智能遮陽百葉技術研究進展

徐俊彥 王漢青

1 南華大學土木工程學院

2 中南林業科技大學

3 建筑環境控制技術湖南省工程實驗室

4 建筑節能與環境控制衡陽市重點實驗室

0 引言

隨著建筑節能工作的逐步實施，在建筑節能法規、標準的推動下[1-2]，建筑智能遮陽技術迅速發展。如今，未來建筑逐漸向智能型、科技型過渡[3]，在手工調節的基礎上，增設智能選項，如智能窗簾、可調節色系的遮擋布、智能升降板、遮陽百葉等，解放人力，實現遙控操作的目的[4]。對比其他智能遮陽產品，智能遮陽百葉可以實現更精準的遮陽，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，對于智能遮陽系統技術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字控制和采用小型測試單元的數字控制，其中數字控制中最常用。

一些學者采用實際比例模型的數字控制方法對智能遮陽百葉展開實驗研究，在采用優化設計方案后，通過實驗與優化前的各項參數和能耗值進行對比。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，分析百葉旋轉角度與室內溫度變化，光照度分布之間的變化情況，以及百葉的智能調節對照明與空調能耗的影響。結果表明，節能效果比較明顯，陰天時節能率為57.7%，晴天時節能率為63.5%。Tzempelikos 和Athienitis[8]采用實際比例模型的數字控制方法，對加拿大的一間辦公室里的一種動態滾輪遮光罩進行照明和空調能耗測試。結果顯示，其開啟功率小于20 W/m2，與無遮擋的窗戶相比，這種裝置以及調光控制方法每年可減少50%的空調能耗。Hashemi[9]設計了一種自動百葉窗來作為遮陽系統，對辦公建筑日光分布不均的問題進行優化。該系統對每一個百葉的變化和翻轉進行獨立控制，最后在晴朗和多云的天空條件下進行實測，結果表明，該系統明顯改善了室內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]測試了動態百葉窗對阿布扎比一個辦公空間的照明和空調能耗的影響。該控制旨在確保最低能耗，并結合考慮相關參數的照明策略，并在能耗模擬軟件中對幾個工況進行了建模與測試。結果顯示減少了約28%～34%的人工照明和空調能耗。

一些學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]以模糊數學為基礎對模糊控制算法進行優化，提出一種以電動百葉可翻轉式百葉窗為被控對象系統描述了整個系統工作的新原理，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評價方法，包括對一種新型動態可調材料的分析，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合，對新材料組成的智能遮陽系統進行了性能評價。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軟件依附于計算機平臺，便于系統的統一監測和管理。

圖2 新型智能遮陽系統示意圖

圖3 智能弧形百葉示意圖

除此之外，一些學者采用實驗方法尋求智能遮陽百葉角度和室內溫度變化，光照度分布等參數之間關系。馬蕊[14]通過對實驗數據分析，在一定范圍內找到了百葉角度與遮陽系數之間的關系，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公式。

綜上所述，學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品對室內遮陽效果和能耗的影響，找到現遮陽百葉產品存在的不足，提出的新的優化控制策略，比如調整最佳參數值，或者基于某種模糊控制算法進行優化，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，數值模擬技術已成為定量預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，通風以及其他能源消耗進行全面能耗模擬分析和經濟分析[15]。常見的EnergyPlus 的用戶界面有OpenStudio 和DesignBuilder。

Giovannini 等人[16]以照明能耗和空調能耗評估了阿聯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辦公建筑室內光環境基礎上明確了將自動控制遮陽百葉和人工智能調光系統整合的基于光舒適的優化節能模型方案，并且利用EnergyPlus 驗證了該模型在南京地區的適用性和節能率，通過正交實驗設計方法最終得出南京地區各朝向優化方案。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光環境，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準，評價室內采光環境，得出結論：基于室內視覺舒適度考慮，在保障室內光照充足的條件下，垂直遮陽百葉優于水平遮陽百葉。劉凱[19]運用EnergyPlus 模擬合肥地區建筑各向房間的冬夏季空調總能耗，以空調能耗為控制指標，得到東西向較優智能遮陽模式的最佳百葉傾角范圍，與無遮陽相比，東西向房間空調能耗降低10.3%，整層空調能耗降低5.4%。建筑外墻采用綜合遮陽，整層的空調能耗降低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光熱環境進行了動態模擬。結果表明，對于智能控制的百葉外遮陽，節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 每隔一小時設置一次傾斜角度，根據每年人工照明和空調能耗對系統進行評估，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。當照度水平超過值（室內3000 lx、室外10000 lx、20000 lx、40000 lx）時，角度分別調整為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，將百葉調整為上下兩組。結果表明，與固定懸挑和靜止內百葉窗相比，動態控制的節能效果顯著，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，是目前數據化設計方向的主流軟件之一，同時與交互設計也有重疊的區域。國內外學者們多采用Grasshopper 對智能遮陽百葉進行參數化設計，形成一層“建筑表皮”，與能耗模擬軟件結合運用，在熱工與建筑美學上形成一種新型建筑語言。

通過適宜性建筑技術，更好地協調建筑與環境，建筑與人的關系，探討建筑技術的發展，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對建筑技術進行仿真。Sjarifudin 和Justina[24]測試了雅加達一棟SOHO 大樓里智能遮陽百葉對視覺舒適度的影響，利用Grasshopper 軟件開發一種新型控制算法，結合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部照度的性能，以平均有效照度的最優值為標準，采用Rhino 建模和Grasshopper 確定了最優配置，結果顯示，平均有效照度比無遮陽設施的窗戶高出33.68%。

因為編寫算法程序機械性的重復操作及大量具有邏輯的演化過程可被計算機的循環運算取代，所以Grasshopper 可以進行復雜的方案設計和參數化修改，一些學者基于Grasshopper 對于智能百葉采用了參數化設計。Kim 等人[26]對阿聯酋的一辦公樓比較了復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，結果顯示，與無遮陽設施相比，折紙形智能百葉遮陽和固定式遮陽各能節省60%和9%的空調能耗。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格式遮陽百葉，利用百葉窗和可折疊三角形構件組成的動態雙層表皮系統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，從結果上顯示都對日光性能和節能的效果有了不同程度的優化。

除此之外，一個整體的優化設計流程對于Grasshopper 的參數化設計顯得尤為重要，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節的可能性，前者提供了一種發展研究新型互動裝置的研究思路，而后者側重對遮陽構件做整體優化設計，并做數據分析和整理，如圖4 所示，以外遮陽系數和采光系數為主要評價指標，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來進行優化設計。

圖4 優化設計流程示意圖

2.3 基于Ecotect 對智能遮陽百葉的模擬研究

Autodesk Ecotect Analysis 是美國Autodesk 公司開發的綜合建筑性能模擬軟件，其靜態光環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設計及分析工具，用戶可以利用強大的三維表現功能進行交互式分析，模擬日照，遮陽和采光等因素對環境的影響。

LI Qing[33]利用Ecotect 軟件分析遮陽和建筑室內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上設計了一種電動百葉裝置，更方便學生使用。

在基于Ecotect 對遮陽百葉的模擬研究中，學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，學者們的研究比較多，對于以下研究的研究內容和方法，可以借鑒到智能遮陽研究當中。張靜[34]針對現有遮陽百葉存在的不能同時滿足保溫隔熱和為室內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，并主要側重于運用Ecotect軟件進行模擬計算，通過對模擬數據結果進行分析，探索外遮陽百葉的最佳參數。石楊[35]，易斌[36]和許倩語[37]都是引入Ecotect 軟件，以室內照度分布、照度均勻度為光環境評價指標，分析百葉不同傾角和不同間距的水平百葉對室內采光和光環境的影響。

圖5 遮陽百葉改進示意圖

綜上所述，學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系，由于在模擬軟件中，對于變量的控制較為方便，可以根據不同的研究對象調整相應的參數，比如不同的百葉遮陽形式，不同的朝向，不同的遮陽構件尺寸等。通過模擬軟件的計算與模擬，真實再現著虛擬的光環境，為準確實現設計意圖和準確把控設計細節提供了參數化的事實和依據，為進一步改進與優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，室內光環境照明設計還存在著一些不能完全協調的因素，尤其在面對大量數據資料、復雜計算、大型空間設計時往往會存在紕漏，所以，采用實驗和模擬相結合的研究方法能夠為研究提供更加真實客觀的資料。

3 結語

通過以上對國內外學者對智能遮陽技術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合的研究方法，學者們運用得較少。

2）對于智能遮陽的研究應綜合考慮全遮陽要素的影響。建筑周圍的空氣溫濕度，室內外照度和太陽輻射量以及智能遮陽裝置的各項參數設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境的考量，影響了結論的參考價值。

3）應加強長時間尺度模擬的研究。實踐中設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供暖季的最佳遮陽狀態。因此，對于建筑智能遮陽對建筑節能的影響，也需要開展相應時間尺度的預測評價。

4）目前學者們無論是針對氣候區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，所以應針對某一個氣候區，比如夏熱冬暖地區、夏熱冬冷地區、寒冷地區等，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。