CN109162619A - 一种基于节能的智能外窗优化调控方法 - Google Patents

一种基于节能的智能外窗优化调控方法 Download PDF

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Abstract

一种基于节能的智能外窗优化调控方法涉及智能窗领域。本发明根据不同地域、不同建筑类型、不同朝向确定EC玻璃窗的调控策略，能有效利用太阳辐射热、增大自然采光、避免眩光，解决光热环境多控制目标的最优化控制问题，降低建筑能耗。本发明采用电致变色玻璃窗的建筑设计参数，在EnergyPlus的EnergyManagementSystem模块中设定电致变色玻璃窗的控制逻辑，采用Genopt软件对建立的EnergyPlus仿真模型中电致变色玻璃窗状态的控制参数室外水平照度的控制阈值进行优化，使该建筑模拟的照明能耗和空调能耗之和最低。本发明有效降低建筑能耗，可避免因不同地域、不同朝向、不同建筑类型、不同季节电致变色玻璃窗应用不当的情况。

Description

一种基于节能的智能外窗优化调控方法
技术领域
本发明涉及智能窗领域，具体涉及一种基于节能的智能外窗优化调控方法。
背景技术
玻璃窗是建筑围护结构的必要组成部分，透过玻璃进入室内的可见光和辐射热对建筑光热环境和能耗有重要影响。传统玻璃在使用过程中光学属性“静态”不变，对太阳光热透射量只能“被动接受”，不能根据室外气象条件和建筑需求变化“主动调节”。该问题是制约玻璃窗节能的瓶颈，也是现代建筑应用大面积玻璃窗时普遍出现建筑能耗高与环境舒适性差的主要根源。
电致变色(Electro Chromic，简称EC)玻璃节能技术的出现，为实现玻璃窗对太阳光热“主动利用”提供了有效途径。EC玻璃在外加电场的作用下，透明度和颜色能够发生可逆变化，可见光透射率和太阳得热系数在较大范围内呈现非线性变化。EC玻璃的“主动调节”特性使其节能潜力显著，被视为新一代建筑关键节能技术。保障该项新技术在建筑中高效应用和推广，对促进我国绿色智能建筑发展和实现建筑节能有重要意义。
一方面，EC玻璃窗可根据建筑热环境需求，主动调节透过玻璃的太阳辐射热，与空调设备共同作用，保证室内热舒适，降低空调能耗。另一方面，EC玻璃窗还可根据建筑光环境需求，主动调节玻璃可见光透射率，与照明设备、遮阳设备共同作用，保证工作面照度，减少不舒适眩光，改善室内光环境，降低照明能耗。
譬如在夏季，当EC玻璃窗应调节为着色态时，减少透过太阳辐射量，有利于空调节能，也减少不舒适眩光；但不利于自然采光，需开启照明补充室内照度，增加照明能耗。若控制不当，则EC玻璃窗在应用过程中并不能降低建筑能耗，甚至有可能增加建筑能耗。如何合理调节EC玻璃窗，使其在利用太阳辐射热、增大自然采光、避免眩光中寻找到最佳控制点，达到降低建筑能耗、营造舒适环境的目标，是发挥EC玻璃窗优势和节能潜力的关键问题。现有EC玻璃窗调控通常采用单参数的反馈控制方法或简单日程表控制方法，尚不能解决光热环境多控制目标的最优化控制问题，不利于建筑节能。这些问题影响EC玻璃窗调控性能，制约其在建筑中高效应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于节能的智能外窗优化调控方法，能根据不同地域、不同建筑类型、不同朝向确定EC玻璃窗的调控策略，使其能有效利用太阳辐射热、增大自然采光、避免眩光，解决光热环境多控制目标的最优化控制问题，降低建筑能耗。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高效智能外窗控制系统，包括电致变色玻璃窗，气象参数传感器(该传感器为所选控制参数的传感器)。上述气象参数传感器安装在电致变色玻璃窗窗框下方，用于测量该气象参数的值；上述气象参数传感器与电致变色玻璃窗控制柜相连；电致变色玻璃窗控制柜控制电致变色玻璃的透明度。
本发明提供的是一种基于节能的智能外窗优化调控方法，首先确定采用电致变色玻璃窗的建筑设计参数，然后进行以下步骤：
(1)根据建筑设计参数在能耗模拟软件EnergyPlus中建立该建筑的模型，并建立电致变色玻璃窗不同状态的玻璃窗模型.模型围护结构材料、房间面积和窗墙比均按实际参数设置；
(2)在EnergyPlus中建立空调系统与照明系统，按照建筑每日空调系统和照明系统实际运行时间建立空调系统、照明系统的运行时间表。根据工作人数、该建筑人员活动时间和相关规范规定的人员散热量建立人员模型。根据当地气象条件和规范设置室内照度值、供冷和供暖室内设计温度，并设置供冷季和供暖季持续时间。
(3)在EnergyPlus的EnergyManagementSystem模块中设定电致变色玻璃窗的控制逻辑，以电致变色玻璃窗状态为控制对象，该建筑所采用的电致变色玻璃窗共有n种状态(不同厂家生产的EC玻璃窗所具有的状态数不同，该EC玻璃窗具有几种状态、每种状态的可见光透过率、外表面反射率、内表面反射率、太阳辐射透过率、遮阳系数SC和太阳能得热系数SHGC均由厂家提供)，可见光透过率由高到低分别命名为EC-1、EC-2、EC-3……EC-n-1、EC-n，设定某可用传感器采集的气象参数为控制参数(可为控制参数的气象参数为：室外温度、室外水平照度、室外垂直照度和太阳辐射强度)。设定控制逻辑为：当控制参数的值＜X1，电致变色玻璃窗状态为EC-1；当X1≤控制参数的值＜X2，电致变色玻璃窗状态为EC-2……当Xn-2≤控制参数的值＜Xn-1，电致变色玻璃窗状态为EC-n-1；当控制参数的值≥Xn-1，电致变色玻璃窗状态为EC-n。X1，X2……Xn-2,Xn-1为无关未知变量。
(4)采用Genopt软件对建立的EnergyPlus仿真模型中电致变色玻璃窗状态的控制参数室外水平照度的控制阈值进行优化，使该建筑模拟的照明能耗和空调能耗之和最低。在Genopt：command部分把X1，X2，……Xn-2，Xn-1定义为优化变量，根据所选控制参数为EnergyPlus中该地区典型年气象文件中的最大值和最小值设定X1，X2，……Xn-2，Xn-1的取值范围。例如：取室外温度为控制参数，打开EnergyPlus软件所提供的该地区典型年气象文件，其中该地区典型年室外温度最大值为a2、最小值为a1，列出等差数列ai＝a1+(i-1)×d，(ai≤a2，i＝1,2,3……),X1，X2……Xn-2,Xn-1可分别取ai中任意一值。建议当控制参数取温度时等差数列中公差d取0.5，当控制参数为室外水平照度时公差d取1000，当控制参数为室外垂直照度时公差d取100，当控制参数为太阳辐射强度时公差d取10。
(5)，在Genopt：optWin7中设置目标函数，该模型设置照明能耗和空调能耗之和为目标函数。把X1，X2，……Xn-2，Xn-1的所有取值由Genopt软件自由组合并带入EnergyPlus软件模拟，由于无法判断目标函数是否最优，所以程序会把所有变量自由组合所形成的目标函数全部输出。读取所有目标函数，整理X1，X2，……Xn-2，Xn-1的取值满足X1＜X2＜……＜Xn-2＜Xn-1所对应的所有目标函数，这些目标函数为有效数据，并找出各个季节目标函数最小时所对应的优化变量X1，X2，……Xn-2，Xn-1的取值，此时X1，X2，……Xn-2，Xn-1的取值为电致变色玻璃窗该控制参数最优的控制阈值，并按照此阈值设置电致变色玻璃窗控制柜的控制逻辑。
本发明的有益效果是：(1)可有效降低建筑能耗；(2)可避免因不同地域、不同朝向、不同建筑类型、不同季节电致变色玻璃窗应用不当的情况；(3)能在保证室内光舒适热舒适的前提下尽量挖掘电致变色玻璃窗的节能潜力；(4)操作简单，适用性较强。
附图说明
图1是根据北京某高校办公楼的实际参数所建立的EnergyPlus仿真模型
图2是EC玻璃厂家所提供的EC玻璃的性能参数
图3是在EnergyPlus中设置的电致变色玻璃窗的控制逻辑
图4是控制阈值优化流程图
具体实施方式
下面结合附图针对本发明作进一步实例描述：
(1)图1是根据北京某高校办公楼的实际参数所建立的EnergyPlus仿真模型，房间每层层高为2.98m，长12m，宽3.3m，每个房间长均为3m，房间面积为9.9m2每层各有4个房间。墙均采用240mm的砖墙，窗户采用三层玻璃窗，具体结构为6mmEC玻璃+12mm空气层(90％氩气10％空气)+6mm普通玻璃，EC玻璃具体参数如图2所示。窗台高度距地面0.98m，窗户面积为1.5×1.5m2，窗墙比为0.25。
(2)室内空调、照明、设备、人员等按实际测量结果、《实用供热空调设计手册》和《建筑照明设计标准》(GB50034-2013)中相应数值进行设定。照明灯功率设定为80W，每台电脑散热量为50W，每个人员散热量为89W，空调、照明、设备、人员的活动时间为8:00～18:00，供暖季室内设计温度为22℃，供冷季室内设计温度为26℃，室内照度设定值为300Lux。模拟气象参数选用国际能耗计算典型气象年中北京地区气象文件。根据室内热环境需求不同全年分为3个时段进行模拟，以北京地区为例，分别是供暖季(11月15日至次年3月15日)、供冷季(5月15日至9月15日)和过渡季(其余时间)。
(3)图3是在EnergyPlus的EnergyManagementSystem模块中设置的电致变色玻璃窗的控制逻辑，该建筑所采用的电致变色玻璃窗有四种状态，可见光透过率由高到低分别命名为EC-1、EC-2、EC-3、EC-4，控制参数选室外水平照度。这里所设置的控制逻辑为：当室外水平照度＜X1，电致变色玻璃窗状态为EC-1；当X1≤室外水平照度＜X2，电致变色玻璃窗状态为EC-2；当X2≤室外水平照度＜X3，电致变色玻璃窗状态为EC-3；当室外水平照度≥X3，电致变色玻璃窗状态为EC-4。X1、X2、X3为三个未知变量。
(4)图4是Genopt运行流程图。在Genopt：command部分把X1、X2、X3三者定义为优化变量，打开EnergyPlus软件所提供的北京地区典型年气象文件，其中该地区典型年室外水平照度最大值为80000Lux、最小值为0，列出等差数列ai＝(i-1)×1000，(0≤ai≤80000，i＝1,2,3……),所以X1、X2、X3可取0,1000,2000,3000,……79000,80000，中任意一值；
(5)在Genopt：optWin7中设置目标函数，这里设置照明能耗和空调能耗之和为目标函数。把X1，X2，X3的所有取值由Genopt软件自由组合并带入EnergyPlus软件模拟，由于无法判断目标函数是否最优，所以程序会把所有变量自由组合所形成的目标函数全部输出。读取所有目标函数，整理X1，X2，X3的取值满足X1＜X2＜X3所对应的所有目标函数，这些目标函数为有效数据，整理并找出各个季节目标函数最小所对应的优化变量X1、X2、X3的取值，此值为电致变色玻璃窗以室外水平照度为控制参数的阈值，并按照此阈值设置电致变色玻璃窗控制柜的控制逻辑。
本发明的实施实例可有效降低建筑的总能耗，并且操作简单。

Claims (3)

1.一种基于节能的智能外窗优化调控方法，首先确定采用电致变色玻璃窗的建筑设计参数，其特征在于，然后进行以下步骤：
(1)根据建筑设计参数在能耗模拟软件EnergyPlus中建立该建筑的模型，并建立电致变色玻璃窗不同状态的玻璃窗模型；模型围护结构材料、房间面积和窗墙比均按实际参数设置；
(2)在EnergyPlus中建立空调系统与照明系统，按照建筑每日空调系统和照明系统实际运行时间建立空调系统、照明系统的运行时间表；根据工作人数、该建筑人员活动时间和相关规范规定的人员散热量建立人员模型；根据当地气象条件和规范设置室内照度值、供冷和供暖室内设计温度，并设置供冷季和供暖季持续时间；
(3)在EnergyPlus的EnergyManagementSystem模块中设定电致变色玻璃窗的控制逻辑，以电致变色玻璃窗状态为控制对象，该建筑所采用的电致变色玻璃窗共有n种状态，不同厂家生产的EC玻璃窗所具有的状态数不同，该EC玻璃窗具有几种状态、每种状态的可见光透过率、外表面反射率、内表面反射率、太阳辐射透过率、遮阳系数SC和太阳能的热系数SHGC均由厂家提供；可见光透过率由高到低分别命名为EC-1、EC-2、EC-3……EC-n-1、EC-n，设定某可用传感器采集的气象参数为控制参数，可为控制参数的气象参数为：室外温度、室外水平照度、室外垂直照度和太阳辐射强度；设定控制逻辑为：当控制参数的值＜X1，电致变色玻璃窗状态为EC-1；当X1≤控制参数的值＜X2，电致变色玻璃窗状态为EC-2……当Xn-2≤控制参数的值＜Xn-1，电致变色玻璃窗状态为EC-n-1；当控制参数的值≥Xn-1，电致变色玻璃窗状态为EC-n；X1，X2……Xn-2,Xn-1为未知变量；
(4)采用Genopt软件对建立的EnergyPlus仿真模型中电致变色玻璃窗状态的控制参数的控制阈值进行优化，使该建筑模拟的照明能耗和空调能耗之和最低；在Genopt：command部分把X1，X2，……Xn-2，Xn-1定义为优化变量，根据所选控制参数为EnergyPlus中该地区典型年气象文件中的最大值和最小值设定X1，X2，……Xn-2，Xn-1的取值范围；
(5)在Genopt：optWin7中设置目标函数，该模型设置照明能耗和空调能耗之和为目标函数；把X1，X2，……Xn-2，Xn-1的所有取值由Genopt软件自由组合并代入EnergyPlus软件模拟，由于无法判断目标函数是否最优，程序会把所有变量自由组合所形成的目标函数全部输出；读取所有目标函数，整理X1，X2，……Xn-2，Xn-1的取值满足X1＜X2＜……＜Xn-2＜Xn-1所对应的所有目标函数，这些目标函数为有效数据，并找出各个季节目标函数最小时所对应的优化变量X1，X2，……Xn-2，Xn-1的取值，此时X1，X2，……Xn-2，Xn-1的取值为电致变色玻璃窗该控制参数最优的控制阈值，并按照此阈值设置电致变色玻璃窗控制柜的控制逻辑。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤(4)具体为：取室外温度为控制参数，打开EnergyPlus软件所提供的该地区典型年气象文件，其中该地区典型年室外温度最大值为a2、最小值为a1，列出等差数列ai＝a1+(i-1)×d，ai≤a2，i＝1,2,3……,X1，X2……Xn-2,Xn-1分别取ai中任意一值。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于：当控制参数取温度时等差数列中公差d取0.5，当控制参数为室外水平照度时公差d取1000，当控制参数为室外垂直照度时公差d取100，当控制参数为太阳辐射强度时公差d取10。
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