基于数据驱动的无功控制与空间日光预测技术的动态太阳能光伏集成遮阳设计的实时优化

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Real-time optimization of a dynamic solar PV integrated shading design with data-driven reactive control and spatial daylighting prediction

　　

中国广东省深圳市清华大学深圳国际研究生院未来人居研究所

摘要

本研究提出了一种高自由度的光伏遮阳装置（PVSD），该装置通过垂直移动和单轴旋转的组合运动，可实现255种不同的配置。基于计算模拟训练的机器学习模型在空间日光指标上的性能评估中，R2值为0.984，RMSE值为0.039，显著降低了计算时间。这使得实时反应式最优控制成为可能，通过粒子群优化技术实现了室内照度、光污染防护、视觉连通性和光伏发电的平衡。在深圳的一个办公室进行的性能测试显示：空间有效日光照度提高了23%至79%；光污染概率降至0.95，几乎实现了完全防护；净能耗减少了52%；年发电量达到了850千瓦时。这种综合优化策略在保持最大光伏发电量的同时，还提供了优质的日光环境。这些结果表明，具有智能数据驱动控制的高自由度PVSD能够将建筑立面转变为适应性能源生成系统，为实现净零能耗建筑提供了实用途径。

引言

建筑约占全球能耗的30%和二氧化碳排放量的28%[1]，因此提高建筑能效对于实现碳中和目标至关重要。随着城市化进程的加快和全球人口向城市集中，除非采取诸如建筑节能改造等重大措施[2]，否则建筑能源需求将成为未来的一大难题。这种不断上升的能源消耗，加上迫切需要缓解气候变化和城市气候挑战，使得建筑能效成为可持续发展战略的核心。

建筑围护结构，尤其是玻璃表面，在能源性能中起着关键作用。虽然窗户提供了自然日光和心理上的便利，但它们也占据了传统建筑总能耗的一半以上[3]。气候变化可能进一步加剧建筑围护结构设计的复杂性。全球气温上升、极端天气事件频率增加以及季节模式的变化，要求设计出能够适应多变和不可预测的环境条件的适应性解决方案[4]。在这种背景下，开发出了能够根据环境变化和使用需求调整自身特性的自适应建筑围护结构[5]。

建筑中的遮阳装置可以通过控制直射光来改善室内视觉舒适度。适当的室内照度、光污染控制和视野与视觉满意度[6]、舒适度[7]、心理健康[8]以及工作满意度[9]密切相关。同时，窗户负责建筑内超过40%的热量吸收或散失，其中大约82%的太阳辐射透过透明玻璃传递进来[10]。因此，遮阳装置在建筑能效中起着至关重要的作用[11,12]。传统的固定遮阳方式会在热舒适度和视觉舒适度之间产生权衡：遮阳不足会导致光污染和冷却负荷增加，而过度遮阳则会增加人工照明的需求。这一挑战推动了能够动态响应环境条件的自适应遮阳系统的发展[13]。光伏遮阳装置（PVSD）结合了遮阳和发电功能[14]，通过将光伏模块集成到遮阳系统中，可以在发电的同时减少冷却需求，从而提高建筑的能源自给自足能力[14]。这种双重功能既减少了能源需求，又实现了现场可再生能源的生成，有望实现净零能耗。

然而，PVSD的集成引入了优化难题。最大化发电量往往与最佳日光条件相冲突，因为光伏面板在垂直于太阳辐射时性能最佳，但这可能无法提供理想的室内环境。太阳几何形状的动态特性需要复杂的控制策略来实时平衡多个目标。智能建筑技术和机器学习的最新进展为PVSD的控制提供了新的机会[15]。数据驱动的模型可以根据环境条件和使用模式预测最佳配置，从而实现主动而非被动的控制策略[16]。尽管如此，在计算复杂性、预测准确性和多目标集成方面仍存在挑战。

本研究通过提出一种基于机器学习的高自由度PVSD系统及其反应式最优控制方法，解决了这些挑战。该系统通过垂直定位和角度旋转实现了精确调节，在平衡日光质量、光污染控制、视觉连通性和光伏发电方面提供了前所未有的灵活性。数据驱动的预测模型与多目标优化的结合，代表了自适应建筑围护结构技术的重要进展。

部分摘录

文献综述

近期研究表明了各种PVSD设计的可行性，包括固定式、可调式和自适应式类型。这些装置能够有效平衡室内照明质量和遮阳效率[17]。然而，PVSD的性能在很大程度上取决于其几何形状、控制逻辑以及对环境变化的适应性[18]。

高自由度PVSD系统的设计

本研究提出了一种PVSD，如图1a所示，它是传统威尼斯百叶窗遮阳形式的改进版本；图1b展示了所提出的PVSD系统的运动和调节可能性。该系统通过上下折叠和单轴旋转的受限运动实现高自由度的遮阳控制，从而在光照舒适度和能源消耗指标之间取得平衡，并能够在不同需求之间切换

为了验证，实施了三种基准控制策略。基于规则的控制（RBC）根据太阳强度和海拔高度使用固定的DNI阈值来设置百叶窗配置；基于传感器的控制（SBC）利用房间中心的照度传感器进行反应式反馈来调整百叶窗角度；优化调度控制（OSC）则使用典型气象年度每小时的预计算最佳配置，但不根据实际天气情况进行调整

讨论

本研究提出了一种将数据驱动的反应式控制与高自由度光伏遮阳装置相结合的综合性框架，在平衡建筑多个目标方面取得了前所未有的性能。结果显示：净能耗减少了52%，有效日光照度（sUDI）从0.23提高到0.79，几乎完全消除了光污染（sDGP=0.95），年发电量达到850千瓦时。这些成果验证了足够的几何设计

结论

本研究成功开发并验证了一种通过高自由度光伏遮阳装置和智能数据驱动控制进行建筑围护结构设计的创新方法。所提出的系统通过结合机械创新和255种可行配置（在排除碰撞后允许±0.14米的移动和0-90°的旋转），以及先进的建模技术（随机森林模型的R2值为0.984，训练时间为8毫秒），克服了现有PVSD技术的关键限制

数据和代码的获取

由于专利保护（中国专利申请号202510500196.9）的原因，本研究期间生成的数据集和源代码尚未公开。如有需要，可以联系相应作者获取数据和代码。

未引用的参考文献

[80]

CRediT作者贡献声明

Hao Zhang：撰写——初稿、可视化、验证、软件开发、调查。Zheng Wang：撰写——审稿与编辑、验证、项目管理、方法学研究、数据分析。Bicui Ye：撰写——审稿与编辑、监督、方法学研究、数据分析。Yuekuan Zhou：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、方法学研究。Xue Liu：验证、资源协调、项目管理、资金筹集。Yi Zhang：监督、方法学研究、数据分析、数据管理。