室內(nèi)照明自然采光的模糊控制

摘要: 自然采光是建筑節(jié)能照明的重要方面，合理利用自然光，在節(jié)能基礎(chǔ)上保證室內(nèi)光環(huán)境的舒適度成為目前研究熱點(diǎn)之一。但是自然光具有隨機(jī)性、多變性、易干擾性，其應(yīng)用與控制較為復(fù)雜。本文嘗試將模糊控制策略應(yīng)用于自然光照明領(lǐng)域，模糊控制不依賴模型，并具有較強(qiáng)的抗干擾性，對(duì)于多因素變量下的模型不確定情況有很好的控制效果。另外，本文根據(jù)人體工效學(xué)思想確定模糊規(guī)則，使遮光百葉的控制更接近人對(duì)自然光的判斷，更符合人們生活習(xí)慣。

　　1 引言

　　從遠(yuǎn)古的篝火、油燈到蠟燭、白熾燈，再到今天千家萬(wàn)戶的熒光燈，人類已經(jīng)基本適應(yīng)了人工光源的室內(nèi)照明環(huán)境。但是由于千萬(wàn)年來(lái)的環(huán)境影響，自然光仍然是人類最習(xí)慣、感覺(jué)最舒適的光源，自然采光一直受到建筑師和照明設(shè)計(jì)師的高度重視。當(dāng)今社會(huì)建筑的節(jié)能環(huán)保需求更對(duì)自然采光照明提出了進(jìn)一步的要求?！督ㄖ晒庠O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》

　　中的國(guó)家技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策指出: 建筑設(shè)計(jì)要充分利用天然光，創(chuàng)造良好的光環(huán)境。

　　對(duì)室內(nèi)照明自然采光的研究具有重要的意義:

　　(1) 資料表明，照明用電占整個(gè)商業(yè)建筑能耗的25 － 40% ，而自然采光在特定的情況下可以節(jié)省52% 的照明用電，大大節(jié)約了能源。

　　(2) 相關(guān)研究表明，人在自然光條件下工作，可以增加滿意度和提高工作效率。保證正常的生理節(jié)奏，防止季節(jié)性情緒失調(diào)等癥狀。

　　(3) 自然采光的工作照度水平及其均勻度對(duì)視覺(jué)疲勞有著重要影響。

　　目前對(duì)自然采光的研究主要集中在CIE 標(biāo)準(zhǔn)天空模型、建筑及照明自動(dòng)控制方面。由于自然光具有隨機(jī)性、易變性，而且應(yīng)用場(chǎng)所的格局、朝向具有多樣性，因此本文引用模糊控制的方式，結(jié)合人體工效學(xué)思想，探測(cè)窗臺(tái)內(nèi)外關(guān)鍵點(diǎn)照度值，對(duì)自然光變化進(jìn)行了模糊邏輯推理判斷，使遮光器件的調(diào)節(jié)更合理更人性化。同時(shí)區(qū)別于一般窗簾僅在高度維度上的控制，增加了對(duì)百葉角度的控制，控制自然光進(jìn)入室內(nèi)的強(qiáng)度及角度，合理的進(jìn)行自然采光，以提高辦公效率及辦公環(huán)境的舒適度，增加居住工作人員對(duì)室內(nèi)環(huán)境的滿意度。

　　2 模糊控制理論

　　模糊控制是以模糊*論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。能避開(kāi)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，將模糊控制器輸入量的確定值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模糊語(yǔ)言變量值，此相應(yīng)語(yǔ)言變量值均由對(duì)應(yīng)的隸屬度來(lái)定義，適用于不易獲得精確數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象，其結(jié)構(gòu)參數(shù)不是很清楚，或難以求得，只要求掌握操作人員或領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)或知識(shí)。作為一種語(yǔ)言變量控制器，其控制規(guī)則只用語(yǔ)言變量形式定性的表達(dá)，構(gòu)成了被控對(duì)象的模糊模型。

　　模糊控制的基本原理由圖1 表示，其核心部分為模糊控制器，即將輸入變量模糊化和輸出變量的去模糊化過(guò)程，如圖虛線框中部分所示。計(jì)算機(jī)通過(guò)采樣獲得控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到的誤差信號(hào)E。一般選取誤差信號(hào)E 作為模糊控制器的輸入量。把誤差信號(hào)的精確量進(jìn)行模糊化，用相應(yīng)的模糊語(yǔ)言表示。得到誤差E 的模糊語(yǔ)言*的一個(gè)子集e。在有e 和模糊規(guī)則R( 模糊關(guān)系) 根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量u 為：

　　綜上，模糊控制可以概括為以下步驟:

　　(1) 確定系統(tǒng)輸入變量，并將輸入變量的精確值模糊化;(2) 定義模糊子集;(3) 建立模糊規(guī)則并確定隸屬度函數(shù);(4) 計(jì)算得到輸出變量并進(jìn)行去模糊化處理。

圖1 模糊控制系統(tǒng)原理圖

　　3 室內(nèi)自然采光模糊控制策略

　　3. 1 控制策略

　　本系統(tǒng)采用側(cè)窗采光系統(tǒng)，即在房間的一側(cè)或兩側(cè)上開(kāi)采光窗口， 使用可調(diào)節(jié)百葉窗， 采用Delphi 法( 專家法)對(duì)遮光百葉進(jìn)行自然采光模糊控制，解決自然光隨機(jī)性、干擾因素多等問(wèn)題。

　　自然光的影響因素較為復(fù)雜，很多干擾難以用數(shù)學(xué)算式統(tǒng)一表達(dá)。夏天太陽(yáng)太強(qiáng)烈時(shí)，過(guò)度的自然光容易引起不舒適; 云朵飄過(guò)、樹(shù)影浮動(dòng)都會(huì)對(duì)自然光照度有較大影響，如果及時(shí)反應(yīng)，遮光百葉需要頻繁地轉(zhuǎn)動(dòng)，有時(shí)噪音比較大，影響室內(nèi)人員工作和休息。因此本系統(tǒng)引入人體工效學(xué)思想，結(jié)合模糊邏輯推理，合理控制遮光百葉的調(diào)節(jié)。

　　我們首先對(duì)側(cè)窗采光系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)照度分布測(cè)量，分析典型晴天、陰天等天氣情況下一天中室內(nèi)的照度分布及照度變化情況，并總結(jié)其規(guī)律，找到能反映當(dāng)前室內(nèi)照度與外界天氣情況以及窗臺(tái)照度關(guān)系的一個(gè)或幾個(gè)點(diǎn)，并定義為關(guān)鍵點(diǎn)，探測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)的照度值以及照度值變化和變化快慢，從而對(duì)百葉角度βb 進(jìn)行調(diào)節(jié)( 以5 度為最小調(diào)節(jié)量)。

　　針對(duì)直射光，我們?cè)O(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)光照強(qiáng)度超過(guò)閾值時(shí)，拒絕自然采光。自然光較強(qiáng)時(shí)( 水平遮陽(yáng)百葉) 將直射日光反射到頂棚區(qū)域，形成漫反射，既保證了照度均勻以及人員與外界的視覺(jué)溝通，又避免了眩光。當(dāng)且僅當(dāng)太陽(yáng)光的變化情況達(dá)到了我們需要的調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)電動(dòng)百葉才做出反應(yīng)。如果照度變化發(fā)生且變化較慢時(shí)，做出百葉調(diào)節(jié)，照度值增加則百葉角度變小，照度值減小則百葉角度變大以增加采光; 如果照度變化且變化快時(shí)，判斷為云朵或者樹(shù)影干擾，不做出窗簾調(diào)節(jié)。