不同氣候區遮陽控制策略的節能與舒適度優化

周涵宇，劉 剛，王立雄，劉魁星

(天津大學 a.建筑學院; b.天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072)

酒店建筑客房往往有大面積的窗，導致建筑冷、熱負荷增加，遮陽系統設計應被視為節能建筑設計的關鍵問題。為提高建筑表皮的性能，將遮陽系統的采光、得熱、節能進行綜合設計的需求越來越高。酒店建筑在運行過程中往往只考慮空調系統等主動技術的控制問題，而且用戶缺少主動調控意識。遮陽系統作為被動技術在運行過程中往往效果不好甚至造成反效果，因此，遮陽系統的智能控制變得尤為重要。近年來動態遮陽系統的應用越來越廣泛，良好的遮陽控制策略會根據室內外環境變化做出反應，以降低能耗并提高環境舒適度。

基于規則的控制(RBC, rule based control)是遮陽系統控制的常規方法和行業標準。RBC基于“IF(條件)-THEN(動作)”規則，并將專家知識引入控制回路[1]，RBC嚴格依賴于規則和相關參數的正確選擇[2]。關于控制策略和模式的現有研究中，Karlsen等[3]開發了一種基于室內外環境的RBC遮陽控制策略，實驗表明該自動遮陽系統可在建筑能耗和建筑光熱環境之間達到最佳的平衡。Liu等[4]開發的是包括遮陽、自然通風、夜間降溫的智能玻璃幕墻控制策略，模擬結果顯示該幕墻和靜態玻璃幕墻相比減少60%的建筑能耗。Shen等[5]比較了7種采光和照明的控制策略，包括獨立的照明系統和照明采光集成系統，結果顯示遮陽系統和照明系統的集成控制可以顯著提高光環境舒適度并減少建筑能耗。Nielsen等[6]模擬了固定遮陽、可調遮陽和自動遮陽3種遮陽形式，結果顯示自動遮陽系統在大多數情況下會使建筑能耗降低，并對光環境有顯著改善。國內對遮陽控制策略的研究較少，且中國不同氣候區差異很大，針對中國不同氣候區遮陽控制策略差異的研究更少。

筆者以南向酒店客房為研究對象，對中國2個典型氣候區下60種遮陽RBC控制策略進行模擬，為減少建筑能耗、提高室內光熱舒適度，優化遮陽策略及遮陽設計形式，最終得出不同優化目標下的最佳控制策略。

1 評價參數

1.1 能耗

由窗戶遮陽引起的建筑能耗主要為制冷能耗、供熱能耗以及照明能耗，窗戶無遮陽時可以帶來更多的太陽能，減少冬季的供暖需求，同時有利于建筑采光以減少照明能耗，但會增加制冷能耗導致建筑過熱，合理的遮陽系統需要平衡這3部分能耗。中國寒冷地區與夏熱冬暖地區能耗組成不同，需結合氣候特點選擇不同的遮陽控制策略。

1.2 光舒適

評價光環境不舒適的預測模型主要針對眩光，這些預測模型包括日光眩光概率(DGP, daylight glare probability)[7]，日光眩光指數(DGI, daylight glare index)[8-9]，統一眩光評級(UGR, unified glare rating)[10]，視覺舒適概率(VCP, visual comfort probability)[11]和CIE眩光指數(CGI, CIE glare index)[12]。其中日光眩光指數DGI和日光眩光概率DGP是專門為由窗口帶來的日光不舒適眩光而開發的模型[13], 是被最廣泛接受的預測來自大尺寸光源不舒適眩光的模型。NS-EN[14]中規定室內工作場所可接受眩光指數邊界值為22。不同眩光指數下的眩光程度[15]如表1所示。

表1 不同眩光指數下的眩光程度

天然采光可以減少對人工照明需求，且能提高工作效率。Nabil等[16]在廣泛的文獻回顧后發現，天然采光照度在100～2 000 lx范圍內是有利的。國際照明委員會CIE(Commission Internationale de L’Eclairage)給出了歐洲一些研究結果的平均值,即照度與不滿意百分比的關系曲線，在2 000 lx以下時照度越高越滿意。

1.3 熱舒適

應用最廣泛的熱舒適度評價模型是Fanger提出的PMV(predicted mean vote)模型[17]。PMV模型基于人體熱平衡，建立人體熱感覺與物理環境參數之間的關系，它可以預測酒店客房中暴露于中等熱環境的大量人群的熱舒適程度。Comfen模型中將其量化為預測滿意人群的百分比。

2 研究方法

使用Comfen模擬軟件對酒店客房的遮陽控制策略進行量化研究，分析不同氣候區條件下對遮陽控制策略選擇的差異。Comfen是針對立面開窗性能的模擬軟件，采用EnergPlus為計算內核，Grynning等[18]已驗證該軟件的可靠性。研究模擬分析了建筑能耗及光、熱舒適度，選擇寒冷地區的典型城市北京及夏熱冬暖地區的廣州為研究對象，研究了3種遮陽設計形式(內遮陽、外遮陽和中置遮陽)，10種控制策略和2種遮陽方式(固定遮陽、動態遮陽)，為減少模擬時間，選擇單個房間作為研究樣本，模擬酒店房間內的制冷、供熱、照明能耗、總能耗及熱舒適度、光舒適度等環境參數。

2.1 模型基本設置

房間模型為普通城市經濟型酒店南向的單個客房，如圖1所示，房間進深6 m，開間4 m，房間凈高3 m。房間設置2扇窗，每扇窗戶高2 m，寬1.5 m，窗臺高0.2 m，距側墻0.4 m。窗墻比為0.5。

圖1 模型幾何尺寸示意圖(單位：m)

根據《公共建筑節能設計標準》(GB50189—2015)[19]，寒冷地區外墻的傳熱系數≤0.5 W/(m2·K)，北京選擇傳熱系數為0.35 W/(m2·K)的外墻；夏熱冬暖地區外墻的傳熱系數≤0.8 W/(m2·K)，廣州選擇傳熱系數為0.59 W/(m2·K)的外墻。對于窗墻比在0.4～0.5的外窗，寒冷地區傳熱系數≤2.2 W/(m2·K)，太陽得熱系數≤0.43；夏熱冬暖地區傳熱系數≤2.7 W/(m2·K)，太陽得熱系數≤0.35。統一選用傳熱系數為1.65 W/(m2·K)，太陽得熱系數為0.299的窗戶。

照明能耗設置為10 W/m2，設備能耗設置為6 W/m2，室內人員為2人。

2.2 模擬設定點

根據模擬軟件默認值，酒店客房的制冷溫度設定點為24 ℃，供熱溫度設定點為21 ℃。照明系統有自動連續調光功能，當傳感器照度低于538 lx，會打開人工照明，傳感器位置如圖2所示，照度傳感器1控制靠近外立面占地面積75%的主要采光區，放置在2/3此區域的房間深度處，距外墻3 m；傳感器2控制剩余的25%的輔助空間，放在此區域的中心位置，距外墻5.25 m。傳感器均布置在距地面0.76 m處。人員、照明和設備的時間表亦為軟件默認值，酒店客房分為工作日和節假日2種時間表[20]。

圖2 照度傳感器位置示意圖(單位：m)

2.3 遮陽設計及控制策略

研究中內遮陽(in)、外遮陽(ex)、中置遮陽(be)3種遮陽形式，均為水平百葉遮陽簾，導熱系數為0.90 W/(m·K)，遮陽角度可以從0°～180°變化，百葉板的間距為20 mm，厚度為1 mm，中置遮陽百葉板寬度為10 mm，內、外遮陽寬度為25 mm。

軟件提供20種預定義的控制策略，可以通過設置太陽輻照度、眩光指數、溫度設定點等來設定每種控制策略。選擇其中10種控制策略進行模擬對比，如表2所示。

表2 控制策略

策略1～4是為了控制室內得熱，減少制冷能耗；策略5、6是為提高光舒適度、避免眩光；策略7～10是通過區分制冷季和供暖季，供暖季減少夜間的能量損失，減少制熱能耗，制冷季控制室內得熱，減少制冷能耗。

為研究可變遮陽角度的影響，每種控制策略還可以設定百葉角度是否可變。其中a為百葉角度固定，開啟遮陽時，百葉固定在設定的角度(45°)；b為百葉角度可變，開啟遮陽時，通過調整百葉角度使遮陽效果達到最優，阻擋最多的太陽輻射，每個模擬時間步長(15 min)調整一次遮陽角度，來阻擋直接太陽輻射進入室內。

下文將對控制策略用代號的方式表示，由遮陽形式、控制策略、遮陽角度是否可變3部分組成，如ex-1a表示選擇控制策略1(室外溫度高于26 ℃時有遮陽)的固定外遮陽。

3 結果分析

3.1 節能

模擬得出每種情況的照明能耗、制冷能耗、供暖能耗、風扇能耗和總能耗。運行風扇的能源需求與制冷需求相關，可將其看作制冷能耗的一部分。

從圖3可以看出，寒冷地區比夏熱冬暖地區有更大的能源需求，寒冷地區供熱能耗是總能耗的最主要因素，其次是制冷能耗；夏熱冬暖地區制冷能耗占總能耗的比重最大，其次是照明能耗。不同控制策略能耗有所不同，一般趨勢是遮陽率越高，供熱能耗和照明能耗越大，而制冷能耗越低。寒冷地區比夏熱冬暖地區的能耗變化大。在寒冷地區，遮陽控制策略對供熱能耗的影響最大，是總能耗的最主要影響因素，且供熱能耗越高，照明能耗越高，所以總能耗變化幅度較大。在夏熱冬暖地區，由于夏熱冬暖地區總能耗的兩大影響因素是制冷能耗和照明能耗，當遮陽率高時，可使制冷能耗降低，但照明能耗相對較高，導致總能耗趨于平穩。

圖3 不同控制策略的能耗

寒冷地區策略1、2、4、6、7總能耗較低，且內遮陽能耗普遍較低。寒冷地區總能耗和供熱能耗正相關性強，通過遮陽控制減少供熱能耗是降低全年總能耗的關鍵。總的來說：寒冷地區遮陽率越低，總能耗越低；夏熱冬暖地區不同控制策略間能耗差別不大，而不同遮陽形式對能耗的影響明顯，外遮陽能耗最低，其次是中置遮陽，和寒冷地區相反，夏熱冬暖地區內遮陽能耗最大。

寒冷地區的外遮陽和內遮陽，可變遮陽(B)能耗略低于固定遮陽(A)能耗；夏熱冬暖地區，可變遮陽(B)能耗略高于固定遮陽(A)能耗。

沒有遮陽的情況供熱能耗及照明能耗均是最低的，而制冷能耗會相應增加，在這2個氣候區，與其他帶有控制策略的窗戶相比，無遮陽情況的總能耗均相對較低。

寒冷地區在沒有任何遮陽措施的情況下，建筑的總能耗是157.87 KWh/m2。比全年無遮陽的情況能耗低的策略有ex-1a、ex-7b、ex-7a、ex-4a、ex-1b、ex-4b、in-7b、in-7a。能耗最低的前6個遮陽形式均是外遮陽，這是由于合理的遮陽控制策略可以使冬季室內獲得充足的太陽得熱，且外遮陽在阻擋夏季太陽得熱方面效果最佳，這些策略不僅能保證供暖季室內獲得足夠的太陽能，還能降低夏季制冷能耗。與無遮陽情況相比，策略(be-5b，固定中置遮陽，太陽輻射強度高于100 W/m2時有遮陽)增加能耗18.3%，策略(ex-1a，固定外遮陽，室外溫度高于26℃時有遮陽)減少能耗0.5%，不同控制策略對建筑能耗的影響相差18.8%。

夏熱冬暖地區在沒有任何遮陽措施的情況下，建筑的總能耗是127.43 KWh/m2。所有外遮陽形式的控制策略均比全年無遮陽的情況能耗低，而內遮陽和中置遮陽均比全年無遮陽的情況能耗高。與無遮陽情況相比，策略in-3a(固定外遮陽，制冷季有遮陽)增加能耗3.8%，策略ex-10a(固定外遮陽，夜間有遮陽/制冷季白天在太陽輻射高于100 W/m2時有遮陽)減少能耗1.3%，不同控制策略對建筑能耗的影響相差5.1%。

3.2 舒適

3.2.1 熱舒適度

圖4為2個氣候區控制策略的熱舒適度，橫坐標為控制策略，縱坐標為全年平均預測熱環境滿意人群的百分比。

圖4 不同控制策略的熱舒適度

由于酒店客房為空調房間，在冬夏空調季室內溫度超出空調設定點時即開啟設備制冷、制熱，所以熱舒適度均較高；由于不同遮陽控制策略只在過渡季對熱舒適有較大影響，全年平均后會拉平舒適度的差異，所以不同控制策略熱舒適度的差異較小。

寒冷地區：策略1、2、4、6、7的熱環境滿意度較高，另外同一策略中內遮陽的舒適度更高。舒適度最高的控制策略是in-10b(可變內遮陽，夜間有遮陽/制冷季白天在太陽輻射高于100 W/m2時有遮陽)，滿意率為89.31%，舒適度最低的控制策略是ex-5a(固定外遮陽，太陽輻射強度高于100 W/m2時有遮陽)，滿意率為87.83%，對熱環境滿意率的影響差別不大，無遮陽情況的舒適度滿意率為89.09%。不同控制策略對熱舒適度的影響相差1.48%。

夏熱冬暖：策略3的熱環境滿意度較高，另外同一策略中內遮陽和外遮陽比中置遮陽的舒適度更高。舒適度最高的控制策略是in-3a(固定外遮陽，制冷季有遮陽)，滿意率為91.61%，舒適度最低的是控制策略2、6、7，滿意率為91.36%，對熱環境滿意率的影響差別不大，無遮陽情況的舒適度滿意率也是91.36%。不同控制策略對熱舒適度的影響相差0.25%。

整體來說，寒冷地區和夏熱冬暖地區不同控制策略的熱舒適度變化規律呈相反趨勢，對于寒冷地區熱舒適度較高的控制策略，在夏熱冬暖地區的熱舒適度則相對較低。夏熱冬暖地區比寒冷地區的整體熱舒適度更高。

3.2.2 光舒適度

模擬結果顯示，窗墻比為0.5的酒店客房所有時間眩光指數均在22以下，所以無需考慮眩光的影響，僅用照度在100～2 000 lx的小時數評價光舒適度。將整個房間平面分成10×10個點，傳感器布置在0.76 m高度處，每1個小時計算1次這100個點的照度值，從而統計出房間各個位置照度在100～2 000 lx的小時數。圖5橫坐標為控制策略，縱坐標為光舒適滿意度百分比。

圖5 不同控制策略的光舒適度

寒冷地區由于出現眩光而導致光舒適度降低的情況較少，所以寒冷地區光舒適和能耗的變化規律類似，遮陽率越低，平均照度值越高，照度出現在100～2 000 lx的小時數也相對越高。策略2、6、7的照度值是最舒適的，也是平均照度值最高的。照度在100～2 000 lx的小時數最多的是策略ex-2a，ex-2b，ex-6a，ex-6b，ex-7b，in-2a，in-6a，in-7a，時間及空間占有比率為62.91%，全年無遮陽情況僅次于以上策略，時間幾乎相同，100～2 000 lx小時數最少的是be-8a，時間及空間占有比率為23.78%。可以看出，不同控制策略對采光的影響較大，對光舒適度的影響相差39.13%。

夏熱冬暖地區和寒冷地區相同，策略2、6、7是照度在100～2 000 lx的小時數最多的，也是平均照度值最高的，時間及空間占有比率為55.61%，與全年無遮陽情況時間相同，100～2 000 lx小時數最少的是be-8a，時間及空間占有比率為10.04%。不同控制策略對光舒適度的影響相差45.57%。同一控制策略，動態遮陽(B)優于固定遮陽(A)。

整體來說，不同控制策略光舒適度的變化規律一致，若某種控制策略在寒冷地區的光舒適度較高，在夏熱冬暖地區光舒適度也同樣較高。寒冷地區比夏熱冬暖地區的整體光舒適度更高。

3.3 優化

不同控制策略及窗戶類型有不同的優缺點，如有些控制策略能耗較低，但舒適性較差。為了比較不同控制策略，綜合考慮能耗及光熱舒適度，得出最優的控制策略，首先需要統一各自的量綱，對原始數據進行標準化處理，使各目標函數處于統一數量級，便于綜合評價。現定義每種控制策略的能耗指數、熱舒適度指數及光舒適度指數，從而可以得到整體性能指標，將能耗和舒適度的所有性能參數集成到一起。采用min-max 標準化法(min-max normalization)對原始數據進行線性變換，各參數的指數結果值為0～1，轉換函數表達式為

(1)

式中：Ii為參數指數值；xi為原始數據；xmax為樣本數據的最大值；xmin為樣本數據的最小值。根據式(1)，能耗指數值越小越好，舒適度指數值則是越大越好，為統一趨勢，使所有性能參數的指數值均為越低越好，將舒適度指數的標準化處理方法改為1-x，即不滿意率。最終能耗指數(Ii-energy)及舒適度指數(Ii-comfort)的函數表達式為

(2)

(3)

將每個控制策略的坐標點投影到兩兩目標指數所組成的二維平面上，根據能耗和舒適度不同的重要性定義比重來選擇策略，可以看出不同控制策略在3個目標指數之間的相關性(見圖6)。

圖6 不同控制策略標準化處理散點圖

由圖6可以看出，寒冷地區3個目標指數之間基本均呈正相關，其中能耗指數和熱舒適指數之間的正相關性最為明顯。夏熱冬暖地區能耗指數和熱舒適度指數之間呈拋物線關系，光舒適度指數和熱舒適度指數之間以及能耗指數與光舒適度指數之間均無相關性。由于不同遮陽策略對熱舒適的影響較小，若將能耗、熱舒適、光舒適的重要程度定為1∶0∶1的比重，只考慮能耗及光舒適度，則寒冷地區最優控制策略為ex-7b(0.00,0.13,0.00)，夏熱冬暖地區最優控制策略為2、6、7(0.25,1.00,0.00)。

若將能耗、熱舒適、光舒適的重要程度定為1∶1∶1的比重，圖7顯示控制策略綜合指數排序，指數越小越好。

圖7 不同控制策略標準化處理堆積折線圖

綜合考慮能耗及舒適度，寒冷地區策略2、6、7明顯優于其他策略，首先這3個策略的光舒適程度是最高的，而能耗指數與熱舒適指數與其呈正相關，也相對較小。其中寒冷地區綜合指數最低的是in-7b(0.02,0.07,0.00)，即供暖季夜間關遮陽，減小熱損失；白天遮陽全開。策略7外遮陽的能耗更低，但熱舒適指數較高，內遮陽綜合指數最低。綜合考慮能耗及舒適度，夏熱冬暖地區外遮陽的綜合指數明顯優于其他遮陽形式，由于外遮陽的能耗明顯低于其他遮陽方式，而目標指數之間無相關性，光和熱舒適度在不同遮陽形式中分布均勻。其中綜合指數最低的是ex-10b(0.05,0.28,0.36)，即夜間關遮陽；太陽輻射強度高且在制冷季時白天關遮陽。結果顯示合適的控制策略，動態遮陽會優于固定遮陽。

不同評判標準下，寒冷地區及夏熱冬暖地區的最優控制策略如表3所示。

表3 最優控制策略匯總

4 結 論

1)不同控制策略對建筑能耗的影響，寒冷地區相差18.8%，夏熱冬暖地區相差5.1%；對熱舒適度的影響，寒冷地區相差1.48%，夏熱冬暖地區相差0.25%；對光舒適度的影響，寒冷地區相差39.13%，夏熱冬暖地區相差45.57%。不同控制策略對光舒適度的影響最大，其次是能耗，由于模擬對象為空調建筑，對熱舒適度影響最小。

2)控制策略對寒冷地區能耗的影響更明顯；而遮陽形式對夏熱冬暖地區能耗的影響更明顯。2個氣候區均是外遮陽的能耗較低，寒冷地區能耗最低的前6個遮陽形式均是外遮陽，外遮陽形式配合合理的遮陽控制策略可以最大程度降低建筑能耗；夏熱冬暖地區所有外遮陽形式的控制策略均比全年無遮陽的情況能耗低，而內遮陽和中置遮陽均比全年無遮陽的情況能耗高。

3)寒冷地區和夏熱冬暖地區不同控制策略的熱舒適度變化規律呈相反趨勢，夏熱冬暖地區的整體熱舒適度更高；2個氣候區不同控制策略光舒適度的變化規律一致，寒冷地區的整體光舒適度更高。

4)動態遮陽相對固定遮陽的優勢主要體現在對光舒適度的影響上。

5)寒冷地區能耗及光熱舒適度這3個目標指數之間均呈正相關，寒冷地區可直接選擇策略7(即供暖季夜間關遮陽，減小熱損失；白天遮陽全開)，這一策略可同時保證能耗較低且光熱舒適度較高，而夏熱冬暖地區目標指數間相關性較低，需根據不同的優化目標選擇相應控制策略。

6)在這2個氣候區，與其他有遮陽的窗戶相比，無遮陽情況的總能耗、光熱舒適度及綜合優化指數均不是最差的，所以選擇不恰當的遮陽控制策略及設計形式還不如不設遮陽。