（电力电子与电力传动专业论文）基于智能控制策略的采光与照明技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t l i g h t i n gc o n t r o li n t e g r a t e dw i t hd a y l i g h t i n gh a sb e e nn e g l e c t e df o ral o n gt i m e i no u r c o u n t r y a l m o s tb u i l d i n gs t i l lc o n t i n u et ou s et h et r a d i t i o n a li l l u m i n a n c ec o n t r o l f a s h i o n i nt h em o r n i n gt h ef i r s tp e o p l ew o u l dd e c i d et op u l lo no rp u l lo f f t h el i g h t i n g a c c o r d i n gt ot h el e v e lo fd a y l i g h t i n g i ft h ea r t i f i c i a ll i g h t i n gh a sb e e np u l l e do ni t w i l ln o tb ep u l lo f fu n t i lt h el a s tp e r s o nl e a v et h er o o m i ti st h es a l l ea st h ec u r t a i n w e o p e nt h ec u r t a i na c c o r d i n gt ot h ei n t e n s i t yo fd a y l i g h t i n g a st h ec u r t a i ni su p t oa f i x e dp o s i t i o ni tw i l lk e e pt h i sp o s i t i o nu n l e s st h ed a y l i g h t i n gi n t e n s i t yi n f l u e n c e p e o p l e ss e e i n g o nt h eo t h e rh a n d ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp e o p l e sl i v i n gt h e p r o v i d eo fe l e c t r i cp o w e ri st r e n d l yi n t e n s i t y h o w e v e ra b o u t2 0 o ft o l a le n e r g yi s c o n s u m e db yl i g h t i n g ， c o n s i d e r i n go ft h e s et w oq u e s t i o n s ，a c o n t r o ls t r a t e g yb a s e do n i n t e l l i g e n t l i g h t i n gd i m m i n gs y s t e mi sb e i n gp u tf o r w a r dw h i c hc o u l dp r o v i d eac o m f o r t a b l e 、 f l e x i b l e 、c o n v e n i e n tl i v i n ga n dw o r k i n ge n v i r o n m e n t i tc a nn o to n l yb o o s tw o r k e f f i c i e n c y b u ta l s od e c r e a s ev i s i o nt i r ea n da sw e l la sb e n e f i tf o rh u m a n w e l l b e i n g h o w e v e rh o wt of u l l yu s ed a y l i g h t i n g ? h o wt oc o n t r o lt h el i g h t i n ga n dt h e c u r t a i nt op r o d u c eah i g he f f i c i e n c yw o r ke n v i r o n m e n t ? h o wt h eo u t d o o rl i g h t i n g i n f l u e n c eo nt h ei n d o o rl i g h t i n gd i s t r i b n t i n g ? a r et h er e s e a r c hc o n t e n ti nt h i st h e s i s a n da l s od e s c r i b e da sf o l l o w e d ： ( 1 ) w i t ht h es t u d yo nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fi n d o o ri l l u m i n a n c e ，w ef i n dc i e c l e a rs k ym o d e la n dc i eo v e r c a s ts k ym o d e lc a nb e u s e df o rr e l a t i v ep r e c i s e e s t i m a t i o no fi n d o o rd a y l i g h td i s t r i b u t i o n b a s e do nt h es a m em o d e lac a l c u l a t i o na n d a n a l y s i so ft h ee f f e c to fw w r ，s i l l ，w i n d o wt r a n s m i t t a n c e ，f i g u r a t i o na n do r i e n t a t i o n o ni n d o o ri l l u m i n a n c ed i s t r i b u t i o ni sp r o v i d e d ，a n dt h ec a l c u l a t i n gf o r m u l a so fi n d o o r i l l u m i n a n c ef o re a c ha f f e c t i n gf a c t o ra r eo b t a i n e du n d e r r e g r e s s i o n ( 2 ) t h r o u g ht h es t u d yo fi n f l u e n c ef a c t o ra f f e c t i n gt o i n d o o rl i g h t i n g d i s t r i b u t i n g ，t h e a r t i f i c i a ln e t w o r kw a sp r o p o s e da n dd e v e l o p e df o ra nc o n s t a n t i n t e l l i g e n t i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m t h ed e v e l o p e dn e t w o r kh a sb e e ns u c c e s s f u la p p l i e d a b s t r a c t i ni n t e g r a t i n gi n d o o ri n l l u m i n a t i o n 、a r t i f i c i a ll i g h t i n ga n dt h ec u r t a i n i th a sb e e n p r o v e dt h a tt h i sn e t w o r k i ss c i e n t i f i c 、r e a s o n a b l ea n dr e l i a b l e ( 3 ) h o w e v e r , t h e r e a r es t i l ls o n l e p r o b l e l m s o fp u t t i n gi ti n t op r a c t i c ef o r e x a m p l e ，t h eo u t p l i to fal i g h t i n gs y s t e mc h a n g e sw i t ht i m ed u et od e g r a d a t i o no f l a m p s a n dd i r t b u i l d u po nl u m i n a r i e s i na d d i t i o n ，a t l t o m a t i cp h o t o c e l l - b a s e d c o n t r o l l e r sf a c ead i f f i c u l t y o n c ei l l u m i n a t e d ，h o w e v e g i ti sm o r ed i f f i c u l tt od e c i d e w h e t h e rt h eu n d e r l y i n gl e v e lo fd a y l i g h t i n gi ss u f f i c i e n tt oe n a b l et h e mt ob e e x t i n g u i s h e d k e y k e yw o r d s ：a r c h i t e c t u r ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r ，i n d o o ri n l u m i n a n c e ，a r t i f i c i a l n e t w o r k ，a d a p t i v en e u r a l - - f u z z yi n f e r e n c es y s t e m s i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：焉小锹 a 州t 年名月3 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：焉小 如s 年月乎日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月w q 口o j 年弓月 焉o 、敬 号日 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着智能建筑的发展，长期以来，智能照明系统一直是被忽略的部分，虽然 部分智能大厦采用楼宇白控( b a ) 系统来监控照明，但是，大多数的建筑物仍 采用传统的照明控制方式，实现的只是简单的o n o f f 控制，或预设的场景控制。 这种控制方式不能随着外界环境的变化丽变化，在相对固定的电气设计下，不能 提供一个舒适的工作环境，带来的便是工作效率的降低，可以说灵活性比较差， 而且，在能源方面，造成的是能源的大量 良费。对于电力资源相对紧张的中国， 这无疑是一种负担。 随着科学技术的发展，当今人们越来越多的把智能控制策略应用到照明控制 系统中来，从而形成了当今照明控制的主流：智能照明控制系统。 国外在智能照明控制方面的技术相比较国内要成熟很多，他们已经做到把音 像设备、电话、自然采光等集成到照明控制中来，并且达到了光源和窗帘、空调 的协调控制，在能源节约上产生了很乐观的效果。相应的在照明控制领域引入了 现场总线技术，如c a n 、l o n w o r k s 总线等，出现了分布式照明控制系统。智能 照明控制系统主要是利用各种智能传感器把所需的和照明有关的各种信号采集 到，输入到智能控制模块，利用智能算法计算输出一个控制值，达到对光源的合 理控制。其中，人工神经网络( a n n ) 便是当今普遍流行一种智能控制策略。 把人工智能技术引入到自动控制系统巾，主要是寻求难以精确建模的复杂系统的 自动控制。同时，采用引入自然j 匕的控制策略。自然光的引入可以提供一部分所 需照度，减少人工照明的使用，节约一部分能源，同时能使室内空蒯更加活泼自 然。 在照明控制方面也从最初的手工开关控制，发展到利用定时元件、传感器等 的开关控制，现在还出现了对照明器的调光控制，从电位器调光，发展到利用可 控硅或晶闸管的相控调光器，以及采用智能控制策略利用正弦波调光器来进行调 光控制。不仅实现了照明的自动控制，美化了建筑内外的光环境节约了能源消耗， 还延长了灯的使用寿命，无论从实用意义上还是从经济意义上，照明控制增添了 照明的活力，促进了照明技术和艺术的发展。 1 2 照明的智能控制技术发展背景分析 第一章绪论 1 21 国内外照明的智能控制技术现状综述 照明作为建筑不可缺少的部分随着国内外“智能住宅”的大量出现，与之配 套的照明的智能控制技术也迅速地向前发展，并成为二十一世纪照明技术发展的 一个重要方向。 国外在照明的智能控制方面研究工作起步较早，已开发出不少智能灯具和照 明的智能控制与管理系统，如澳大利亚的邦奇( d y n a l i t e ) 、奇胜( c l i p s a l ) 和l 德国 的a b b 照明的智能控制技术较为先进：国内在照明的智能控制技术方面的研究 也相当迅速，如智能住宅中心控制系统i h c c 、“真善美”品牌的智能照明控制开 关等。 1 2 2 照明及照明控制科技的发展 1 荧光灯光效的改善 荧光灯技术的发展相当迅速，光源和控制电路的改进使光源的光效从1 9 4 0 年的3 5 1 m w 发展到现在的1 0 0 1 m w 以上，灯的寿命从2 0 0 0 h 到现在的1 5 0 0 0 h 。 三基色荧光灯大大提高了荧光灯的显色性，涂敷多光谱带荧光粉的荧光灯有极高 的显色性( 显色指数达到9 0 ) 。 2 荧光灯的调光技术日臻完善 对于良好的荧光灯调光器，它必须同时安装具有重新点燃和加热阴极的辅助 元件才能正常进行调光。目前，荧光灯调光技术己接近成熟。如选用特殊镇流器 的充氩荧光灯，可调至正常光输出的1 ，任何水平上都能获得令人满意的再启 动。 3 专用电光源的开发 采用有利于保护青少年视力的直流供电技术的无闪烁( 频闪) 护眼灯，或采 用超出人眼感觉范围的高闪烁荧光灯，都能有效地降低视觉疲劳。 4 遥控开关技术的发展 目前，家用照明开关朝着高档化、多功能化以及智能化方向发展，如松本电 工、t c l 王牌、真善美等产品。 5 数字调光系统的发展 如基于i c e 9 2 9 修订草案之上的可寻址调光系统d a l i ( d i g i t a la d d r e s s a b l e l i g h t i n gi n t e r f a c e ) 技术标准已被世界上主要镇流器厂商采纳，如o s r a m 、m a g n e 1 e k 、v s 、i n sl a 、t r i d o n i c 等。d a l i 不需要开关，灯具可以利用镇流器可寻 第一章绪论 址功能预先设置照明亮度和控制编组。 6 传感器技术的发展 照度传感器、被动红外传感器、微波传感器：超声波传感器、用于人脸识别 技术的传感器、智能传感器等各种传感器的技术= i 趋成熟，已经开始应用于智能 建筑的各个领域图像。 1 3 论文研究的意义 照明用电占所有建筑用电的2 0 2 5 ，而现在市场上儿家主要的专注于 智能照明的电气公司所生产的调光产品或场景控制器基本上都是丌环控制，当人 们进入工作区域，会按照需要的工作需求来打丌所需的场景光源，调节光源的光 输出，以使其达到所期望的照度水平，但是由于人类所固有的惰性，当调节好场 景照度后，工作区域内蜘+ 的照度一般不会再根据室内采光的采光系数来改变，这 样到了城市的用电高峰期，便会在不必要的情况下增加电网的负担，不仅不会创 造好的、舒适的工作环境，降低工作效率，而且还造成不必要的经济损失由于 增加了用电负荷，在增加额外的电力投资的同时，也造成了大量的污染，据专家 计算，每生产1 0 0 亿千瓦电需耗煤5 0 0 万吨，还要向大气排放烟尘5 4 万吨，二 氧化硫7 8 万吨，产生严重的酸雨，破坏了生态平衡。鉴于以上问题，此文提出 了借用智能控制策略的照明控制系统这里采用自适应模糊神经网络推理系统去 预测室内的自然光照，以此来达到恒照度的控制这样不仅可以提供舒适的照度 环境还大大的节省了能源，在能源高度危机的今天，此课题的研究必然带来了很 大的研究意义。 1 4 论文研究的方法与内容 1 4 ，1 研究方法 本课题先期以方案研究及仿真为主，后期拟以实验为主，结合各种控制策略 为指导实现照明的智能化控制。 1 4 2 研究内容 本课题主要的研究内容围绕影响室内照度的各种因素，褥出控制摸型受各种 因素的制约，具有非线性、未知性的特点。又由于人工神经网络( a n n ) 由于 第一章绪论 良好的映射逼进能力、容错能力、并行处理能力、自学习、自组织能力、联想能 力、高速处理能力和一定智能特点，所以次课题的研究方向与思路便是在试验的 基础上用自适应模糊神经网络推理系统建模预测室内的照度，然后把此照度作为 b p 网络输入数据，通过b p 网络自学习的功能来得出控制模型来达到合理的控制。 第二章智能建筑的发展与分析 第二章智能建筑的发展与分析 2 1 智能建筑的发展 随着信息社会的发展，建筑越来越成为人类环境的一个重要的组成部分。由 于建筑技术与信息技术的相互渗透结合和迅猛发展，在2 0 世纪8 0 年代中期就产 生了新的建筑类型智能建筑。智能建筑充分运用了人们在人体功效学和环境 心里学方面的研究结果，以先进的楼宇自动化b a 、办公自动化o a 、通信 自动化c a 作为技术手段，营造舒适、高效节能的环境，使建筑物的使用人 员享有一个心情愉快、健康、有安全感和工作效率高的舒适环境，同时节能与高 效又使得智能建筑的建造者与使用者获得极高的经济效益。 智能建筑是为了适应现代信息社会对建筑物的功能、环境和高效率管理的要 求，特别是对建筑物应具备信息通信、办公自动化和建筑设备自动控制和管理等 一系列功能的要求而在传统建筑的基础上发展起来的。 1 9 8 4 年1 月，美国联合科技集团公司在康乃狄格州所完成的“城市广场” 大楼的广告词中首次出现了“智能建筑”一i 司。该大楼以当时最先进的技术来控 制空调设备、照明设备、防灾和防盗系统、电梯设备、通信和办公自动化等，除 可实现舒适性、安全性的办公环境外，并具有高效、经济的特点。大楼的用户可 以获得语音、文字、数据等各类信息服务，而大楼内的空调、供水、防火防盗、 供配电系统均由电脑控制，实现自动化综合管理，使用户感到舒适、方便、安全， 引起世人的关注。“城市广场”是公认的馘界上第一座智能建筑。 以后随着美国、日本等许多国家为代表的业主纷纷投资智能建筑的建设，其 中日本是在智能建筑领域进行全面的综合研究并提出有关理论并进行实践的最 具发言权的国家之一，自1 9 8 4 年日本第一次引进智能建筑的概念起的十年间内， 相继建成了墅村证券大厦、安田大厦、标志大厦、n e c 总公司大楼、东京市政府 大楼及“东京国际展示场”等。此外，在法国、瑞典、英国等欧洲国家和亚洲的 香港、新加坡、马来西亚等地的智能建筑也方兴末艾。 在我国智能建筑的起步较晚，直到2 0 世纪8 0 年代末才有较大的发展，近几 年在北京、上海、广州等大城市，相继建成了数幢具有相当水平的智能建筑，如 北京的京广中心、上海花园饭店、上海商城以及金茂大厦、森茂大厦等。 随着全球社会信息化和经济国际化的深入发展，智能建筑已成为当今跨世纪 建筑的开发热点。一座面向二十一世纪的智能建筑已成为各国综合经济国力的具 体表征和综合竞争实力的形象标志。 第二二章智能建筑的发展与分析 2 2 智能建筑的组成、技术基础及系统集成 2 2 1 智能建筑的定义 什么足智能建筑，目前国际上仍没有统一的定义，其主要的原因是由于智能 建筑的含义是随着科技的发展而不断完善的，比较权威的解释由美国智能建筑协 会( a i b i ) 绘智能建筑定义为：“将建筑的结构、系统、服务和管理四项基本要 求以他们之间的内在联系进行最优化，来提供一个投资合理、具有高效、舒适、 便利的环境的建筑物”。 智能建筑理论是行为科学、信息科学、环境科学、社会工程科学、系统工程 学、人类工程学等多边跨学科理论，是一种人、信息与环境三者相结合的系统， 其直接利用的技术是建筑技术、计算机技术、通信技术、自动化技术等交叉技术。 因此，智能建筑不是个有着固定模式、固定内容、固定方式的建筑物，智能建 筑是一个发展中的概念，随着科学技术的进步和人类生存对其功能需求的不断变 化更新、充实其内容和形式。 2 22 智能建筑的类型 智能建筑的使用功能虽然各异，但是归纳起来有以下几种类型： 1 专用办公楼类 这类建筑包括：政府机关办公楼；跨国大公司、企业；金融楼( 银行、证券、 期货、保险等) ；商业楼；科教办公楼( 研究院所、学校、医院等) 。 出租办公楼类 由房地产商投资兴建，然后出租、出售。楼内公共设旋一次建成，出租、出 售的房问，由使用者根据自己的需求进行二次装修。 2 综合型建筑类 这是集办公、金融、商业、娱乐、生活于一体的多功能的建筑( 群) 。 3 住宅 以生活起居为目的的多层、高层建筑。 2 2 3 智能建筑的构成 智能建筑足在建筑这个平台上，由三大子系统所构成的。智能平台就是建筑 物( 包括环境) 的本身，如果没有这个平台，就无从谈起建筑的智能化。所谓三 第二章智能建筑的发展与分析 大系统，就是指楼宇自动化系统( b a ) 、通信自动化系统( c a ) 、办公自动化系统 ( o a ) ，他们一起构成了整个智能建筑。 1 楼宇自动化系统( b a ) b a 系统是采用计算机及其网络技术、自动控制技术和通信技术组成的高度 自动化的综合管理系统，它确保建筑内舒适安全的办公环境，i n m l 实现高效、节 能要求。 b a 系统从功能上可以分为三种： ( i ) 物业管理 可提供设备运行管理和楼宇经营管理，包括大楼内各种空间服务设施的预 约、使用分配、调度及费用管理。 ( 2 ) 节能控制 包括空调、供配电、照明、给排水等系统的控制管理。 ( 3 ) 安全防范 包括消防报警系统、防盗保安系统、出入管理系统等。 2 通信自动化系统( c a ) 通信自动化系统包括以用户程控交换机( p b x ) 为核心，以多功能电话、传 真、各类终端为主要设备的电话网，以及建筑物内连接各种数掘处理设备的局域 网( l a n ) 等，构成乐智能建筑的“中枢神经”。通信自动化系统既要保证楼内语 音、数据、图像的传输，又要与楼外通信网( 如公共电话网、分组交换网、数字 数据网、f n t e r n e t 等) 相连，以便互通信息，共享资源。 3 办公自动化系统( o a ) 办公自动化系统出共用信息处理系统和用户专用信息处理系统组成，提供先 进的信息处理功能，具有决策支持体系。公用信息处理系统包括：公用数据库， 主计算机系统( 如计算中心和信息中心的计算机系统) 及会 义电视系统等。用户 专用信息处理系统，例如分布式办公信息管理系统等。不同用户一般拥有自己专 用的系统。 2 2 4 智能建筑的技术基础 智能建筑的发展，是建筑技术与信息技术相结合的产物，是随着科学技术的 进步而逐渐发展和充实的，现代建筑技术( a r c h i t e c t u r et e c h n o l o g y ) 、现代计 算机技术( c o m p u t e rt e c h n o l o g y ) 、现代控制技术( c o n t r o lt e c h n o l o g y ) 、现 代通信技术( c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ) 、现代图形显示技术( c r tt e c h n o l o g y ) 、 a + 4 c 技术是智能建筑发展的技术基础。下面主要介绍4 c 技术： 第二章智能建筑的发展与分析 ( 1 ) 现代计算机技术 当代先进的计算机技术应首推并行的分布式计算机网络技术。该技术采用统 一的分布式操作系统，把多个数据处理系统的通用部件有机地组成为一个具有整 体功能地系统，各种软硬件资源管理没有明显地主从管理关系。分布式计算机系 统强调的是分布式计算和并行处理，不但做到整个网络系统硬件和软件资源的共 享，同时也做到任务和负载的共享。这种系统对于多机合作系统重构、冗余和容 错能力都有很大的改善和提高，因而系统具有更快的响应，更大的输入输出能 力和更高的可靠性，同时由于硬件、软件资源共享，系统的造价也较为经济。分 布式计算机网络技术是计算机多机系统联机的一种新形式，是计算机网络技术发 展的高级阶段。 ( 2 ) 现代控制技术 现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是继基地式气动仪表 控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统，是电子、 仪器仪表、计算机技术和网络技术的发展成果。现场总线技术将专用微机处理器 置入传统的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把他们连接成可以 相互沟通信息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统，在现场设备之间、现 场设备与控制室设备之间，实现全数字化、双向、多变量数字通信，一改过去长 时间运行的4 2 0 m a 的模拟信号标准。现场总线控制系统的出现，标志着控制领 域又一新时代的开始，并对该领域的发展产生重要的影响。 ( 3 ) 现代通信技术 现代通信技术主要体现在具备综合业务数字网宽带综合业务数字网 ( i s d n b i s d n ) 等功能的通信网络，它能在一个通信网上同时实现语音、数据、 图像信号的传播。 a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 已获得世界上主要计算机、网络与通信 设备制造商的广泛支持，是种具有广阔前景的新型网络技术，其技术特点是： 采用交换方式为无限的用户提供专用的高速节点，各个节点并行工作，使得a t m 交换机同时支持多路传送，从而消除了共享介质( s h a r em e d i a ) 网络中通常遇 到的带宽限制和数据瓶颈问题。a t m 采用所谓的信元交换( c e l1s w i t c h ) 技术， 把信息帧拆成长度较短的信元( c e l l ) ，来提高网络的传输速率。a i m 交换机的 带宽已从其它网络的m 级( 每秒百万位) 提高到g 级( 每秒十亿位) ，因此a t m 具有高速、大容量、高性能价格比的优势。a t m 网络不但可以支持传统的文字和 数据传输，还特别适合传输视频、音频等多媒体信号。 ( 4 ) 现代图形显示技术 现代图形显示技术主要体现在计算机操作和信息显示的图形化，即窗口技术与 第二章智能建筑的发展与分析 多媒体技术的完善结合，通过窗口技术，可以实现简单方便的屏幕操作，完成对 开关量或模拟量的控制。对于信息的状态和参数的变化，甚至信息所处的地理位 置，也都可以通过动态图形和图形符号来加以显示，达到对信息的采集和监视的 目的。 目前已存在的计算机技术、通信与网络技术以及多媒体技术的基础上又发展了 所谓的“虚拟现实技术”( v i r t u a lr e a l i t y ) ( 简称为v r ) 。通过“v r ”系统， 我们可以“进入”计算机控制的虚拟世界，通过视觉、听觉、触觉三维的与该世 界沟通，实现操作与控制。 2 2 5 智能建筑的系统集成 所谓系统集成，通俗的讲就是通过结构化的综合布线系统及汁算机网络技术 把构成智能建筑的各个主要子系统b a 、o a 、c a 等，从各个分离的设备、功能 和信息等集成为一个相互关联的、统一和协调的系统，使资源达到充分的共享， 管理实现集中高效、便利。系统集成的本质是资源共享，是信息集成，也是管理 的需要。简单的把系统集成理解为把b a 、o a 、c a 组合所谓的一体化系统，是 片面的。 系统集成应使各类设备、子系统及系统平台达到完整统一，支持智能建筑中 功能和环境的各个方面，并且在功能上齐全，在用户界面上一致。系统集成的关 键在于解决系统之间的互连性和互操作性问题，这是一个多厂商，多协议的和面 向各种应用的体系结构，这需要解决各类设备、予系统之间的接口、协议、系 统平台等各类面向集成的问题。 系统集成有其特殊的操作难度： ( 1 ) 行业管理规定的限制； ( 2 ) 各厂商之间对数据格式的保密，互不兼容： ( 3 ) 投资较大。 所以系统集成应遵循统一规划，分期实施的原则。统一规划就是各子系统的 信息接口、协议等必须统一预留，分集成创造条件。分期实施就是待各予系统运 行正常以后，一旦条件成熟再搞系统集成。 第三章天然采光影响因素分析 第三章天然采光影响因素分析 3 1 基本光度单位 3 1 1 光通量 由于人眼对不同波等长电磁波具有不同的灵敏度，我们就不能直接用光源的 辐射功率或辐射通量来衡量光能量，必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位 光通量来衡量。光通量常用符号中来表示，单位为流明( 1 m ) 。 由式( 3 1 ) 计算： m o ) = p 以沙0 l 瓯 ( 3 - 1 ) 式中， 中( 兄) 波长为x 的光通量，流明( 1 m ) ； 尸以) 波长为 的辐射通量( 辐射源在单位时间内发射的能量) ，w ： 矿兄) 波长为九的光谱光效率； k 。最大光谱光效率，对明视觉来说，在x = 5 5 5 n m 处，其值为 6 8 3 l 州w 。如为多色光，其光通量为各单色光的总和，即 。执) = 西“) + m ( 五：) + = k 。p 以沙以) 】 ( 3 - 2 ) 3 1 2 发光强度 以上谈到的光通量是说明某一光源向四周空间发射出的光能量。不同光源发 出的光通量在空间的分布是不同的。例如悬吊在桌面上空的一盏1 0 0 w 白炽灯， 它发出1 2 5 0 1 m 光通量。但用不用灯罩，投射到桌面的光线就不一样。加了灯罩 后，灯罩将往上的光向下反射，使向下的光通量增加，因此我们就感到桌面上亮 一些。这例子说明只知道光源发出的光通量还不够，还需要了解表征它在空间中 的分布状况的单位，就是光通量的空间密度，称为发光强度，常用符号i 来表示。 若光源在某方向的微小立体角d q 内发出的光通量为( f m 时，则该方向上的发 光强度如下式： 。慕( 3 - 3 ) a 1 z 其中，发光强度的单位为坎德拉( 简称“坎”，常用符号为c d ) ，它表示在 一球面度立体角内均匀发射出l l m 的光通量。l c d = l l m l s r 。 第三章大然采光影响因素分析 3 1 3 照度 对于被照面而言，常用落在单位面积上的光通量多少的数值来衡量它被照射 的程度，这就是常用的照度( 常用符号e ) ，它表示被照明上的光通量密度，设 被照面无限小面积谢上接受的光通量为郴，则该点的照度e 为： 互：堡(3-4) = 一 洲 当光通量。均匀分布在被照表明a 上时，则此被照面的照度为 e ：!( 3 - 5 1 彳 、 照度的常用单位为勒克斯( 简称“勒”，常用符号为i x ) ，它等于1 流明的光通 量均匀分布在l 平方米的被照面上。 1 k ：罂( 3 - 6 ) l 厅l 3 1 4 亮度 一个发光( 或反光) 物体，在眼睛的视网膜上成像，视觉感觉和视网膜上的 物像的照度成正比，物像的照度愈大，我们觉得被看的发光( 或反光物体) 愈亮。 视网膜上物像的照度是由物像的面积( 它与发光物体的面积有关) 和落在这面积 上的光通量( 它与发光体朝视网膜上物像方向的发光强度有关) 所决定。它表明： 视网膜上物像的照度是和发光体在视线方向的投影面积a c o s o t 成反比。与发光 体朝视线方向的发光强度l 成正比。我们把这一概念称为亮度，表示如下： l 。= 。a c o s 口 ( 3 _ 7 ) 因此亮度可定义为：发光体在视线方向上单位面积发出的发光强度。 3 1 5 均匀度 均匀度决不是良好室内照明的唯一先决条件。亮度分布的均匀度也是很重要 的。如果把具有不同亮度的两个表面置于视场中，眼睛缩小瞳孔去适应较亮的表 面，对较暗的表面产生的亮度印象就会变得更小。 均匀度主要取决于一下几个方面： 1 ) 房阊、窗和全部遮挡物的尺寸； 2 ) 室内表面、遮挡物和室内家具表面的反射率以及窗玻璃类型。 照度均匀度用室内参考水平面上测得的最低照度与平均照度之比表示。 3 2 天空模型研究 第三章大然采光影响因素分析 由于地球与太阳相距很远，故可认为太阳光是平行地射到地球上。太阳光穿 过大气层时，一部分透过它达到地面，称为太阳直射光，它形成的照度高，并具 有一定方向，在被照射物体背后出现明显的阴影。太阳光的另一部分碰到大气层 中的空气分子、灰尘、水蒸汽等微粒，产生多次反射，形成天空扩散光，使天空 称为具有一定亮度的扩散光源。它在地面形成的照度较低，没有一定方向，不能 形成阴影。全云天时只有天空扩散光。晴天，室外天然光由太阳直射光和天空扩 散光两部分组成。这两部分光的比例随天空中的云量和它们是否将太阳遮住而 变。太阳直射光在总照度中的比例随云量的增加而减少，由无云天时的9 0 左右 到全云天时的零。天空扩散光则相反，在总照度中所占比例由无云天时的1 0 左 右到全云天时的1 0 0 。随着两种光线所占比例的不同，地面上阴影的明显程度 也改变，总照度值也不一样。 3 21 简介 在天然采光设计时，一个合适的标准天空亮度分布模型是非常有必要的。早 在1 9 4 2 年，m o o n 和s p e n c e r 在对前面工作总结分析的基础上提出了一个阴天 天空亮度分布模型。后来，这个阴天天空模型进行了一些简化，被用作c i e 标 准阴天天空模型( c ms t a n d a r do v e r c a s ts k y ) 。k i t t l e r 在1 9 6 7 年提出了一个晴天 天空亮度分布模型，这个模型被用作c i e 标准晴天天空模型( c 1 es t a n d a r d c l e a r s k y l ，c i e 标准晴天天空和完全放晴的天空非常接近。虽然c i e 给定的各 种天空模型都是相对于天顶亮度的比值，但c i e 并没有给出晴天天空和阴天天 空的推荐天顶亮度，文献中给出了晴天、阴天天项亮度的推荐值。 c i e 标准天空模型都是极端天空情况，晴天或阴天，而实际情况中出现这 两种极端天空的几率较小，大部分情况下，天空状态是介于晴天和阴天之间。1 9 8 5 年，n a k a m u r a 提出了中问天空模型( i n t e r m e d i a t es k y m o d e l ) ，并同时给出了中 间天空模型天顶亮度的方程。中问天空是两种c i e 标准天空之外的平均天空模 型。l i t t l e f a i r 在w e g n e r 测试数据的基础上，提出了每个太阳高度的亮度分布模 型，叫做b i l e 平均天空模型( b e e a v e r a g es k y ) 。k i t t l e r 假设天空状态从晴天向 阴天是均匀转变的，并提出了一种均匀天空模型( h o m o g e n e o u ss k y m o d e l ) ，这种 模型可以计算天空亮度分布的亮度绝对值。 p e r r a u d e a u 把天空分为五类：阴天天空( o v e r c a s ts k y ) 、中间阴天天空 ( i n t e r m e d i a t eo v e r c a s ts k y ) 、中间天空( i n t e r m e d i a t es k y ) 、中间晴天天空 ( i n t e r m e d i a t ec l e a rs k y ) 和晴天天空( c l e a rs k y ) 。并且对每一种类型的天空， 都给出了天空亮度分布的计算方程式。p e r e z 提出了一种全天气模型( a l l w e a t h e r m o d e l ) ，这个模型的方程是天空透明度和亮度的函数，它把所有天空分为八个 第三章天然采光影响冈素分析 类型，该模型的散射辐射亮度与c i e 标准晴天天空有点差别，其它都很接近。 最近，k i t t l e r 等人又提出了一种新的天空亮度分布模型，把天空分为1 5 种类型。 研究天空亮度分布的数学模型很多，但是所有的这些模型都不能很好地解释 从晴天到阴天连续变化的天空状态。 3 2 2 天空模型 在研究天空模型的时候，人们假定天空是一个半球形的天空圆顶。图3 1 是 天空圆顶中一点p 的示意图。对于不同的天空模型，该点的亮度值也不相同。 s 图3 - 1 天空圆顶中一点p 的示意图 3 2 ，2 1 等方性模型( is o t r o p i cm o d e i ) 最初，在天然采光设计时，设计人员假设晴天天空圆顶中每一点的亮度是恒 定且相等的，尽管这种等方性天空状态从来没有出现过。由假设可知： 。 ，) = c o r t s i ( 3 - 8 ) 式中， 。( 曰，y ) p 点的亮度，c d m 2 ； 臼天顶角，即p 点和天顶相对于半球形天空中心的角度，r a d ； y 方位角，r a d 。 对于南向的表面，该模型计算出的逐时散射照度比实际值小，对于其他朝向 的表面，计算值比实际值大。 3 2 2 2p e r e z 模型 为了更好的描述天空特性，原先的p e r e z 模型已经修改过好多次，人们简 第三章天然采光影响因素分析 化了天空的各向异性区域，精简了天空特性参数。这里我们说的p e r e z 模型， 认为所有的地平线上的天空辐射都来自0 。仰角处无限小区域( 线性地平线) ， 所有太阳周边区域的天空辐射来自顶角为5 0 。的圆锥内部，半球形天空的其余 部分都看成一个等方性的区域。 模型的照度方程为： e 女= e m ( 1 一鼻) ( 】+ c o s z ) 2 + e ( a b ) + es i n z 】 ( 3 - 9 ) 式中， e 倾斜面的散射照度，( 1 u x ) ； e 水平面的散射照度，( 1 u x ) ； z 表面倾斜角，( 。) ； f ，e 太阳周边区域和地平线上的亮度系数，该系数是天空状态的函 数； 口，b - 赢度计算常数，见文献。 32 2 3c i e 晴天天空模型 k i t t l e r 提出的晴天天空亮度分布方程被国际照明委员会 ( i n t e m a t i o n a l c o m m i s s i o no ni l l u m i n a t i o n ) 用作c 1 e 晴天天空模型。该模型的 数学表达式为： 三： 山2 ( 3 1 0 ) 式中， 。p 点的亮度，c d m2 ： 上天顶亮度，c d m 2 ： y p 点方位角，r a d ； j p 点与太阳相对于天空中心的央角，r a d i 0 。太阳天顶角，r a d ； g ) = 1 一e x p 卜6 ls e c x ) ； 厂o ) = a i 十a 2e x p ( 一6 2 工) + a 3c o s 2x 。 3 22 4 阴天天空模型 c i e 、m t m e e r 和a n g u s 、p e r e z 、h a r r i s o n 、p e r r a u d e a u 和l i t t l e f a i r 都提出过 阴天天空模型。一般来说，这些模型可以分为两大类，即朝向非依赖性模型 ( o r i e n t a t i o ni n d e p e n d e n tm o d e l ) 和朝向依赖性模型( o r i e n t a t i o nd e p e n d e n t m o d e l ) 。 ( 1 ) 朝向非依赖性模型 对于这类模型，阴天天空的亮度分布方程一般为： 第三章天然采光影响因素分析 式中 三：天顶亮度，c d m 2 铲t 竿竽 ( 3 1 1 1 厶仰角为0 的天空亮度，c d m2 。 对于阴天天空，m o o n 和s p e n c e r 推荐的b 值为2 ，1 9 5 5 年c i e 把它定 为阴天天空亮度分布模型的标准系数值。这样，方程就变为： l 目= z z 【l + 2 s i n o ) 3 ( 3 - 1 2 ) 根据英国g a r s t o n 市的b r e ( b u i l d i n gr e s e a r c he s t a b l i s h m e n t ) 天然光监测 站提供的数据，m u n e e r 和a n g u s g 阴天天空提出了不同的b 值。对于遮阳窗b 一1 3 2 ，朝阳窗b = 0 。与c i