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。