1.4 绿色建筑运维控制关键技术

1.4.1 照明系统控制技术

照明技术让黑夜不再黑暗, 使人们的生活、工作、学习、娱乐等方式发生了重大改变, 给人们带来了极大的便利。然而, 照明系统能耗问题也随之浮现出来, 照明系统能耗占建筑总能耗的30% ~50% 。因此, 设计合理的照明系统, 并采用高效的照明控制技术, 使照明系统既能优化照明效果, 又能降低能耗。照明系统控制的关键技术涉及照度调节、场景控制与节能优化等方面。智能控制技术的应用, 使照明系统的运行水平得到了极大的提高。智能照明系统是指在满足正常照明需求的前提下, 采用智能控制技术让灯具输出一个最合适的照明功率, 改善照明电路中不平衡负荷带来的额外功耗, 提高功率因数,从而达到节能和视觉舒适的目标。

先进的控制技术使得照明系统水平得到了很大提升, 更多的照明控制方式和手段使得视觉舒适和节能同时实现。 Mathews等提出了一种开放式的OpenAIS体系, 它具有很强的互操作性、可扩展性和开放性, 为建筑照明控制提供了一种新的解决方案[10] 。 Kaur等提出了一种节能照明控制方法, 通过改造现有建筑结构中电气照明组件来提高能源的利用效率, 最高能够节能76.3% [11] 。为设计一个高效的照明控制系统, Kruisselbrink等应用比例控制来确定室内各个灯具的调光水平, 为每个房间分配最合适的预定义场景, 从而达到大幅度降低能耗的目的[12] 。 XU等通过手动控制和自动控制混合的照明控制方法来控制照明, 能够至少节能50%，且该方法不会影响到视觉的舒适度[13] 。 Snyder提出了基于多元极值搜索的照明控制方法, 它可以更快地到达系统能耗的最小值, 同时照明控制精度也得到了改善[14] 。Atis等提出了一种基于专家系统的照明智能控制系统, 在节约电能的基础上, 提供稳定的照明, 该方案具有灵活的框架, 可以通过网络进行监视[15] 。

日光利用如今成为照明系统重要的节能手段。 Gao等提出了一种低计算成本的闭环照明控制方案, 该方案通过测量太阳光和灯光的亮度来确定灯光的调光等级, 具有稳定的照明能力, 且能够节能[16] 。Sun等提出了一种基于分布式多主体框架的室内智能照明控制方法,该方法根据室内人员和户外光线情况控制照明设备和百叶窗, 从而达到室内的最佳视觉舒适度和最小能耗[17] 。 Yahiaoui根据当前天气和空气指数来选择适当的照明控制策略, 通过开展遮阳设备和室内照明组件, 最大化地利用日光来达到节能的目的[18] 。

随着照明技术与控制技术的逐渐发展, 单纯地为工作区域提供照明的功能已经不能够满足人们对于照明系统的更高层次需求了, 越来越多的人希望个人区域照明能追随自己的意愿。因此, 照明系统的个性化控制成为当前研究的热点。 Xiong等提出了一种新的照明多目标优化方法, 能够在最大程度地减少照明能耗的同时, 将用户个性化的视觉偏好纳入照明系统进行控制[19] 。 Kandasamy等提出了一种基于ANN-IMC的新型照明控制方法, 该方法能够在不影响用户视觉偏好的情况下进行个性化的恒光控制, 可以有效地应用到零能耗建筑设备控制系统[20] 。 Rossi等提出了一种基于人员占用及灯光个体适应性的照明控制策略, 按照用户所需的照度值来提供照明, 能够有效地减小能耗[21] 。

在照明系统组网协议方面, 目前主流的照明控制系统组网协议有Dynet协议、 EIB协议、 DALI协议、 HBS协议和X-10协议。 Dynet协议采用两对双绞线, 其中一对提供DC12V总线设备工作电源, 另一对用于传输总线设备信息。 Dynet 协议是基于 RS -485 四线制传输的, 其拓扑结构只支持线形结构。 EIB协议是欧洲现行的主要标准,它是一个完全对等的分布式网络, 其拓扑结构采用域、区、线三级结构。 DALI协议是数字式可寻址灯光接口的缩写, 它定义了电子镇流器与设备控制器之间的通信方式。 DALI协议不仅具有很强的实用性、可扩展性, 还拥有着系统开发难度小、开发成本低等特点, 在照明控制领域中有一定的优势。 HBS协议全称为家庭总线系统, 是由日本日立、三菱、松下、东芝等公司联合提出的概念, 以双绞线或同轴电缆为通信介质, 控制通道最多可以有64个节点, 主要用于电器开关量以及简单模拟量的控制, 采用专用总线, 具有抗干扰强、安全性高等优点。 X-10协议是利用电力线载波方式进行家庭自动化信息传输的协议, 采用调制方式传送, 有较高的抗干扰能力, 可靠性高,该协议不要求重新布线, 对于要求低成本的照明控制是最好的选择。

当前的照明控制已经有了很大的进步, 但照明系统运行控制方面仍然有许多问题需要思考和解决。①照明系统的建筑自适应性。照明系统在设计和实施时, 应当考虑建筑类型的自适应性, 充分发挥照明灯具之间的相互作用。②自然光和人工照明的互补性。自然光和人工照明的发展应寻求更好的控制策略, 通过同步室内的控制器以达到最佳的节能效果和视觉效果, 且应考虑多种天气对照明系统稳定性的影响。③建筑使用者的视觉个性化需求性。照明系统调光控制策略应当充分考虑人员之间喜好的冲突, 室内多个灯具或调光设备之间的相互影响。④照明控制系统与使用者的主动交互性。使用者和照明系统构成一个新的系统, 照明控制算法应将使用者考虑在控制闭环中。