一种遮蔽装置

技术领域

本发明涉及一种遮蔽装置。本发明还涉及一种本发明相关权利要求所述的外立面和方法。

背景技术

在众多的能源消耗领域中，建筑业占能源总消耗量相当大的一部分。尽管照明具有很高的节电潜力，但在商业建筑中，照明是能源主要的消费者之一，占能源需求的15％-35％。作为免费提供的资源，如果没有巧妙地利用日光，则可能与节能目标相违背。在炎热的季节，太阳光过多的渗透会导致大量的太阳热能被吸收，从而导致建筑物的制冷负荷大幅上升。虽然遮蔽系统提供了一种调节阳光流入的措施，但日光的利用主要取决于居住者的行为。一旦视觉舒适度因阳光的穿透而受到眩光干扰，居住者会采取比如关闭遮蔽系统等措施来避免眩光干扰，即使眩光干扰已经过去，居住者往往也不愿意重新打开遮蔽系统，从而阻挡了采光。

目前现有的自动百叶窗可以概括为以下几种：对于一个分散的系统(如一个办公室)来说，到目前为止，大多数现有的自动百叶窗都是基于对室内水平或垂直工作面照度的测量。基于反馈回路，调节百叶窗的位置或倾斜角度，以使被监控桌子上的照度达到某个阈值。然而，闭环系统的振荡仍然是一个问题，并且难以确定室内传感器的最佳布置位置。此外，由于安装室内传感器涉及接线工作甚至是翻新工作，因此这种不便可能是用户接受自动百叶窗的另一个障碍因素。对于集中式系统(例如大型办公楼)，百叶窗组的控制通常是系统设计的，并且太阳的位置是通过安装在屋顶上的光度计或日光计来测量的，进而作为中央计算机进行评估和分析的输入。结合每个单独房间中的温度和照度感觉，自动百叶窗在人工照明中的表现令人满意，然而，要考虑到每个房间的特殊位置来评估居住者的眩光风险，并不容易。

日光作为一种免费的照明资源，不仅在照明采暖和制冷方面具有巨大的节能潜力，而且有助于提高居住者的工作效率和健康水平。如何在优化日照利用率的同时，保证居住者的视觉舒适度，是众多遮蔽控制器面临的挑战。传统的遮蔽系统控制器采用天花板传感器或天花板摄像头，其感应面积有限。这种传统的遮蔽控制系统通常很难找到最佳的遮蔽位置，或者至少要付出相当大的努力才能做到。此外，这种传统的遮蔽控制系统通常由建筑物内部的众多设备组成，这些设备需要进行安装和相互连接，因此安装难度相当大。再者，在办公楼等建筑物内使用摄像头时，可能会涉及隐私等问题。

发明内容

本发明的目的是解决或至少减少上述缺点。问题的解决方案：遮蔽装置被配置为集成到建筑物的外立面中的遮蔽装置，其特征在于，所述遮蔽装置包括用于建立建筑物的外景图像的成像系统。在此上下文中，“外景”的表述是这样理解的，它通常地包括天空部分和景观部分，其中天空部分往往包括例如太阳和/或云和/或至少部分阴天和/或至少部分晴天，其中景观部分往往包括例如其他建筑物和/或其部分和/或地标和/或树木和/或任何其他类型的物体。当遮蔽装置安装在外立面上时，成像系统因此通常地是在安装有遮蔽装置的外立面上观察建筑物的外部，而不是拍摄该建筑物内部的图像。如此，成像系统可以实时获取有关照明条件的信息，并且基于这些信息可以产生控制遮蔽系统的自动控制策略。因此，不需要在建筑物的内部进行测量。该遮蔽装置通常具有前侧和后侧，其中，后侧被配置为连接到外立面，其中，成像系统集成在前侧中，并在与后侧相反的方向上定向。

在典型的实施例中，成像系统集成在遮蔽装置中。因此，成像系统也可称为集成成像系统或嵌入式光度装置(简称EPD)。这样的EPD具有方便在外立面安装遮蔽系统的优点，因为遮蔽系统可以按原样安装，不需要进一步的改装。另外，也可以在遮蔽系统安装在外立面上后，例如通过螺钉等方式将成像系统单独连接到遮蔽装置上。

在典型的实施例中，成像系统被配置为当遮蔽装置安装在建筑物外立面上时专门为建筑物的外部成像。这样做的好处是，对建筑物内的人员(例如办公室工作人员)不会造成隐私泄露问题。

在典型的实施例中，遮蔽装置包括一个百叶窗，其中,百叶窗由许多板条组成。百叶窗是由板条组成的遮蔽系统，通常由金属，塑料或织物制成。它们可以安装在建筑物内或建筑物外，即建筑物外立面。在百叶窗中，板条通常基本上是水平排列的，并可围绕其纵轴倾斜，而纵轴通常也基本上是水平排列的(也就是说，当百叶窗安装在建筑物外立面时)。通过板条的倾斜，可以实现遮蔽系统附近的房间的或多或少的遮蔽。另外，或者与之结合，遮蔽装置可以包括其他类型的百叶窗，例如垂直百叶窗。

在典型的实施例中，遮蔽装置包括步进电机，所述步进电机优选用于连接围绕各自的纵向轴倾斜的百叶窗的板条，其中步进电机典型地被配置成达到10度或更少的倾斜角分辨率，优选5度或更少，更优选3度或更少。这意味着，步进电机每走一步，板条就倾斜10度或5度或3度，这取决于所选择的倾斜角分辨率。另外，还可以选择较小刻度的倾斜角分辨率，例如15度，或者更细的倾斜角分辨率，例如1度。

在典型的实施例中，遮蔽装置包括减速箱和旋转轴，其中板条与旋转轴机械连接，最好是通过多根弦和/或链条连接，减速箱布置在步进电机的驱动轴和旋转轴之间，将步进电机的每一步的旋转角度减小到旋转轴的较小旋转角度。

在典型的实施例中，成像系统包括镜头和/或光学滤光片和/或图像传感器和/或处理器和/或内部存储器，其中，成像系统优选被配置为用于确定外景的定向亮度分布，其中，成像系统优选被配置为用于模拟安装遮蔽装置后的目标房间内的工作平面照度。和/或所述成像系统优选被配置为用于评估目标房间内的居住者的眩光风险，和/或所述成像系统被配置为用于确定最佳板条位置，该最佳板条位置在工作平面照度和眩光风险和/或外景之间提供了的最佳权衡。在典型的实施例中，该成像系统包括多个处理器。在典型的实施例中，成像系统被配置为使用相邻目标房间和/或建筑物的预定义模型来模拟工作平面照度和/或评估眩光风险，由此成像系统通常被配置为进行用于模拟和/或评估的光线跟踪模拟。术语"目标房间"涉及在其窗户上安装根据本发明的遮蔽装置的房间。

在典型的实施例中，遮蔽装置包括电致变色玻璃。在这种情况下，成像系统和/或遮蔽装置通常被配置为对电致变色玻璃施加电压，以控制电致变色玻璃的不透明度和/或透射率，从而提供工作面照度和眩光风险之间的最佳权衡。在典型的实施例中，遮蔽装置包括至少一个百叶窗和/或至少一个电致变色玻璃和/或至少一个织物卷帘，其中百叶窗和/或电致变色玻璃优选共享同一成像系统。另外，每个百叶窗和/或每个电致变色玻璃可以包含其自身的成像系统和/或某组百叶窗和/或电致变色玻璃和/或遮蔽系统可以使用某组成像系统。

本发明所述的外立面包括本发明所述的遮蔽装置。在典型的实施例中，该外立面是建筑物外立面。在典型的实施例中，该外立面包括多个遮蔽装置。在典型的实施例中，外立面包括一个或多个百叶窗和/或一个或多个电致变色玻璃和/或一个或多个成像系统和/或一个或多个处理器。在典型的实施例中，外立面和/或遮蔽装置被配置为物联网链接。在典型的实施例中，遮蔽装置安装在车辆上(在这种情况下，术语"外立面"并不是指建筑外立面，而是指车辆的车身外壳)。

一种用于照明控制的方法，优选地用于控制建筑物的照明系统的方法，使用本发明所述的遮蔽装置，其中，该方法包括外景计算阶段和/或照度计算阶段和/或眩光评估阶段，和/或遮蔽确定阶段，和/或遮蔽系统调整阶段，其中优选地通过无限循环来周期性地重复不同的阶段。

本发明相对于现有技术优势在于：

一体化设计：将所有的部件都集成在遮蔽装置本身，不需要外置组件，从而安装方便，并且，房间美观或居住者的隐私也不会有影响。

工作面照度调节：可将工作面照度动态控制在500-2000勒克斯的范围内，从而保持最低的工作要求，避免过度照度(这将需要更高的冷却负荷)。

环境防眩光：动态控制遮蔽度(如遮蔽装置的板条角度或不透明度)，以避免来自太阳或周围建筑物或车辆的镜面反射的干扰眩光。

保持日光眩光概率(DGP)<0.35。

静音微调(倾斜角度)：步进电机能够调整百叶窗板条的倾斜角度，例如，分辨率为5度，噪音水平低于40分贝。

节省传感器的成本：通常一个房间空间只需要一个图像传感器(朝外)。

节约能源：人工照明、供热和制冷负荷的节能。

不受地理位置或时间的影响：相对坐标系使控制器能够感知太阳云和周围物体的相对位置。

快速响应：在6到9分钟内响应，进行遮光控制，可能进行天空状况预测。

兼容物联网：便于扩展连接物联网(IOT)。

本发明的遮蔽系统能够自动化调整遮蔽位置或状态，以达到建筑物中的最佳日光供应，并避免对居住者产生眩光，以满足其视觉舒适度。由于没有采用外部组件，高度集成的自动遮蔽系统很容易安装在建筑物中，特别是在建筑物外立面。由于成像系统面向室外而不是面向住户，因此避免了对住户隐私的干扰。此外，对于配备大面积玻璃的开放式办公室，只需一个这样的系统便能够独立评估多个住户的采光情况和眩光情况，而无需使用任何室内传感器。

遮蔽装置采用一体化设计，遮蔽装置本身内部设有成像系统、处理器和执行器。本发明可以根据监测到的外界条件，模拟目标房间空间的全局条件，然后通过优化遮蔽位置或状态，达到住户视觉舒适度。从设备的安装和使用情况来看，这种一体化的设计可望带来较高的用户接受度。

附图说明

图1：本发明所述遮蔽装置的一个实施例的示意图(百叶窗实施例)；

图2：用于图1的遮蔽装置的执行器系统的示意图；

图3：根据本发明所述遮蔽装置的另一实施例的示意图(电致变色玻璃实施例)；

图4：本发明所述用于照明控制的方法的流程图。

附图标记为：

1遮光罩；

2板条；

3 成像系统；

4 镜头；

5 旋转轴；

6 步进电机；

7 减速箱；

D1,D2遮蔽装置；

E电致变色玻璃；

S1...S16照明控制方法的步骤；

V百叶窗。

具体实施方式

下面借助附图详细描述本发明，其中：

图1示出了本发明所述遮蔽装置的一个实施例的遮阳装置D.1的示意图。在图1所示的实施例中，遮蔽装置D.1包括百叶窗V。在图1所示的情况下，甚至可以说遮蔽装置D.1由百叶窗V形成。百叶窗V包括遮光罩1，多个板条2(为简单起见仅用附图标记两个)，包括镜头4的成像系统3，和旋转轴5。

遮光罩1容纳旋转轴5，并且还被配置为容纳板条2。板条2通过弦或链连接到旋转轴5上，为了简单起见，图1中没有显示。通过旋转旋转轴5，板条2可以完全缩进遮光罩1内,(这被称为遮蔽装置的完全打开位置)，也可以降低(如图1所示)。当板条2降低并进行旋转轴5的进一步旋转时，板条2同时围绕各自的纵向轴线(图1中未示出)进行旋转运动，这些纵向轴线与旋转轴5平行。成像系统3集成在遮光罩1中，并朝向要将遮蔽装置D.1安装到其上的建筑物的外部(图1中未示出)，即远离外立面(未示出)。像这样，成像系统3(在图1中还可以看到其中的镜头4)可以拍摄由天空和景观的一部分组成的外部视图的照片，进而可以进行计算以生成亮度图、天空矩阵等，然后可以控制百叶窗V的板条2，优化比如遮蔽装置D.1所连接的房间(图1中未示出)中的照明条件，特别是优化该房间中的工作平面照度和/或眩光风险。为此，成像系统可以利用可能存储在成像系统3的存储器中的房间的计算机模型，并通过内部处理器进行例如射线跟踪计算等的照明模拟。然后，对应于由成像系统3计算的优化照明条件，调整板条2，例如将板条2带入倾斜位置。

图2为图1所示遮蔽装置D.1的执行器系统的示意图。执行器系统包括一个步进电机6和一个减速箱7。减速箱7在步进电机6和旋转轴5之间建立机械联接。在典型的实施例中，步进电机6是直流电机和/或被配置成分步旋转其驱动轴。对于每一步，减速箱减少步进电机6的旋转角度，使得旋转轴5的旋转角度小于步进电机6的驱动轴的旋转角度。

图3示出了根据本发明第二实施例的遮蔽装置D.2的示意图。在图3所示的实施例中，遮蔽装置D.2包括一个电致变色玻璃E。正如在第一实施例中的百叶窗V一样，图3中的遮蔽装置D.2包括一个带有镜头4的集成的成像系统3。遮蔽装置D.2中的成像系统3的工作原理与遮蔽装置D.1中的成像系统3非常相似，只是它不计算板条的最佳倾斜角/旋转角(当然在本实施例中不存在)，而是计算电致变色玻璃E的最佳不透明度和/或透射率，以便在办公室房间中达到所需的照度和眩光程度。因此，在本实施例中，成像系统3不驱动步进电机，而是设置与电致变色玻璃E的一定不透明度和/或透射率相对应的电压，成像系统3布置在遮蔽装置D.2的顶部边缘。这具有这样的优点，即成像系统3不会阻挡通过电致变色玻璃E的视线，在另一个实施例中，成像系统3也可以布置在电致变色玻璃3的底边上。

图4示出了根据发明的照明控制方法的流程图。该方法从起始步骤S1开始。开始步骤S1之后是一系列进一步的步骤，即天空监测步骤S2、天空亮度图生成步骤S3和天空矩阵生成步骤S4。

成像系统或EPD首先开始用光谱校正成像系统采集天空和景观的图像，并将天穹包括太阳、云、天空背景和景观(包括周围的建筑物和植被)的方向性亮度分布(3x10

然后，在由几个子步骤S5、S6组成的照度计算阶段，理想的情况是通过利用基于双向透射函数(BTDF)的相关遮蔽装置的预先量化的透光行为，EPD能够在遮蔽的每个位置或状态下，采用基于光线追踪算法的预先计算的日照矩阵的乘法，计算出定义区域的实时工作面照度。在图4中，这是可视化的情况下，遮蔽装置包括一个百叶窗。工作面的照度是在不同的板条倾斜度下，从百叶窗的最大开启到百叶窗的完全关闭之间计算出来的。即使在图4中这些照度计算是针对百叶窗的，但很明显，类似的照度计算也可以针对电致变色玻璃进行。不同的工作面照度不是针对不同的板条倾角计算的，而是针对不同的不透明度和/或透光率计算的。

处理器将检查任何位置或遮蔽状态是否在500-2000勒克斯工作平面照度(即平均工作平面照度Eav)的约束范围内。这是在照度检查步骤S7中完成的。可以根据居住者的喜好调整约束条件。下限是满足居住者对工作任务的最低要求，包括阅读、书写或绘画。如果在照度计算阶段计算出的照度状态/值都不在约束范围内(也就是说，即使是遮蔽系统的全开状态，例如当百叶窗的板条完全缩入遮光罩内或当电致变色玻璃完全透明时)，这意味着天光太暗，遮蔽装置将在最大开度步骤S8中调整到最大开度，以允许最大限度地穿透日光。上限是为了避免工作平面上的日光过强，超过这个上限会导致过大的冷却负荷和视觉不适。

然后，如果没有采取步骤S8，EPD生成位于遮蔽装置附近的房间内的居住者的视图图像，其中这些居住者从45

在开度计算步骤S14中，处理器将在同时满足工作面照度和眩光风险约束条件的遮蔽位置中优化选择最大的开度。如果没有任何位置或状态满足这两个约束条件，则将采用帕累托优化算法步骤S13，以找到遮蔽的妥协位置。步骤S8、S14和S13共同构成一个遮蔽确定阶段(即使通常只执行其中的一个步骤，因为它们位于替代逻辑路径中)。

最后，在遮蔽系统调整步骤S15中，EPD命令执行器将遮蔽调整到最佳位置或遮蔽状态。这可以通过相应地驱动步进电机(在百叶窗的情况下)或通过设置适当的电压(在电致变色玻璃的情况下)来实现。

该方法以空转步骤S16结束，在此期间，该方法暂停一个预定义的时间间隔，例如15分钟。之后，该方法在起始步骤S1处重新启动。

在一个典型的实施例中，所述方法是通过低成本的工艺，例如芯片系统(SoC)现场可编程门阵列(FPGA)，通常在6～9分钟内完成。如果采用更先进的计算单元，耗时可以缩短到30秒甚至更短。用户可以根据自己的喜好，自由稀释迭代到15分钟或30分钟。对于百叶窗倾斜角度的微调，可以采用步进电机，实现如图2所示的角度运动的高分辨率和静音性，从而不影响居住者。对于电致变色玻璃的自动化，除了评估不同色调玻璃的工作面照度和眩光，而不是不同的板条倾斜角外，程序与百叶窗的实施例类似。

通过本发明可以达到以下优点：

一体化设计：将所有的部件都集成在遮蔽装置本身，不需要外置组件，从而安装方便，并且，房间美观或居住者的隐私也不会有影响。

工作面照度调节：可将工作面照度动态控制在500-2000勒克斯的范围内，从而保持最低的工作要求，避免过度照度(这将需要更高的冷却负荷)。

环境防眩光：动态控制遮蔽度(如遮蔽装置的板条角度或不透明度)，以避免来自太阳或周围建筑物或车辆的镜面反射的干扰眩光。

保持日光眩光概率(DGP)<0.35。

静音微调(倾斜角度)：步进电机能够调整百叶窗板条的倾斜角度，例如，分辨率为5度，噪音水平低于40分贝。

节省传感器的成本：通常一个房间空间只需要一个图像传感器(朝外)。

节约能源：人工照明、供热和制冷负荷的节能。

不受地理位置或时间的影响：相对坐标系使控制器能够感知太阳云和周围物体的相对位置。

快速响应：在6到9分钟内响应，进行遮光控制，可能进行天空状况预测。

兼容物联网：便于扩展连接物联网(IOT)的。

在本发明的典型实施例中，为了解决现有技术的问题，提供了一种自动遮蔽系统，将嵌入式光度装置(简称EPD，也可称为成像和处理系统)集成到遮蔽系统本身，如图1(用于百叶窗)和图3(用于电致变色玻璃)所示。EPD通常由镜头、图像传感器、处理器和用于计算的存储器组成。EPD基本上可以固定在遮光罩的任何位置，可以固定在遮光罩的外壳上，也可以固定在百叶窗的板条上，还可以固定在电致变色玻璃或玻璃的上脊或下脊上，其镜头朝向天空和外界景观。EPD能够测量天空和景观的亮度分布方向。通过预先定义的目标建筑模型和遮蔽装置的量化透光行为，特别是百叶窗或电致变色玻璃，EPD能够模拟工作面的照度，并评估相关位置的居住者的眩光风险。然后，可以计算出遮蔽系统的最佳位置或状态(例如板条的倾斜角度或电致变色玻璃的不透明度)。以这种方式，根据本发明的遮蔽系统能够自动化调整遮蔽位置或状态，以达到建筑物中的最佳日光供应，并避免对居住者产生眩光，以满足其视觉舒适度。由于没有采用外部组件，高度集成的自动遮蔽系统很容易安装在建筑物中，特别是在建筑物外立面。由于成像系统面向室外而不是面向住户，因此避免了对住户隐私的干扰。此外，对于配备大面积玻璃的开放式办公室，只需一个这样的系统便能够独立评估多个住户的采光情况和眩光情况，而无需使用任何室内传感器。

在本发明的典型实施例中，遮蔽装置采用一体化设计，遮蔽装置本身内部设有成像系统、处理器和执行器。本发明可以根据监测到的外界条件，模拟目标房间空间的全局条件，然后通过优化遮蔽位置或状态，达到住户视觉舒适度。从设备的安装和使用情况来看，这种一体化的设计可望带来较高的用户接受度。

本发明不限于这里描述的优选实施例。保护范围由权利要求书界定。

此外，其他权利要求也被纳入说明书中的优选实施例，其中每项权利要求可单独作为一个单独的实施例。虽然每个权利要求可以单独作为一个单独的实施例，但需要注意的是，虽然从属权利要求可以在权利要求中提及与一个或多个其他权利要求的具体组合，但其他实施例也可以包括从属权利要求与每个其他从属或独立权利要求的主题的组合。这里提出这样的组合，除非说明不打算进行特定的组合。此外，它旨在也包括任何其他独立权利要求的权利要求特征，即使该权利要求不是直接从属于该独立权利要求。

还需要注意的是，说明书或权利要求书中所公开的方法可以由具有执行这些方法的各个行为的手段的装置来实现。