至下依次為前述第1至第6種遮陽控制方法和不設置遮陽下的輻射不對稱度熱力圖。熱力圖色塊由淺至深代表輻射不對稱度由0℃至10℃，單一熱力圖橫向由全年365天堆積而成，縱向由早8點至晚5點的9個小時堆積而成。對比全年輻射不對稱度熱力圖發現：

       第1、3、4、5、6種遮陽控制策略在控制輻射不對稱度方面表現良好，第2種控制策略在控制輻射不對稱度方面表現不佳。僅考慮節能的遮陽控制策略不能有效地控制輻射不對稱度。

       對比各案例的遮陽控制結果，各遮陽控制方法在輻射不對稱度控制方面的表現一致，對案例邊界條件的變化不敏感。

       3.3.4 房間太陽輻射得熱結果分析

圖10 案例一空調季房間窗口單位面積太陽輻射得熱；圖11 案例一采暖季房間窗口單位面積太陽輻射得熱

圖12 案例二空調季房間窗口單位面積太陽輻射得熱；圖13 案例二采暖季房間窗口單位面積太陽輻射得熱

圖14 案例三空調季房間窗口單位面積太陽輻射得熱；圖15 案例三采暖季房間窗口單位面積太陽輻射得熱

       如圖10至圖15所示，分別為案例一至案例三空調季與采暖季太陽輻射得熱散點圖。對比房間窗口單位面積太陽輻射得熱散點圖可以發現：

       在空調季，第2、3、5種遮陽控制策略能夠有效削弱太陽輻射得熱峰值，而第1、4、6種遮陽控制策略表現不佳。具體地，僅考慮人員舒適和僅考慮光環境的遮陽控制策略在空調季削弱太陽輻射得熱方面表現不佳。在采暖季，第2、3、5種遮陽控制策略能夠利用太陽輻射得熱，而第1、4、6種遮陽控制策略表現不佳。具體地，僅考慮人員舒適和僅考慮光環境的遮陽控制策略在太陽輻射熱利用方面表現不佳。

       對比各案例，各遮陽控制策略在不同案例中房間太陽輻射得熱控制的表現基本一致，對案例邊界條件的變化不敏感。

       3.3.5 基于性能指標的遮陽控制方法控制結果匯總分析

       表4以案例一為例展示了各遮陽控制策略在光熱環境舒適、照明開啟時長與房間太陽輻射得熱方面的控制效果。其中對于DGP和RTA指標，統計超過閾值時刻的占比；對于燈光開啟時長，統計工作面自然采光照度低于300lux時刻的占比；對于窗口輻射得熱，統計與不設置遮陽相比的相對變化百分比。第2、5、6種遮陽控制策略在光熱舒適方面表現不佳，第5種控制策略下照明開啟時長顯著增加，第1、2、3、5種控制策略在空調季有效地削減了太陽輻射得熱，第2、5種控制策略在采暖季有效地利用了太陽輻射得熱?？傮w上，綜合考慮節能和舒適的遮陽控制策略除在采暖季太陽輻射利用方面表現不佳外，其他方面均表現優秀。目標導向的基于性能指標的遮陽控制策略，能夠實現遮陽控制的目標。

表4 案例一各遮陽控制策略控制效果匯總

4 結論

       提出基于性能指標的遮陽控制的關鍵問題并非設計何種控制邏輯，而是遮陽性能指標的獲取。設計簡單可靠的遮陽性能指標獲取方法，從控制目標出發采用基于性能指標的遮陽控制策略，即抓住了遮陽控制的關鍵，在降低了遮陽控制系統復雜性的同時，又保證了其有效性。

       本文在前人研究的基礎上，從舒適與節能、光與熱兩個維度、四個方面總結了遮陽控制的關鍵性能指標。選取的關鍵性能指標包括：眩光可能性指標DGP、考慮太陽輻射的輻射不對稱度RTA*、工作面照度和房間窗口太陽輻射得熱,并提供各指標的模擬計算方法。

       本研究采用基于性能指標的遮陽控制方法構建了一種滿足光熱綜合需求的遮陽新型控制模式。采用案例研究方法得出綜合節能與舒適性能指標的遮陽控制策略，總體上控制效果優秀，僅考慮節能或舒適的遮陽控制策略不能滿足舒適或節能的需要。各遮陽控制策略在不同案例下的控制效果基本一致，基于性能指標的遮陽控制方法的控制效果對案例邊界條件的變化不敏感。

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2021年4月刊 總第42期（第二十屆全國暖通空調模擬學術年會論文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。