室内光环境节能优化控制研究

Vol.37)No.2in2009(TotalNo.216，

建筑节能

■生态与智能建筑

ECOLOGY&INTELLIGENTBUILDINGS

室内光环境节能优化控制研究＊

吴

洲，罗

堃，陈勤平，李爱国

200333)

(上海市建筑科学研究院，上海

摘要：目前室内光环境控制大多侧重于室内灯光的智能化控制，但单纯从照明的能量消耗角度来考虑，最大化利用自然光照是最节

提出了一种基于自然光和人工照明结合控制的室内光环境模糊控制方法，合理分配了自然光与人工光照能的。针对这一问题，

的比例，最大限度满足节能要求的同时，又能为人们的工作、学习、生活提供良好的室内环境。实验结果表明，该控制方案不仅可以最大限度满足用户对日光的需求和舒适度，更比传统照明方式节约了大约30%的能耗。

关键词：节能控制；光环境控制；模糊控制中图分类号：TU113.4

文献标志码：A

文章编号：1673-7237(2009)02-0037-04

ResearchonEnergySavingOptimizationControlofInteriorLightingEnvironment

WUZhou,LUOKun,CHENQin-ping,LIAi-guo

(ShanghaiResearchInstituteofBuildingSciences,Shanghai200333,China)

Abstract:Atpresent,mostofthecontrolofinteriorlightingenvironmentfocusedonintelligentcontrolofinteriorlighting,butsimplyconsideringfromtheviewpointoflightingenergyconsumption,tomaximizeuseofnaturallightisthemostenergy-efficient.Basedonacom－binationofnaturallightandartificiallight-controlledinteriorlightingenvironment,fuzzycontrol,theratioofreasonabledistributionofnaturallightandartificiallightwasputforward,whichmeettherequirementsofenergysaving,aswellasprovideagoodlifeindoorenvironmentforthepeople'sworkandstudy.Theresultsshowthatthecontrolschemewillfurthestmeettheneedsofusertosunlightandcomfort,andsaveabout30%ofenergyconsumptioneventhanthetraditionalwayoflighting.

Keywords:energysaving;lightingenvironment;fuzzycontrol

0引言

节能高效是数十年来照明科技发展的主线，世界

各国都先后开展了以节能和环保为主题的绿色照明工程。在我国，照明耗电占年发电总量的10%(超过100亿kW·h)，而对照明时间长，尤其照明场所多的

收稿日期：2008-12-30；修回日期：2009-01-08

*基金项目：“十五”国家科技支撑项目———建筑室内环境综合评估与智能

监控系统研究

现代建筑、机关、学校，照明超过本单位所有耗电的

40%[1]。目前，国内这些场所的照明灯具控制大多采用手动开关，即使严格管理，仍不可避免地出现忘记关灯的现象。特别是在白天，全部灯光都打开的情况相当普遍，从而造成大量的能源浪费；另外，在自然光充足的情况下仍继续使用灯光照明，不仅浪费大量能源，也必然会缩短灯具的使用寿命[2]。

为解决上述问题，同时能为人们的工作、学习、生

参考文献：

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[6]张浩,李荣江,王力文,等.室内空气净化器测定方法探讨[J].环境与健康,1996,13(1):4-7.作者简介：

张妍(1981)，女，河南信阳人，工学硕士，助理工程师，供

(2)过滤器对甲醛处理率随过滤器风量而变化，

存在最佳过滤风量和最佳气体处理率匹配；

(3)过滤器对甲醛处理率有随其初始浓度升高而增加的趋势；

(4)随着活性炭颗粒用量增大，过滤器效率也相应增加，但并非为线性增加趋势；

(5)在一定的粒度范围内，活性炭颗粒粒度越小，吸附性能越好；

(6)净化网的形状对过滤器吸附效果有较大的影响，在同一实验条件下，折叠式净化网的吸附效果优于平板式。

热、供燃气、通风及空调工程专业(zhangyanhappy@gmail.com)。

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活提供良好的室内环境，本文提出一种新型的光环境节能优化控制方法。

自然光与人工光照的比例分配是本方法的重点

最大考虑对象。单纯从照明的能量消耗角度来考虑，

化利用自然光照是最节能的。本文通过控制电动窗帘

开关、调角，在夏日把强烈日照遮挡在外，保的升降、

持室内低温，防止光污染；在冬季借暖光，有助提高室温，并有效地节能；同时，根据太阳照射角度调整电动百叶窗帘最大可调角度，避免眩光，最大限度满足用户对日光的需求和舒适度。

本控制系统协调了自然光照与人工光照合理地分配，人工照明系统采用可调光照明灯。采用模糊控制的理论[3]，对自然采光进行约束，达到了自然光与人工照明的融合控制。

1系统构成与工作原理

室内光环境节能优化控制控制系统由3个子控制系统组成：百叶窗最大角度系统；百叶窗位置模糊自适应控制系统；人工补光模糊自适应控制系统。3个子系统分别采用3个模糊控制器实现室内光环境的节能优化控制。其整体设计框图如图1。

图1控制系统整体设计框图

本方案采用智能化设计，引入人体红外传感器，循环探测室内是否有人，有人则进入智能控制系统，若在10min内一直检测到无人，则整个系统自动关闭。

百叶窗最大角度系统利用模糊规则推出百叶窗最大允许摆动角，主要考虑的是在白天天气晴好的情况下百叶窗开得过大会导致眩光[4]。

窗帘调节系统是通过调节窗帘获取自然光来满足室内照度要求，最大限度地利用自然光。在该过程中，室内灯光处于关闭状态，窗帘角度不应超过百叶

仍不能窗最大允许摆动角。如果窗帘开到最大角度，

满足室内照度要求，则系统会进入人工补光状态，实现自然光和人工补光的结合控制。

灯光调节系统采用先进的可调光技术，对室内灯光系统实行智能控制。这里，我们考虑2种情况：①天气晴好，考虑眩光问题，百叶窗打开到最大眩光角度，仍不能满足要求，则开灯，进入灯光控制；②室外天气突变，若天气变坏，此时，必然需要开灯补光，窗帘调节到最大角度后自动打开电灯，进行人工补光；若过段时间天气又变好，室内照度长时间远高于设定值，则系统自动关灯进入窗帘调节系统。３８

百叶窗最大角度系统

百叶窗最大角度系统的任务是计算出百叶窗在保证避免眩光及能量优化的前提下允许的最大开度，此时，不考虑光照强度这个因素，单纯确定百叶窗当

输入为室前允许的开度上限。使用模糊控制器实现，

外太阳照度，太阳高度角和太阳方位角，输出是百叶

通过太阳照度强弱来体现天气情窗的最大开度位置。

况，太阳高度角和方位角更精确的确定了太阳的位置，便于体现光照射进来的方向，并且只要知道了时间和经纬度就可以通过公式方便的得到，精度提高的同时不会增加成本。

模糊控制器控制规则的制定依据以下原则：(1)白天及早晚情况下，光照属于散射，不会出现眩光现象，百叶窗最大可以全开；

(2)晴天，太阳直射情况下，根据高度及方位角确定直射位置，确定百叶窗的最大开度。

模糊控制器的设计：输入量有太阳方位角，高度角和室外垂直照度，因为窗户参数对于某一具体的房间是确定的，所以这里不再考虑，以简化模糊控制规则，因此，输入输出量的模糊化包括：光照强度I，太阳高度角H，太阳方位角A，输出量为窗帘最大开度PO。

将I、H、A的变化范围定义为模糊集上的论域：I={-6，0，6}，H，A={-9，-6，-3，0，3，6，9}，其模糊子集分别

I={weak,normal,strong}，H，A={NB，NM，NS，为：ZO，PS，PM，PB}；

输出量窗帘最大开度(PO)的模糊论域为：PO={0，0.1667，0.3333，0.5，0.6667，0.8333，1}，其模糊

PO={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}；子集为：

隶属度函数选取梯形隶属函数，则可得出各模糊子集的隶属度函数。

因为当光照强度为弱和普通的时候光照属于漫反射，不存在眩光情况所以这两种情况下不需要考虑太阳方位角和高度角直接可以确定窗帘最大开度(PO)为最大即：

IfIisweakthenPO=PBIfIisnormalthenPO=PB

IfIisstrong:则要考虑到太阳的位置来具体确定百叶窗的开度，具体规则如表1所示。

表1

H

ANBNMNSZOPSPMPB

NBPBNM---NMPB

最大角度模糊控制规则NMPBNSNM-NMNSPB

NSPB0NSNSNS0PB

ZOPBPS0NS0PSPB

PS-PMPS0PSPM-PM--PMPSPM--PB---PS---

1.1

所以，在阴天及早晚时段，模糊控制器输出不随时间变化，恒定为一。晴天时候，控制器输出是时变的。

1.2百叶窗位置模糊自适应控制器

在单纯依靠自然光就能满足我们设定值且调节范围在最大角度(眩光角)之内的情况下，我们采用模糊控制器实现窗帘位置跟随我们的设定值实现自适

6]，同时引入负反馈实施闭环控制。因此，在这应控制[5，

个子系统中，模糊控制器输入我们选择室内设定值(SV)和实测值(PV)的误差E及误差变化率Ec。由于缺乏精确的窗帘角度传感器和角度执行机构，故我们选择输出为时间time，控制电动窗帘上摆及下摆时间。

将E、Ec的变化范围定义为模糊集上的论域：E，Ec={-1，-0.5，0，0.5，1}，其模糊子集分别为：E，Ec={NB，NS，ZO，PS，PB}；

输出量time模糊论域为：time={-3，-2，-1，0，1，2，3}，其模糊子集为：time={NB，NS，ZO，PS，PB}；

隶属度函数选取梯形隶属函数，则可得出各模糊子集的隶属度函数具体规则如表2所示。

表2

ENBNSZOPSPB

Ec

NBPBPMZONMNB百叶窗位置模糊控制规则

NSPBPSZONSNBZOPMPSZONSNMPSPBPSNSNSNBPBPBPMNSNMNB测试舱由科技部863项目专项资金资助，可以实现宽范围，高精度的风量、温湿度、照度、噪声等指标的调节，是目前世界上少有的高精度室内环境测试舱。本实验中涉及的一些传感器测点及执行机构在测试舱中的概况如图2所示。

本控制方案采用上位计算机直接数字控制，控制系统组成如图3所示。

图2测试舱概况图3控制系统组成

1.3人工补光模糊自适应控制器

当室外照度不够，单纯依靠自然光无法满足我们室内的设定要求，或者在考虑避免眩光的情况下，当我们调整百叶窗到最大位置时，室内照度仍达不到我们的设定值，则需要人工补光。

在这个子系统中，我们采用模糊控制器来实现我们的补光自适应控制，同样也引入负反馈实施闭环控制。模糊控制器输入我们选择室内设定值和实测值的误差E及误差变化率Ec，输出为控制电压U，控制灯

E及Ec的隶属度函数同上，输出量U模糊论光亮度。

域为：U={0，0.2，0.4，0.6，0.8，1}，其模糊子集为：U={NB，NS，ZO，PS，PB}；

隶属度函数选取梯形隶属函数，则可得出各模糊子集的隶属度函数具体规则如表3所示。

表3灯光模糊控制规则

ENBNSZOPSPB

Ec

NBPBPBPMPSZO

NSPBPBPSPSZO

ZOPBPBZOPSZO

PSPBPBZOPSZO

PBPBPMZOPSZO

灯光控制电压U范围为0～10V，继电器输出time范围为窗帘摆动到最大眩光角的时间。控制算法采用上述模糊控制算法。2.2实验结果

选取办公建筑照明的普通办公室作为控制对象，根据国家标准GB50034《建筑照明设计标准》，其标准值为300Lux。

设定SV=300Lux，测试12月份某正常工作日在外部天气状况良好的情况下，从9:00～17:00点系统运行情况。实验结果如图4～7所示。

图4窗帘最大角度变化曲线

图5室内照度变化曲线

2实验结果及分析

2.1实验环境简介

本实验在上海市建筑科学院(集团)有限公司的大

该大型室内环境综合型室内环境综合测试舱中进行。

图6窗帘调节过程室内照度变化曲线

３９

图7灯光控制电压变化曲线

2.3实验结果分析2.3.1控制性能分析

由于测试舱朝向及太阳位置的变化，从图4中可以看出，百叶窗最大角度在中午12∶00之前是时变的，经过模糊规则推理得到不同时刻的最大角，避免阳光直射入室内，产生眩光，在大约12∶30之后，由于太阳偏西，最大角保持在110°，表明此时已不再产生眩光现象。

图5记录了1d之内室内照度的变化情况，可以看出采用自然光和人工补光结合优化控制后，室内照度值始终稳定在设定值300Lux，|E|<30，基本满足室内照度标准。

图6给出了窗帘调节过程的室内照度变化曲线，可以看出，在14∶20之前，系统处于窗帘调节过程，室内灯光关闭，调节过程稳定，室内照度稳态误差小，窗帘平均调节次数不超过10次。

从图7可以看出，在14∶20之后，进入人工补光控制。由于采用了模糊控制，平均调节时间不超过5s，同时采用了可调光的电子镇流器，实现了对灯光的智能控制，保证对室内照度的实时控制。2.3.2节能效益分析

可调光荧光灯电子镇流器具有明显的节电效果，故在近几年中得到了迅速发展和应用。荧光灯调光通过调节灯管功率实现，采用IR公司生产的调光镇流器IR21592，采用相位调光方案，输入0～10V的模拟调光电压，相应的灯功率电平为1%～100%。

从图7看出，在上午自然光充足的情况下，电灯关闭；在12:00～14:00之间，由于红外检测到室内无人，则系统进入休眠，电灯自动关闭。

采用智能照明控制系统后，运行费用和维护费用会大大降低。以一个面积为8000m2的办公楼为例，

行业动态与资讯

来分析智能照明控制系统的经济性。假设采用1200套2×40W的荧光灯灯具(总功率约96kW)，工作时间以每天8h计，一年以250d计，电费以0.5元/(kW·h)计。

年电费=96kW×8h/d×250d×0.5元/(W·h)=906万元。

采用智能控制系统后，在理想情况下，以本测试舱为例，每天开灯时间不足4h，日光收集技术可节能约50%，开灯后灯光功率约为正常功率的50%，个人调光控制技术节能约10%。考虑不同建筑的房间朝向及窗户面积大小，年节约用电按30%计，每年可节约电费约2.88万元。2.3.3维护效益分析

传统的40W日光灯管,工作寿命2000h，一年换1次灯管，需1.92万元；采用智能系统后，延长光源寿命以3倍计则3年换1次灯管，每年节约灯管费用为1.28万元。

3结语

本文提出的室内光环境节能优化控制方案，改变了传统的照明控制系统的独立的、本地的、局部的特点，本系统协调了自然光照与人工光照，并采用模糊控制器体现控制协调作用，采用可调照明灯，比传统照明方式节省了大约30%的能耗。

参考文献

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作者简介：吴洲(1985)，男，江苏启东人，控制理论与控制工程专业，研究方向为建筑智能(wuzhou2118@yahoo.com.cn)。

资料表明：建筑节能的关键是门窗节能

同时节能效果对窗户的大小也有要求。专家指出，一般情况下，窗户比墙体更易传热。如果窗户占外墙的比例过大，不利于保温隔热，起不到节能的作用，但另一方面，较大比例的窗户利于通风和采光。因此，窗的大小要在衡量利弊后取一个折中值，如窗墙面积比例在0.3～0.5之间为宜，即窗应占墙面积的30%～50%。

另外，对于家中的门窗有些透风，很多人都习以为常，但仅这一项就可能要让消费者多付出不少改变室内温度的能源费用。因此，门窗的密封也不容忽视。

(摘自《中国消费者报》2009-02-05)

门窗是房屋中室内与室外能量阻隔最薄弱的环节。有关资料表明，通过门窗传热能源消耗约占建筑能耗的28%，通过门窗空气渗透能源消耗约占建筑能耗的27%。可见，建筑节能的关键是门窗节能。

在各种材料中，塑料门窗能够更加有效地降低建筑能耗。据专家介绍，塑料双玻窗的传热系数大大低于普通铝合金中空玻璃窗，可满足夏热冬冷地区、夏热冬暖地区以及严寒地区大部分节能建筑的要求。同时，塑料门窗的窗框、窗扇是一个整体，横竖料之间不存在缝隙，杜绝了空气通过横料与竖料拼接角部的可能性。

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