基于行为特征的分屏电致变色窗户控制系统:实验室实验、舒适度阈值确定及策略验证

《BUILDING AND ENVIRONMENT》:Behavior-informed split-pane electrochromic window control: Laboratory experiment, comfort threshold extraction, and strategy validation

【字体: 时间:2026年03月19日 来源:BUILDING AND ENVIRONMENT 7.6

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  双分面板电致变色窗行为驱动控制策略研究通过38天实验,整合主观问卷与客观环境数据,发现分区域动态调光可提升视觉舒适度72%至74%,同时保持眩光指数(DGP)在安全范围(<0.40)。研究构建了基于用户行为调整模式的环境预分类与实时反馈约束机制,突破传统全窗控制局限,为多气候条件下的自适应建筑外立面提供可部署控制范式。

  
钟一丽|彭金清|罗一默|谭玉桐|杨学东|卢阳
湖南大学土木工程学院,中国长沙410082

摘要

电致变色窗户(ECWs)具有动态可调的光学透射率,是一种有前景的日光照明技术,可以在支持节能运行的同时提高视觉舒适度。然而,大多数现有的控制策略将立面视为一个均匀着色的整体,忽略了用户行为的多样性以及窗格级别的差异性,这限制了ECWs在实际使用中的适应性。在这项研究中,我们在两个配备了相同多窗格ECWs的全尺寸模拟办公室内进行了综合的主观和客观实验。在38天的实验期间,同步收集了环境测量数据、基于问卷的舒适度评估以及用户调节行为的记录,共获得了549个有效样本。随后,通过数据分析来描述典型的日光条件和调节模式,并将窗格级别的行为与关键的视觉舒适度参数联系起来。确定了以舒适度为导向的水平照度(E?)、垂直照度(E?)和简化后的眩光指数(DGPs)的范围,并将这些范围作为约束条件纳入基于行为的分窗格控制策略中。所提出的策略结合了室外辐照度和太阳几何信息进行环境预分类,并利用室内DGPs、E?和E?作为反馈约束,以协调多窗格ECWs的实时着色。与传统的均匀全窗控制相比,基于行为的分窗格策略显著提高了视觉性能:用户对E?和E?的满意度从38%和47%分别提高到72%和74%,前区UDI500–3000lx的覆盖率从43%提高到60%,同时眩光大多保持在可接受范围内(DGP < 0.40)。总之,本研究提出并验证了一种以视觉舒适度为导向的分窗格ECW控制策略,该策略基于实际记录的用户行为,并展示了从测量行为和舒适度阈值推导出可实施控制规则的可行技术途径,为高性能建筑中以用户为中心的自适应立面设计提供了有用的参考。

引言

随着对居住者福祉和建筑能源效率的重视日益增加,透明立面正从以能源为中心的设计转向包含健康、舒适度和性能在内的综合目标,这一点在全球框架如WELL建筑标准和IEA Task 63中得到了强调[[1], [2], [3]]。为了实现多视角的视觉舒适度和动态能源效率,智能遮阳系统和可调玻璃逐渐应用于实际中。其中,电致变色窗户(ECWs)因其连续可调性、高气候适应性和低功耗等优点,被视为下一代智能建筑立面的核心技术[[4], [5], [6]]。然而,它们的整体性能在很大程度上取决于控制策略的科学合理性及其响应机制的适应性[7,8]。
目前的ECW控制策略大致分为基于规则的控制和模型预测控制(MPC)。MPC整合了天气预报、内部负荷预测和多目标优化,以在滚动预测范围内协调照明、暖通空调和立面操作。Gehbauer等人[9]使用模型预测控制器对电致变色立面进行了测试,与启发式控制相比,电力成本降低了9-28%,峰值需求减少了多达43%。然而,尽管在仿真环境中表现优异,但由于依赖于精确的动态模型、可靠的预测数据、连续性约束和大量的计算资源,MPC在实际建筑中仍难以扩展[[10], [11], [12]]。
相比之下,基于规则的方法依赖于照度、日光眩光概率、太阳辐照度或可见太阳条件等物理变量的固定阈值,由于其简单性和低实施成本,仍然是实践中最常用的策略。先前的仿真研究表明,基于照度的触发器可以实现约20%的节能效果,而基于眩光的触发器虽然节能效果稍低,但能提供更稳定的视觉舒适度[13,14]。多气候评估进一步表明,基于规则的控制的有效性对触发变量和阈值的选择非常敏感,其性能会因气候和立面条件而异[14,15]。总体而言,基于规则的控制性能不仅取决于当地的气候和立面条件,还取决于控制规则、触发变量和阈值的制定和调整方式。
大多数现有的ECW控制策略,无论是基于规则的还是基于模型的,都是为全窗着色设计的,并将立面视为一个统一的控制单元。然而,在实际的室内环境中,垂直不均匀的日光分布使得单一着色状态无法同时抑制上方视野中的眩光,同时保持下方区域的任务照度和室外可见性,从而影响了视觉舒适度和与室外的视觉联系[16,17]。这些限制促使人们越来越关注能够更有效地满足空间差异化视觉需求的分窗格和多窗格控制配置。Sun等人[16]对配备眩光预测策略的三层窗格EC系统进行了年度模拟,表明该方法可以将年度眩光指数(DGP)保持在0.4以下,同时大幅降低照明需求。Han等人[17]应用多目标仿真优化,找到了能够消除95.3%不可忍受的眩光并将有用日光照度(UDI)提高到73.3%的三层窗格配置。Zhou等人[18]构建了一个多窗格高分辨率仿真框架,并结合了ANN–NSGA-II优化器,实现了空间UDI分布和眩光缓解的平衡改进。
尽管已经进行了大量的基于仿真的电致变色和动态玻璃系统研究,但涉及真实使用者的实验研究仍然相对较少。现有的实验工作主要研究了居住者与全窗级动态或智能立面系统的互动,关注用户满意度、手动覆盖行为和切换特性[19,20]。相比之下,针对分窗格ECW在窗格级别上的用户行为和控制逻辑的实验研究仍然有限。
除了这种方法论上的差距外,分窗格ECW控制还受到几个结构挑战的限制。协调的窗格级别调节大大增加了控制复杂性,而日光分布的强烈空间不均匀性限制了静态单点照度或眩光阈值的适用性。此外,居住者行为和感知的视觉舒适度很少被系统地用于控制规则的推导或约束,这限制了基于用户感知的基于规则的自适应立面控制策略的发展。综上所述,这些限制反映了动态建筑立面面临的更广泛挑战,因为研究越来越从以能源驱动的优化转向以人为中心的性能优化,认识到居住者接受度是决定实际效果的关键因素。
为了解决这些挑战,本研究开发并验证了一种基于行为的、基于规则的分窗格ECW自适应控制策略,其中将居住者行为以推导的方式纳入控制阈值中,而不是模拟实时行为。所提出的方法明确地将物理光照环境、居住者干预和感知的视觉舒适度联系起来,从而为下一代自适应立面系统建立了稳健且实用的控制逻辑。

方法论

本研究的方法论框架如图1所示。研究遵循一个三步工作流程,包括全尺寸实验、基于行为的建模和比较验证。第一步建立了一个三层窗格ECW测试平台,并同步记录居住者的覆盖行为、问卷响应和环境测量数据,然后进行数据清洗和配对。第二步通过整合状态聚类来推导基于规则的分窗格控制策略,

调节行为的探索性分析

图9总结了单个调节事件中各窗格的参与程度以及全天调节行为的时间分布。就窗格参与程度而言,单窗格调节占事件的最大比例(46.3%)。然而,超过三分之一的调节涉及两个或更多窗格的协调操作,表明均匀的全窗控制无法捕捉到大部分实际居住者互动。

结论

通过综合的主观和客观实验,本研究开发了一种基于行为的分窗格控制策略,并通过全尺寸对比测试对其性能进行了严格评估。主要发现总结如下:
  • (1)
    用户调节表现出明显的昼夜双峰模式,并倾向于局部操作:事件集中在早晨和下午,46.3%涉及单窗格变化。
  • CRediT作者贡献声明

    钟一丽:撰写——原始草案、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理。彭金清:监督、资源管理、项目管理、方法论、正式分析。罗一默:撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。谭玉桐:撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。杨学东:监督、调查、正式分析。卢阳:
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