CN107367940B - 一种结合地理位置、气候和建筑朝向的百叶窗控制方法 - Google Patents

一种结合地理位置、气候和建筑朝向的百叶窗控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种结合地理位置、气候和建筑朝向的百叶窗控制方法，属于自动化控制技术领域。该方法包括步骤：1)根据百叶窗当前的经纬度和时间信息，控制器生成当前年份每月1日和15日的每个整点的太阳高度角和太阳方位角表格1并保存；2)根据经纬度信息，确定当前位置的纬度区间和气候类型，根据纬度区间来确定需要用到的参数；3)在步骤一中生成表格1的基础上，生成预估晴天阳光强度表格2；结合房间的朝向，生成预估眩光时间表格3；4)综合表格1、2、3、实时的阳光强度、气候类型和节能、采光指标，得出相应的百叶窗控制角度。本发明结合实时的阳光强度就能够确定百叶窗的控制角度，综合多种影响因素，得到更合理、抗干扰性强的百叶窗控制角度。

Description

一种结合地理位置、气候和建筑朝向的百叶窗控制方法
技术领域
本发明属于自动化控制技术领域，涉及一种结合地理位置、气候和建筑朝向的百叶窗控制方法。
背景技术
已有的百叶窗控制方法，是利用传感器采集光照强度等数据，然后按照一定的公式，得到百叶窗的控制角度。此种方法虽然控制速度快，但是这种控制方法没有内在的综合性的控制标准，导致其难以克服周围环境的干扰，控制过程被动，最终控制效果不好；房间内的能耗、光照度难以达到一个比较好的平衡。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结合地理位置、气候和建筑朝向的百叶窗控制方法。此控制方法，是根据百叶窗所在地理位置和朝向，建立一个太阳运动的模型。依据此模型，结合实际获取到的信息，做出一个综合性的判断，得出更合理的百叶窗控制角度。这样就获得更节能，更合理，更普适性的控制方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种结合地理位置、气候和建筑朝向的百叶窗控制方法，包括以下步骤：
S1：根据百叶窗当前的经纬度和时间信息，控制器计算当前年份每月1日和15日的每个整点的太阳高度角和太阳方位角，并生成表格1保存；
S2：根据经纬度信息，确定当前位置的纬度区间和气候类型，根据纬度区间确定后续需要用到的参数；
S3：在S1中生成表格1的基础上，计算预估晴天阳光强度，并生成表格2；再结合房间的朝向，计算预估眩光时间，并生成表格3；
S4：综合表格1、2、3、实时的阳光强度、气候类型和给定的节能、采光指标，得出相应的百叶窗控制角度。
进一步，在S1中，所述太阳高度角γs的正弦计算公式为：
其中，
Figure BDA0001386803730000012
为当地的地理纬度；
δ为太阳赤纬角，计算公式为
Figure BDA0001386803730000021
其中N为积日数，自当年1月1日开始计算日期的顺序号；
Ω为太阳时角，计算公式为Ω＝(TT-12)×15，其中TT为真太阳时，真太阳时＝平太阳时+真平太阳时差；
所述太阳方位角αs的余弦计算公式为：
Figure BDA0001386803730000022
进一步，在S2中，所述根据经纬度信息，确定当前位置的纬度区间和气候类型具体为：利用中国的秦岭淮河线和大兴安岭分界线，即北纬34°和北纬51°来区分；
在当地的地理纬度
Figure BDA0001386803730000023
时，确定纬度区间为高纬度，气候类型为寒温带季风气候；
在当地的地理纬度
Figure BDA0001386803730000024
时，确定纬度区间为中纬度，气候类型为温带季风气候；
在当地的地理纬度
Figure BDA0001386803730000025
时，确定纬度区间为低纬度，气候类型为亚热带季风气候；
所述根据纬度区间确定后续需要用到的参数具体为：
若纬度区间为低纬度，则修正因子r0＝0.95,r1＝0.98,rk＝1.02；
若纬度区间为中纬度，且处于夏季，则修正因子r0＝0.97,r1＝0.99,rk＝1.02；
若纬度区间为高纬度，且处于夏季，则修正因子r0＝0.99,r1＝0.99,rk＝1.01；
若纬度区间为中纬度，且处于冬季，则修正因子r0＝1.03,r1＝1.01,rk＝1.00。
进一步，在S3中，所述预估晴天阳光强度计算方法为：通过当地的经纬度、海拔高度和具体的时间，结合当地的纬度区间，算出太阳直射辐射值和太阳散射辐射值，再计算出太阳直射辐射值和太阳散射辐射值之和，即预估晴天阳光强度；具体为：
S301：计算大气层外的太阳辐射
Figure BDA0001386803730000026
其中N为从元旦算起的天数，GSC为太阳常数，取1353W/m2；
S302：计算大气层外切平面上瞬时太阳辐射G0＝Gon sinγs，其中其中，为当地的地理纬度；δ为太阳赤纬角，计算公式为
Figure BDA0001386803730000029
其中N为积日数，自当年1月1日开始计算日期的顺序号；Ω为太阳时角，计算公式为Ω＝(TT-12)×15，其中TT为真太阳时，真太阳时＝平太阳时+真平太阳时差；
S303：计算太阳直射透过比
Figure BDA0001386803730000031
Gcb是水平面的直射辐射强度，由大气层外切平面瞬间太阳辐射Go乘以直射透过比τb得到；其中
Figure BDA0001386803730000032
考虑国内的实际使用场景，百叶窗的海拔高度为0，因此参数
Figure BDA0001386803730000033
k*＝0.387225，其中r0,r1,rk为修正因子；
S304：计算太阳散射透过比τd＝0.271-0.293τb；
S305：计算预估晴天阳光强度G＝G0·τd+G0τb＝Gcb+Gcd；
其中Goτb的含义是水平面的散射辐射强度，表示为Gcd。
进一步，在S3中，所述预估眩光时间计算方法为：
S306：计算γs＝8°时的太阳时角Ω的余弦：
S307：计算γs＝20°时的太阳时角Ω的余弦：
Figure BDA0001386803730000035
S308：由Ω得出真太阳时
S309：对γs＝8°和γs＝20°两种情况下计算得到的时间求交集，得到具体的预估眩光时间段；
查询该时间段内的太阳方位角是否满足跟窗户法线夹角γw＜15°；
若满足，则判断此时太阳辐射强度是否大于300W/m2；若大于，则为眩光时间，若不大于，则不是眩光时间；
若不满足，则不是眩光时间。
进一步，在S4中，所述百叶窗控制角度综合考虑以下情况：
(1)百叶窗控制角度受不同气候类型影响；
(2)通过辐射传感器获得实时的辐射强度信息，根据辐射强度信息，结合表格2，对比得出当前天气是晴天、多云或阴天，百叶窗控制角度受不同天气影响；其中，若天气为晴天，则结合表格3，在眩光时间段内调整百叶窗控制角度避免眩光。
本发明的有益效果在于：本发明根据地理位置、房间朝向建立了一个包含了太阳高度、太阳方位、阳光强度和眩光时间在内的模型，并且根据此模型导出表格，此表格结合实时的阳光强度就能够确定百叶窗的控制角度。本发明结合了多种影响因素，得到更合理、抗干扰性强的百叶窗控制角度。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本实施例中涉及到的数据如下表所示：
编号 数据内容
1 经纬度
2 24个日期距离元旦的天数
3 18个太阳时
4 纬度区间和气候类型
5 眩光的角度范围和辐射范围
6 太阳高度角和方位角表1
7 阳光辐射强度表2
8 眩光时间段表3
假设百叶窗位于重庆市，其经度为106.54°，纬度为29.59°。窗户朝向由南向东偏移75°。根据纬度判断，其为亚热带季风气候，冬冷夏热。以2017年6月份百叶窗的控制为例：
如图1所示，步骤一：根据百叶窗当前的经纬度和时间信息，控制器生成当前年份每月1日和15日的每个整点的太阳高度角和太阳方位角表格1并且保存；此处以6月1日为例。
(1)太阳高度角γs的正弦的计算公式为：
Figure BDA0001386803730000041
其中δ为太阳赤纬角，由下式获得：
Figure BDA0001386803730000042
N为152；
Figure BDA0001386803730000043
为重庆的地理纬度29.59°。
Ω为太阳时角，计算公式为：
Ω＝(TT-12)×15
TT为真太阳时，真太阳时＝平太阳时+真平太阳时差。在中国，真太阳时(t)＝北京时间+时差；时差＝(当地经度-120°)/15°。
由重庆市的经纬度可以知道，其真太阳时为北京时间减53分50秒。
(2)太阳方位角与太阳时角一致，即αs的余弦计算公式为：
Figure BDA0001386803730000051
因此，生成下面的表格1：
Figure BDA0001386803730000052
步骤二：根据经纬度信息，确定当前位置的纬度区间和气候类型；
重庆纬度为29.59°，小于34°，确定为中纬度区间，亚热带季风气候。
步骤三：根据步骤一中生成的表格1和当前百叶窗的朝向，生成一张预估晴天阳光强度表格2，和预估眩光时间表格3；
在平均日地距离处，大气层外垂直于辐射传播方向的太阳辐照度称为太阳常数GSC。GSC为1353W/m2。
大气层外的太阳辐射：
Figure BDA0001386803730000061
N为从元旦算起的天数，此时为N＝152。
大气层外切平面上瞬时太阳辐射：
G0＝Gon sinγs
Figure BDA0001386803730000062
其中太阳赤纬角
Figure BDA0001386803730000063
接着再确定通过大气层后到地面的辐射量，考虑到大气层的参数。
晴朗天气太阳直射透过比τb为：
Figure BDA0001386803730000064
其中
Figure BDA0001386803730000065
k＝rkk*＝0.158。
考虑到国内的实际使用场景，百叶窗的海拔高度通常为0，因此能确定参数k*＝0.154975，其中r0,r1,rk为修正因子，用来匹配不同的纬度区间，如下表所示：
纬度区间 r<sub>0</sub> r<sub>1</sub> r<sub>k</sub>
低纬度 0.95 0.98 1.02
中纬度夏季 0.97 0.99 1.02
高纬度夏季 0.99 0.99 1.01
中纬度冬季 1.03 1.01 1.00
太阳散射透过比τd＝0.271-0.293τb；
最终太阳辐射强度为直射和散射辐射强度之和G＝G0·τd+G0τb；
由上面的公式我们求得下面的表格2：
Figure BDA0001386803730000067
Figure BDA0001386803730000071
下面求取眩光时间段的表格3，设定窗户朝向为南向东偏移75°。
眩光的角度和时间段是结合阳光高度角和房间朝向得出来的。眩光需要同时满足下面三个条件：1、当太阳高度角γs处于8°～20°度；2、太阳方位角和窗户法线角γw＜15°时；3、太阳直射辐射强度大于300W/m2。
详细步骤和公式如下：
1、太阳时角的余弦公式，带入γs＝8°和γs＝20°，能得到
Figure BDA0001386803730000072
γs＝8°得到Ω＝±93.28°；γs＝20°得到Ω＝±78.79°；
2、计算真太阳时
Figure BDA0001386803730000073
因此眩光时间段(重庆太阳时)分别为5:46:53-6:44:50和17:15:10-18:13:00。
3、由于窗户法线南偏东75°，因此，其眩光角度范围是-90°到-60°。
与-93.28°到-78.79°存在重合。
4、太阳直射辐射强度在通过查表各格2，可判断太阳直射辐射值在太阳时角为-75°时为210.77W，在-78.79°时小于300W，因此，不存在眩光。
即得出下面的表格3：
Figure BDA0001386803730000081
步骤四：综合三张表、实时的阳光强度、气候类型，综合考虑，计算出相应的百叶窗控制角度。
(1)当天的太阳的高度角和方位角如表格1所示。根据此表，无论晴天还是阴天，百叶窗能通过查表得到太阳的位置。以太阳的位置为参照，来调整百叶窗的角度。
(2)太阳的晴天阳光强度表如表格2所示。根据表格2，结合实时的太阳辐射传感器的值，就能得到实时的天气情况，依据实时的天气，对百叶窗角度进行调整。
(3)某时间是否存在阳光眩光，可以由表格3查询到，如果表格3的眩光为真，需要对角度在上面两个角度的基础上进行调整。如果不存在眩光，则此步骤不调整百叶窗角度。
下面举例来说明百叶窗角度控制的方法。假设6月1日为多云。
由于是多云天气，实际的太阳辐射比表格1中预测的地面辐射要小。此百叶窗处在亚热带季风气候位置，冬冷夏热，6.1号属于春夏，因此需要尽可能避免直射阳光，减少房间升温，节省能耗。
依据实际的光照强度，太阳实际辐射0-200W时，百叶窗开口指向太阳；201-400W时开口朝太阳上方偏移10°；401-800W时开口朝太阳下方偏移10度；800W以上时开口直接朝向水平。因此当天的控制方案如下表所示：
Figure BDA0001386803730000091
百叶窗控制角度如下表所示：
Figure BDA0001386803730000092
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种结合地理位置、气候和建筑朝向的百叶窗控制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：根据百叶窗当前的经纬度和时间信息，控制器计算当前年份每月1日和15日的每个整点的太阳高度角和太阳方位角，并生成表格1保存；
S2：根据经纬度信息，确定当前位置的纬度区间和气候类型，根据纬度区间确定后续需要用到的参数；
S3：在S1中生成表格1的基础上，计算预估晴天阳光强度，并生成表格2；再结合房间的朝向，计算预估眩光时间，并生成表格3；
S4：综合表格1、2、3、实时的阳光强度、气候类型和给定的节能、采光指标，得出相应的百叶窗控制角度；
在S1中，所述太阳高度角γs的正弦计算公式为：
Figure FDA0002240764540000011
其中，
Figure FDA0002240764540000012
为当地的地理纬度；
δ为太阳赤纬角，计算公式为
Figure FDA0002240764540000013
其中N为积日数，自当年1月1日开始计算日期的顺序号；
Ω为太阳时角，计算公式为Ω＝(TT-12)×15，其中TT为真太阳时，真太阳时＝平太阳时+真平太阳时差；
所述太阳方位角αs的余弦计算公式为：
在S2中，所述根据经纬度信息，确定当前位置的纬度区间和气候类型具体为：利用中国的秦岭淮河线和大兴安岭分界线，即北纬34°和北纬51°来区分；
在当地的地理纬度时，确定纬度区间为高纬度，气候类型为寒温带季风气候；
在当地的地理纬度
Figure FDA0002240764540000016
时，确定纬度区间为中纬度，气候类型为温带季风气候；
在当地的地理纬度
Figure FDA0002240764540000017
时，确定纬度区间为低纬度，气候类型为亚热带季风气候；
所述根据纬度区间确定后续需要用到的参数具体为：
若纬度区间为低纬度，则修正因子r0＝0.95,r1＝0.98,rk＝1.02；
若纬度区间为中纬度，且处于夏季，则修正因子r0＝0.97,r1＝0.99,rk＝1.02；
若纬度区间为高纬度，且处于夏季，则修正因子r0＝0.99,r1＝0.99,rk＝1.01；
若纬度区间为中纬度，且处于冬季，则修正因子r0＝1.03,r1＝1.01,rk＝1.00；
在S3中，所述预估晴天阳光强度计算方法为：通过当地的经纬度、海拔高度和具体的时间，结合当地的纬度区间，算出太阳直射辐射值和太阳散射辐射值，再计算出太阳直射辐射值和太阳散射辐射值之和，即预估晴天阳光强度；具体为：
S301：计算大气层外的太阳辐射
Figure FDA0002240764540000021
其中N为从元旦算起的天数，GSC为太阳常数，取1353W/m2；
S302：计算大气层外切平面上瞬时太阳辐射G0＝Gonsinγs，其中
Figure FDA0002240764540000022
其中，
Figure FDA0002240764540000023
为当地的地理纬度；δ为太阳赤纬角，计算公式为
Figure FDA0002240764540000024
其中N为积日数，自当年1月1日开始计算日期的顺序号；Ω为太阳时角，计算公式为Ω＝(TT-12)×15，其中TT为真太阳时，真太阳时＝平太阳时+真平太阳时差；
S303：计算太阳直射透过比
Figure FDA0002240764540000025
Gcb是水平面的直射辐射强度，由大气层外切平面瞬间太阳辐射Go乘以直射透过比τb得到；其中
Figure FDA0002240764540000026
k＝rkk*，考虑国内的实际使用场景，百叶窗的海拔高度为0，因此参数
Figure FDA0002240764540000027
k*＝0.387225，其中r0,r1,rk为修正因子；
S304：计算太阳散射透过比τd＝0.271-0.293τb；
S305：计算预估晴天阳光强度G＝G0·τd+G0τb；
其中Goτb的含义是水平面的散射辐射强度。
2.如权利要求1所述的一种结合地理位置、气候和建筑朝向的百叶窗控制方法，其特征在于：
在S3中，所述预估眩光时间计算方法为：
S306：计算γs＝8°时的太阳时角Ω的余弦：
Figure FDA0002240764540000028
S307：计算γs＝20°时的太阳时角Ω的余弦：
S308：由Ω得出真太阳时
Figure FDA00022407645400000210
S309：对γs＝8°和γs＝20°两种情况下计算得到的时间求交集，得到具体的预估眩光时间段；
查询该时间段内的太阳方位角是否满足跟窗户法线夹角γw＜15°；
若满足，则判断此时太阳辐射强度是否大于300W/m2；若大于，则为眩光时间，若不大于，则不是眩光时间；
若不满足，则不是眩光时间。
3.如权利要求1所述的一种结合地理位置、气候和建筑朝向的百叶窗控制方法，其特征在于：
在S4中，所述百叶窗控制角度综合考虑以下情况：
(1)百叶窗控制角度受不同气候类型影响；
(2)通过辐射传感器获得实时的辐射强度信息，根据辐射强度信息，结合表格2，对比得出当前天气是晴天、多云或阴天，百叶窗控制角度受不同天气影响；其中，若天气为晴天，则结合表格3，在眩光时间段内调整百叶窗控制角度避免眩光。
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