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摘要:智能化、可交互的建筑設(shè)計(jì)已經(jīng)成為人們?nèi)找骊P(guān)注的領(lǐng)域。文章希望通過這種方式,解決夏季屋內(nèi)陽光直射導(dǎo)致的熱環(huán)境問題。調(diào)研相關(guān)資料后,文章進(jìn)行了環(huán)境調(diào)研和用戶調(diào)研,各項(xiàng)結(jié)果均表明了人們對(duì)自動(dòng)調(diào)光裝置的普遍需求。由此導(dǎo)出了功能層級(jí)并進(jìn)行造型設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),最后進(jìn)行實(shí)體模型的搭建和程序代碼的編寫與調(diào)試,并進(jìn)行推廣和應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:熱環(huán)境問題;智能化設(shè)計(jì);交互設(shè)計(jì);自動(dòng)調(diào)光裝置
引言
現(xiàn)有建筑中,存在由于初始設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的建筑內(nèi)部熱環(huán)境不均衡現(xiàn)象,其引發(fā)的室內(nèi)光熱環(huán)境不適問題給人們帶來諸多不便。如高側(cè)窗會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的眩光,陽光照進(jìn)屋內(nèi)刺眼影響室內(nèi)正常工作;夏天光線從天窗照進(jìn)卻無法及時(shí)散熱,導(dǎo)致整個(gè)屋子奇熱無比?,F(xiàn)有建筑外部的遮陽方式主要為利用遮光擋板人工調(diào)節(jié)角度遮擋陽光。但這種方式并不能滿足一天中不同時(shí)段由于太陽角度變化而導(dǎo)致的不同遮陽需求。為解決上述問題,本文提出利用機(jī)械傳動(dòng)、智能硬件以及電子通信技術(shù),檢測(cè)光照強(qiáng)度,調(diào)節(jié)陽光進(jìn)入室內(nèi)的量,以實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)節(jié)室內(nèi)亮度,在不影響室內(nèi)正?;顒?dòng)的同時(shí)解決熱環(huán)境問題。
1遮陽形式調(diào)研
建筑遮陽板按其形狀和效果,可分為五類:水平遮陽、垂直遮陽、混合遮陽、擋板遮陽、百葉遮陽[1]。其中,不同的材料呈現(xiàn)不一樣的效果。在遮陽材料的選擇上,對(duì)理想遮陽板材料要求為:遮光隔熱、耐高溫、抗老化、易維修、成本較低廉、容易批量加工適合工業(yè)生產(chǎn)。利用建筑節(jié)能軟件對(duì)無外遮陽建筑和不同材料外遮陽建筑分別建模計(jì)算,得出對(duì)應(yīng)的全年能耗值,以無外遮陽建筑的全年能耗值為參照,對(duì)比分析了不同材料外遮陽的能耗數(shù)據(jù),可得出以下結(jié)論:不同材料的外遮陽節(jié)能效果不同。鋼筋混凝土材料節(jié)能效果最優(yōu),之后依次為金屬、玻璃鋼、織物,而玻璃外遮陽節(jié)能效果最差:不透光材料外遮陽的節(jié)能效果優(yōu)于透光材料[2]。以擋板式遮陽建筑——巴哈爾塔為例:巴哈爾塔是座29層高的雙子塔樓,其建筑外觀由2000個(gè)蜂窩狀的材料構(gòu)成,該材料隨著太陽的移動(dòng)而感應(yīng)開合,有助于降低內(nèi)部約50%的熱量吸收(圖1)。
2環(huán)境數(shù)據(jù)調(diào)研與函數(shù)模型確立
就地進(jìn)行環(huán)境初步調(diào)研后,發(fā)現(xiàn)校園中多地存在室內(nèi)熱環(huán)境現(xiàn)象,對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)造成了一定的影響,綜合不同地點(diǎn)的人流量、室內(nèi)布局等因素,最終選定綜合一號(hào)教學(xué)樓三樓英語角處進(jìn)行具體測(cè)量。使用勝利VC1010D照度計(jì)和DL700便攜式紅外熱像儀進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量,將紅外熱像儀固定在三腳架上,對(duì)英語角中央的木制書桌表面溫度及亮度、環(huán)境溫度及亮度以及光照度進(jìn)行測(cè)量。對(duì)照度計(jì)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,上午陽光較強(qiáng)變化較快,設(shè)置每隔15分鐘記錄一次數(shù)據(jù),從9∶00開始,每次記錄三組數(shù)據(jù);下午陽光變化較慢,設(shè)置每隔30分鐘記錄一次數(shù)據(jù),每次記錄三組數(shù)據(jù),19∶00完成測(cè)量。最后計(jì)算測(cè)得數(shù)據(jù)的平均值。測(cè)量結(jié)果部分摘錄如圖2、圖3。測(cè)量因素1:溫度。資料顯示30℃是人體感覺最佳的環(huán)境溫度;當(dāng)環(huán)境溫度高達(dá)35℃時(shí),個(gè)別年老體弱散熱不良者需要配合局部降溫或啟動(dòng)室內(nèi)空調(diào)以降低自身溫度;環(huán)境溫度達(dá)到36℃時(shí),人體感到溫度過高,會(huì)影響工作效率;對(duì)于人體皮膚接觸的物體,溫度達(dá)到35℃時(shí)會(huì)使人體皮膚產(chǎn)生溫覺,超過45℃會(huì)產(chǎn)生熱甚至燙的感覺[3]。實(shí)地測(cè)量結(jié)果顯示一天中測(cè)量點(diǎn)環(huán)境最高溫度達(dá)到35.5℃,幾乎達(dá)到人體一級(jí)警報(bào)溫度線,桌面最高溫度達(dá)到39.4℃,接觸皮膚會(huì)給人一定程度的熱感,需要通過遮光裝置調(diào)節(jié)空間溫度。測(cè)量因素2:光照度。資料顯示在晴朗天氣情況下,人眼舒適照度大小為500lux,實(shí)地測(cè)量環(huán)境照度最大幾乎達(dá)到700lux,長(zhǎng)期在此環(huán)境下工作容易引起疲勞及眼部損傷。結(jié)合環(huán)境調(diào)研數(shù)據(jù),裝置最大遮陽能力需滿足將室內(nèi)最高溫度降低到人體最佳溫度左右,結(jié)合裝置的感應(yīng)和自動(dòng)調(diào)節(jié)功能,在光線較弱時(shí)完全開放不遮擋陽光,能完美解決擋板遮陽冬季采暖能耗增加的問題。在解決此問題前提下比較各種遮陽形式的遮陽效率,擋板遮陽效果最佳,最終選擇擋板遮陽作為裝置的遮陽形式,結(jié)合不透光的金屬材質(zhì)作為裝置材料。
3方案設(shè)計(jì)與實(shí)物制作
首先按照需求導(dǎo)出以下功能層級(jí):遮陽需求為在已有圖書館和寫字樓朝陽面實(shí)現(xiàn)室內(nèi)光線均勻,保持室內(nèi)穩(wěn)定的適宜學(xué)習(xí)工作的光線環(huán)境,并希望有一定的隔熱功能且容易操控;以此導(dǎo)出功能設(shè)想為遮陽隔熱、支撐、可操控;據(jù)此功能導(dǎo)出裝置基本結(jié)構(gòu)為遮陽隔熱部件、支撐結(jié)構(gòu)、傳感器等。然后進(jìn)行造型設(shè)計(jì)與方案篩選,考慮到裝置的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能,裝置的體量應(yīng)盡可能輕小,以免因遮光片太重導(dǎo)致調(diào)節(jié)部件難以調(diào)節(jié)遮光片。安裝的建筑外墻的遮光裝置同時(shí)也應(yīng)該具有強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗風(fēng)性強(qiáng)的特點(diǎn),防止裝置散架損壞建筑。綜合各因素考慮,選擇以蜂窩結(jié)構(gòu)為主體的造型方案,質(zhì)量輕、強(qiáng)度高,緊密排列在建筑外側(cè),最大化遮光效率。功能預(yù)期為多檔位調(diào)節(jié):?jiǎn)误w造型為六邊形,可以對(duì)窗戶無縫隙平鋪以實(shí)現(xiàn)最大遮光效果,并且根據(jù)光照強(qiáng)度進(jìn)行無極調(diào)節(jié)。每個(gè)扇葉由一個(gè)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)控制,舵機(jī)帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)開合。葉片使用磨砂鋁合金材料,達(dá)到吸熱并可減少光反射帶來的光污染(圖4)。通過測(cè)試不同光熱環(huán)境下的光強(qiáng)和熱輻射數(shù)值,為保持穩(wěn)定舒適的環(huán)境,確定舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度與外界光熱環(huán)境的函數(shù)關(guān)系,即不同光熱環(huán)境下的多擋位調(diào)節(jié)。確定裝置的具體形態(tài)后,繪制精確的零件圖,用3D打印和鋁制材料加工制作齒輪、連接件、軸等結(jié)構(gòu),并將舵機(jī)和扇葉與之連接,通過六根柱連接鋁管連接主體。首先加工鋁制零件作為裝置的各種尺寸的軸。使用砂輪機(jī)磨加工鋁管時(shí)車床上使用的車刀,再用Inventor將各個(gè)零件的加工圖紙導(dǎo)出為平面圖紙,然后使用剛剛用砂輪機(jī)磨好的車刀在CT6132臥式車床上車軸承,接著使用銑床精修車床加工好的零件斷面,最后用鉆床打軸上需要的孔。然后使用3D打印機(jī)打印12個(gè)齒輪及舵機(jī)支架,并激光切割1mm亞克力,最后組裝各個(gè)部分零件,并將調(diào)節(jié)好的電子元件和舵機(jī)用舵機(jī)支架與主體相連,完成一個(gè)單體加工(圖5)?;诃h(huán)境調(diào)研數(shù)據(jù)和測(cè)試結(jié)果,確立了達(dá)到人體最適宜的熱環(huán)境時(shí),外界環(huán)境中光強(qiáng)、紫外線強(qiáng)度、溫度變量(自變量x)與裝置角度變量(因變量y)的函數(shù)模型關(guān)系,并以此為基礎(chǔ)編寫程序。在照度<500lux(即低于人眼舒適亮度)時(shí),裝置旋轉(zhuǎn)角度恒定為90°,透光率約為100%;在照度在>500lux(即高于人眼舒適亮度)時(shí),裝置旋轉(zhuǎn)角度隨溫度的升高而減小,角度減少幅度隨亮度增強(qiáng)而增大,使光通量始終保持在人眼舒適值范圍。
4模型測(cè)試與評(píng)價(jià)
對(duì)常見的產(chǎn)品測(cè)試方法進(jìn)行調(diào)研后,發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品測(cè)試的方法主要包括可靠性測(cè)試、易用性測(cè)試、可移植性測(cè)試、可維護(hù)性測(cè)試、性能測(cè)試和功能測(cè)試六大類;由于程序代碼已經(jīng)在多個(gè)單體部件上成功應(yīng)用,且裝置使用方式是感知環(huán)境溫度和照度并自主進(jìn)行調(diào)節(jié),已經(jīng)具備可移植和易用的特點(diǎn),在此不做測(cè)試,結(jié)合裝置制作成本及難度等因素,最終選定功能測(cè)試、性能測(cè)試和安全性測(cè)試三種方法進(jìn)行測(cè)試,并制定如下模型測(cè)試方案:運(yùn)用手電筒、取暖器、套尺、計(jì)時(shí)器和支撐架等工具進(jìn)行功能測(cè)試,將裝置擺放在支撐架上,利用手電筒、取暖器構(gòu)建單一變量(溫度或光照強(qiáng)度)的環(huán)境,改變自變量,觀察遮光片偏轉(zhuǎn)角度。測(cè)試結(jié)果表明,感應(yīng)元件正常接收感應(yīng)光照、溫度信息并傳遞信號(hào)給單片機(jī);單片機(jī)接收感應(yīng)信號(hào),代碼正常運(yùn)行;遮光片接收單片機(jī)信號(hào)按預(yù)設(shè)進(jìn)行調(diào)節(jié)。隨光照強(qiáng)度增大或溫度升高,遮光片按設(shè)定程序偏轉(zhuǎn)相應(yīng)角度,功能測(cè)試合格(圖6)。接下來進(jìn)行性能測(cè)試。運(yùn)用紅外熱像儀、支撐架、計(jì)時(shí)器進(jìn)行性能測(cè)試,選擇陽光直射、室內(nèi)形成熱環(huán)境場(chǎng)的屋子,將裝置安裝在陽光直射的玻璃外側(cè),在室內(nèi)固定紅外熱像儀,選擇天氣條件相近的兩天,分別測(cè)量安裝前后的室內(nèi)平均溫度和一天內(nèi)溫度變化情況。測(cè)試結(jié)果表明,裝置安裝前,由陽光直射導(dǎo)致的室內(nèi)熱環(huán)境場(chǎng)溫度高,裝置安裝后室內(nèi)溫度被調(diào)節(jié)至人體最佳溫度左右,性能測(cè)試合格。然后進(jìn)行安全性測(cè)試。運(yùn)用安裝架、支撐架進(jìn)行安全性測(cè)試,對(duì)單體進(jìn)行抽樣運(yùn)行測(cè)試,觀測(cè)裝置運(yùn)行情況;將裝置安裝在建筑窗外,使測(cè)試人員打開窗戶進(jìn)行活動(dòng),觀察裝置對(duì)測(cè)試人員活動(dòng)的影響。測(cè)試結(jié)果表明,裝置正常運(yùn)行無故障;裝置對(duì)測(cè)試人員活動(dòng)無影響,安全性測(cè)試合格。最后將以上三種測(cè)試多次進(jìn)行,結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)中95%以上實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為合格。綜合各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果,裝置達(dá)成預(yù)期目標(biāo),解決預(yù)設(shè)問題,可以進(jìn)一步地推廣與應(yīng)用。
5結(jié)語
本研究通過建立建筑外墻單體模型,有效解決由于高強(qiáng)度光照引發(fā)的建筑內(nèi)部熱環(huán)境問題。經(jīng)過模型測(cè)試和調(diào)整,可將其應(yīng)用于寫字樓、商場(chǎng)、圖書館等多種大型建筑的外墻,具有一定的可復(fù)制性。在實(shí)際應(yīng)用中,將對(duì)零件和加工流程標(biāo)準(zhǔn)化,以滿足大規(guī)模低成本的生產(chǎn)。同時(shí)在本裝置的基礎(chǔ)上,可加入紅外感應(yīng)功能,使其可與人實(shí)時(shí)互動(dòng),更加智能化。
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作者:丁雨恬 鄧舒 方楊霖 梁昊毓 李慧莉 單位:大連理工大學(xué)