淺談樓宇智能遮陽(yáng)卷簾的研究與實(shí)施

王冬亮

格寧斯窗飾（上海）有限公司 上海 201112

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)工作環(huán)境也提出了更高的要求，人們愈發(fā)關(guān)注建立健康舒適的辦公遮陽(yáng)環(huán)境。辦公建筑遮陽(yáng)卷簾常見(jiàn)系統(tǒng)主要有手動(dòng)驅(qū)動(dòng)、本地開關(guān)、無(wú)線遙控；但隨著高層玻璃幕墻建筑的快速發(fā)展，上述幾種方式存在產(chǎn)品適應(yīng)性差、能源利用率低以及舒適度差。本文根據(jù)傳統(tǒng)樓宇遮陽(yáng)卷簾的局限性，將智能遮陽(yáng)卷簾應(yīng)用于樓宇控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于環(huán)境自適應(yīng)的樓宇智能遮陽(yáng)卷簾系統(tǒng)[1]。

1 建筑遮陽(yáng)

1.1 遮陽(yáng)卷簾的介紹

電動(dòng)卷簾遮陽(yáng)系統(tǒng)，是通過(guò)管狀電機(jī)驅(qū)動(dòng)遮陽(yáng)面料上下運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)功能要求的不同，卷簾可在設(shè)定的上、下或中間限位自動(dòng)停止，也可在運(yùn)行過(guò)程中停止[2]。遮陽(yáng)卷簾通過(guò)織物面料能有效地阻隔太陽(yáng)光和紫外線的照射，各種朝向都可以采用遮陽(yáng)卷簾系統(tǒng)，創(chuàng)造一個(gè)舒適的辦公環(huán)境。

1.2 遮陽(yáng)卷簾的目標(biāo)

遮陽(yáng)卷簾通過(guò)面料的上下運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)有效的光線管理。數(shù)字電機(jī)的應(yīng)用也開啟了建筑遮陽(yáng)的智能時(shí)代；通過(guò)數(shù)字電機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向、實(shí)時(shí)跟蹤卷簾的工作狀態(tài)，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成、智能化控制，再通過(guò)BACnet協(xié)議與樓控系統(tǒng)集成聯(lián)動(dòng)。智能窗簾主要目標(biāo)：①截取陽(yáng)光透射，以免太陽(yáng)光直接輻射到使用者身上；②使自然光最大化，減少人工照明，降低建筑空調(diào)能耗；③本地實(shí)時(shí)控制，提供規(guī)定的使用者手動(dòng)操控能力；④人性化管理，對(duì)日歷事件調(diào)度可進(jìn)行人工定義；⑤陽(yáng)光追蹤自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)、采光、通透性的最佳平衡。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 控制系統(tǒng)的主要功能

該系統(tǒng)可集多元設(shè)備于一體的綜合性系統(tǒng)，旨在提供高效率、易操作、高精度的樓宇管理平臺(tái)。尤其是智能遮光卷簾的控制，操控精準(zhǔn)靈活、技術(shù)含量高、便于安裝和調(diào)試。

系統(tǒng)基本特點(diǎn)：①超大容量控制點(diǎn)數(shù)，可以將全樓的窗簾設(shè)備納入整個(gè)系統(tǒng)。②全方位的控制模式，如系統(tǒng)可控制全樓或單個(gè)建筑朝向面的卷簾運(yùn)行。③友好兼容性，易于多系統(tǒng)集成，如：影音、安防、消防、暖通等設(shè)備。④直觀的圖形化管理界面，使遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理變得簡(jiǎn)單。⑤提供移動(dòng)設(shè)備的無(wú)線登入管理功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)線區(qū)域操控。⑥具有網(wǎng)頁(yè)式控制按鈕，配合相應(yīng)的權(quán)限管理，具備舒適的使用體驗(yàn)。⑦配置系統(tǒng)服務(wù)器，記錄所有相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，使歷史運(yùn)行追蹤成為可能。

2.2 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

整套系統(tǒng)由多個(gè)處理器組成，互相之間通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)連接，處理器與處理器之間無(wú)主從性，運(yùn)行時(shí)可獨(dú)立工作或聯(lián)動(dòng)工作。

每個(gè)處理器會(huì)提供兩條四芯控制總線，智能電動(dòng)窗簾馬達(dá)、控制面板、無(wú)線接收器、傳感器等設(shè)備都將作為控制總線下的控制單元接入系統(tǒng)。該控制總線具有低壓供電能力，部分設(shè)備如控制面板、接收器、傳感器等可以由總線供電，而不需要在本地專門配備低壓電源。系統(tǒng)中的每個(gè)單元設(shè)備內(nèi)部都配置了唯一的地址碼。當(dāng)處理器發(fā)出對(duì)某一個(gè)或多個(gè)單元的控制信號(hào)，將在控制總線中廣播式的發(fā)送到每個(gè)設(shè)備單元，接受到信號(hào)后相應(yīng)設(shè)備執(zhí)行處理器發(fā)出的控制指令。同時(shí)，處理器接收各設(shè)備的發(fā)回的反饋指令，完成對(duì)各設(shè)備的監(jiān)控管理。

控制系統(tǒng)可以配置一套服務(wù)器設(shè)備，它可以是專門的服務(wù)器和相關(guān)軟件，也可以是在現(xiàn)有的服務(wù)器上安裝專門的服務(wù)器軟件，是一個(gè)高可靠的計(jì)算機(jī)服務(wù)器設(shè)備。它和處理器同時(shí)連接于網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)和儲(chǔ)存系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，提供系統(tǒng)遠(yuǎn)程登錄控制服務(wù)，生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)告等。

處理器間、處理器與服務(wù)器，以及和樓宇自控系統(tǒng)的通訊鏈路采用CAT5/CAT5e網(wǎng)線鏈接，此鏈接符合標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的接線距離的規(guī)定和運(yùn)行法則。系統(tǒng)處理器間的通訊可以采用樓宇內(nèi)IT網(wǎng)絡(luò)或基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)采用此網(wǎng)絡(luò)時(shí)，業(yè)主、網(wǎng)絡(luò)提供方、網(wǎng)絡(luò)管理者需要清楚系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)要求，需要開放多點(diǎn)廣播和UDP協(xié)議。

在網(wǎng)絡(luò)配置時(shí)，每個(gè)處理器需要一個(gè)靜態(tài)IPv4地址，處理器間通訊采用UDP協(xié)議，通訊結(jié)構(gòu)采用多點(diǎn)廣播式傳輸，并支持第一、二、三版IGMP協(xié)議。處理器間通訊速率為100Mbps，服務(wù)器可以配置于更高速率的通訊網(wǎng)絡(luò)中。處理器間的通訊必須采用有線的方式連接。網(wǎng)絡(luò)的登錄需要設(shè)置權(quán)限密碼管理，只有被授權(quán)的用戶才可以登入系統(tǒng)進(jìn)行管理。

3 系統(tǒng)控制

3.1 智控遮陽(yáng)卷簾原理

根據(jù)一年四季太陽(yáng)光的照射角度自動(dòng)控制整棟建筑不同朝向和不同樓層的每一幅卷簾調(diào)整到合適的位置，窗簾可以根據(jù)陽(yáng)光入射角的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)自己的高度，保證陽(yáng)光只能進(jìn)入到室內(nèi)特定范圍（比如距離窗戶1米），不會(huì)照射到辦工桌及電腦屏幕上，以實(shí)時(shí)保證防眩光、自然采光、通透性的最佳平衡。

太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)是可以預(yù)測(cè)的。通過(guò)研究太陽(yáng)高度角和方位角的變化規(guī)律，利用專業(yè)的天文學(xué)方程式建立開環(huán)式太陽(yáng)追蹤模型，即可測(cè)算太陽(yáng)的位置。這樣可以采用日程表來(lái)有效管理全年每天每個(gè)立面的窗簾運(yùn)行。在得到太陽(yáng)的位置信息后，要防止眩光進(jìn)入工作區(qū)域并盡可能的引入自然光，窗簾控制系統(tǒng)必須能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的計(jì)算出卷簾的下放高度[3]。

卷簾放下后面料距地面的高度（h）由以下參數(shù)決定：

y1：工作面的高度；

x1：允許陽(yáng)光進(jìn)入的深度；

?：太陽(yáng)入射角；

例如冬天早晨11點(diǎn)，太陽(yáng)光投射于建筑物外立面上，仰角較小如下圖示意，能夠計(jì)算并控制卷簾運(yùn)行到正確位置，防止眩光進(jìn)入工作區(qū)域影響用戶辦公，同時(shí)在靠近窗戶位置引入一定自然光，增加了室內(nèi)的自然采光同時(shí)減少照明費(fèi)用。

夏天早晨11點(diǎn)，太陽(yáng)光投射于建筑物外立面上，仰角較冬天同樣時(shí)刻要大很多，能夠根據(jù)太陽(yáng)入射角的實(shí)時(shí)變化計(jì)算并控制卷簾運(yùn)行到合適位置，保證室內(nèi)舒適的辦公環(huán)境。

3.2 控制系統(tǒng)運(yùn)行描述

在早晨日出前15分鐘（可設(shè)置為具體時(shí)間或日出前后兩小時(shí)），太陽(yáng)自適應(yīng)算法自動(dòng)將卷簾移動(dòng)到計(jì)算好的位置，在保證防眩光的同時(shí)最大化引入自然光。

卷簾在一天的運(yùn)行位置有很多因素決定，比如窗戶高度、工作面的位置及允許光線進(jìn)入室內(nèi)的距離等。卷簾頻繁的動(dòng)作會(huì)使用戶分心，影響工作，太陽(yáng)自適應(yīng)算法可將卷簾動(dòng)作的時(shí)間間隔設(shè)置為5分鐘到2小時(shí)之間。

當(dāng)有人通過(guò)本地開關(guān)動(dòng)作過(guò)卷簾后，該區(qū)域的卷簾在接下來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)將不會(huì)受自動(dòng)控制，直待設(shè)置時(shí)間結(jié)束后，重新接管該區(qū)域的卷簾控制。手動(dòng)控制延遲時(shí)間可設(shè)置為1分鐘至5小時(shí)，或直到當(dāng)天結(jié)束。

當(dāng)陽(yáng)光感應(yīng)器檢測(cè)到外部照度較低時(shí)，卷簾會(huì)運(yùn)行到預(yù)先設(shè)定好的位置，待外部照度恢復(fù)后，卷簾會(huì)移動(dòng)到太陽(yáng)自適應(yīng)算法計(jì)算好的位置。

在日落后15分鐘（可設(shè)置為具體時(shí)間或日落前后兩小時(shí)），太陽(yáng)自適應(yīng)算法將會(huì)關(guān)閉，卷簾在接下來(lái)的時(shí)間里可設(shè)置為打開、閉合或保持原狀。

3.3 無(wú)線控制模塊

為應(yīng)對(duì)外部環(huán)境的變化，還可利用無(wú)線陽(yáng)光傳感器來(lái)控制遮陽(yáng)卷簾的升降。比如周邊高樓的陰影投射及眩光反射會(huì)給用戶帶來(lái)很大困擾。將陽(yáng)光傳感器器放置于簾布和玻璃中間，當(dāng)處于臨樓陰影或多云天氣時(shí)，傳感器監(jiān)測(cè)到的陽(yáng)光照度值低于系統(tǒng)設(shè)定值，該區(qū)域的卷簾自動(dòng)收起；當(dāng)處于臨樓反射眩光或晴天時(shí)，外部陽(yáng)光照度增強(qiáng)超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定值，該區(qū)域的卷簾自動(dòng)放下。為防止遮陽(yáng)卷簾頻繁動(dòng)作，傳感器的響應(yīng)可根據(jù)用戶需求設(shè)置延遲時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

合理的遮陽(yáng)措施能夠有效的降低建筑能耗，還能改善室內(nèi)的光環(huán)境。研究表明，良好的辦公環(huán)境能夠使員工健康、舒適并帶來(lái)高生產(chǎn)效率，同時(shí)還能節(jié)約室內(nèi)照明和降低空調(diào)能耗。樓宇智能遮陽(yáng)也將是建筑遮陽(yáng)未來(lái)發(fā)展的新趨勢(shì)[4]。