淺談智能化互動設(shè)計在建筑熱環(huán)境問題中的應(yīng)用

文／丁雨恬 鄧舒方 楊 霖 梁昊毓 李慧莉

引言

現(xiàn)有建筑中，存在由于初始設(shè)計不合理導(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)窗會產(chǎn)生很強的眩光，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)卻無法及時散熱，導(dǎo)致整個屋子奇熱無比?，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，本文提出利用機械傳動、智能硬件以及電子通信技術(shù)，檢測光照強度，調(diào)節(jié)陽光進(jìn)入室內(nèi)的量，以實現(xiàn)智能化調(diào)節(jié)室內(nèi)亮度，在不影響室內(nèi)正?；顒拥耐瑫r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)能軟件對無外遮陽建筑和不同材料外遮陽建筑分別建模計算，得出對應(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 個蜂窩狀的材料構(gòu)成，該材料隨著太陽的移動而感應(yīng)開合，有助于降低內(nèi)部約50%的熱量吸收（圖1）。

圖1 裝置效果模擬（圖片來源：作者自繪）

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，對學(xué)生學(xué)習(xí)造成了一定的影響，綜合不同地點的人流量、室內(nèi)布局等因素，最終選定綜合一號教學(xué)樓三樓英語角處進(jìn)行具體測量。使用勝利VC1010D 照度計和DL700 便攜式紅外熱像儀進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，將紅外熱像儀固定在三腳架上，對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)行測量。

對照度計進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，上午陽光較強變化較快，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 完成測量。最后計算測得數(shù)據(jù)的平均值。測量結(jié)果部分摘錄如圖2、圖3。

圖2 室內(nèi)及木桌表面溫度折線圖（圖片來源：作者自繪）

圖3 桌面照度折線圖（圖片來源：作者自繪）

測量因素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，個別年老體弱散熱不良者需要配合局部降溫或啟動室內(nèi)空調(diào)以降低自身溫度；環(huán)境溫度達(dá)到36℃時，人體感到溫度過高，會影響工作效率；對于人體皮膚接觸的物體，溫度達(dá)到35℃時會使人體皮膚產(chǎn)生溫覺，超過45℃會產(chǎn)生熱甚至燙的感覺[3]。實地測量結(jié)果顯示一天中測量點環(huán)境最高溫度達(dá)到35.5℃，幾乎達(dá)到人體一級警報溫度線，桌面最高溫度達(dá)到39.4℃，接觸皮膚會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，實地測量環(huán)境照度最大幾乎達(dá)到700lux，長期在此環(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)和自動調(diào)節(jié)功能，在光線較弱時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)計與實物制作

首先按照需求導(dǎo)出以下功能層級：遮陽需求為在已有圖書館和寫字樓朝陽面實現(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)計與方案篩選，考慮到裝置的自動調(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也應(yīng)該具有強度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗風(fēng)性強的特點，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)：單體造型為六邊形，可以對窗戶無縫隙平鋪以實現(xiàn)最大遮光效果，并且根據(jù)光照強度進(jìn)行無極調(diào)節(jié)。每個扇葉由一個舵機旋轉(zhuǎn)控制，舵機帶動葉片轉(zhuǎn)軸實現(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）。

圖4 三維建模效果圖與爆炸圖（圖片來源：作者自繪）

通過測試不同光熱環(huán)境下的光強和熱輻射數(shù)值，為保持穩(wěn)定舒適的環(huán)境，確定舵機旋轉(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。使用砂輪機磨加工鋁管時車床上使用的車刀，再用Inventor 將各個零件的加工圖紙導(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 打印機打印12 個齒輪及舵機支架，并激光切割1mm 亞克力，最后組裝各個部分零件，并將調(diào)節(jié)好的電子元件和舵機用舵機支架與主體相連，完成一個單體加工（圖5）。

圖5 單體實物圖（圖片來源：作者自繪）

基于環(huán)境調(diào)研數(shù)據(jù)和測試結(jié)果，確立了達(dá)到人體最適宜的熱環(huán)境時，外界環(huán)境中光強、紫外線強度、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，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，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而增大，使光通量始終保持在人眼舒適值范圍。

4 模型測試與評價

對常見的產(chǎn)品測試方法進(jìn)行調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品測試的方法主要包括可靠性測試、易用性測試、可移植性測試、可維護(hù)性測試、性能測試和功能測試六大類；由于程序代碼已經(jīng)在多個單體部件上成功應(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，在此不做測試，結(jié)合裝置制作成本及難度等因素，最終選定功能測試、性能測試和安全性測試三種方法進(jìn)行測試，并制定如下模型測試方案：運用手電筒、取暖器、套尺、計時器和支撐架等工具進(jìn)行功能測試，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（溫度或光照強度）的環(huán)境，改變自變量，觀察遮光片偏轉(zhuǎn)角度。

測試結(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給單片機；單片機接收感應(yīng)信號，代碼正常運行；遮光片接收單片機信號按預(yù)設(shè)進(jìn)行調(diào)節(jié)。隨光照強度增大或溫度升高，遮光片按設(shè)定程序偏轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，功能測試合格（圖6）。

圖6 程序原理圖（圖片來源：作者自繪）

接下來進(jìn)行性能測試。運用紅外熱像儀、支撐架、計時器進(jìn)行性能測試，選擇陽光直射、室內(nèi)形成熱環(huán)境場的屋子，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，性能測試合格。然后進(jìn)行安全性測試。運用安裝架、支撐架進(jìn)行安全性測試，對單體進(jìn)行抽樣運行測試，觀測裝置運行情況；將裝置安裝在建筑窗外，使測試人員打開窗戶進(jìn)行活動，觀察裝置對測試人員活動的影響。測試結(jié)果表明，裝置正常運行無故障；裝置對測試人員活動無影響，安全性測試合格。

最后將以上三種測試多次進(jìn)行，結(jié)果表明實驗中95%以上實驗測試結(jié)果為合格。綜合各項測試結(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。

結(jié)語

本研究通過建立建筑外墻單體模型，有效解決由于高強度光照引發(fā)的建筑內(nèi)部熱環(huán)境問題。經(jīng)過模型測試和調(diào)整，可將其應(yīng)用于寫字樓、商場、圖書館等多種大型建筑的外墻，具有一定的可復(fù)制性。在實際應(yīng)用中，將對零件和加工流程標(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，使其可與人實時互動，更加智能化。