不同入射方式条件下“智能镜面”利用太阳辐射的实验

吴正旺

(华侨大学 建筑学院，福建 厦门 362021)

我国城市中还存在着大量日照不足的建筑室内空间[1]，特别在旧城区，其日照标准普遍较低[2].不少建筑的内部空间昏暗、阴冷，对市民的卫生和心理[3]都产生了不良影响，降低了宜居性[4].为此，基于镜面反射原理对太阳辐射进行利用一直受到诸多学者的重视[5].沈天行等[6]提出利用建筑外墙及阳台等空间，将反射材料固定在栏板或窗间墙上，把日照反射进入其南向建筑的室内.诺曼·福斯特(Norman Foster)在设计香港汇丰银行总部时，利用两面反光镜将太阳的直射辐射经2次反射后进入建筑中庭，改善了采光效果[7].苟中华等[8]利用双弧面板将太阳的散射辐射引入高层建筑的底层室内，提高了室内照度.张一飞[9]进一步提出利用光学折射元件将太阳辐射折射到居住区场地中的阴影区，以改善其日照质量.栗德祥等[10]在清华大学超低能耗大楼中利用“向日葵+光导管”将室外日照导入地下空间，改善了地下空间的天然采光效果.吴正旺等[11]将信息技术与太阳能利用相结合[12]，研制“自动追踪、定向反射”日照的“模块式无风力矩智能镜面”(以下简称“智能镜面”)装置[13]，自动追踪太阳辐射，并将其定向反射至建筑室内的北部.

然而,以上研究都存在着一个共同的问题，即如果反射的角度不当，就难以达到目标.即如果角度过大，会明显降低太阳辐射的利用率；而如果角度过小，又可能由于入射方位角或俯仰角不合理而产生眩光.因此，在实际应用中采取何种入射角度及方式，使其既能避免炫光、改善采光效果，又不显著降低利用率，这在太阳辐射的利用中已成为一个重要的研究课题.基于此，本文主要研究不同入射方式下“智能镜面”利用太阳辐射的特征.

1 实验部分

1.1 实验概况

从2018年12月至2019年5月，选取晴天、多云、雾霾等典型天气，对水平入射、上(下)方入射及前(后)方入射等主要几种“智能镜面”入射方式下，各教室的太阳辐射照度、紫外线和眩光情况进行监测及比较.不同“智能镜面”入射方式的照射示意图，如图1～3所示.

图1 入射方式的剖面示意图Fig.1 Section view of incident mode

图2 入射方式的平面示意图Fig.2 Plane schematic diagram of incident mode

图3 入射方式的实景图Fig.3 Real picture of incident mode

1.2 实验设备

自制“智能镜面”1面;KONICA牌ILLUMINANCE METER T-10型照度计5台(精度为1 lx);泰玛斯(TENMARS)牌UVAB紫外线测试仪5台(解析度为0.001 mW·cm-2，感应波长为290～390 nm，精确度为3%).

1.3 实验对象

实验对象为北方工业大学浩学楼的5层屋面，以及其南向励学楼一层的118，122，三层的316，318，320，五层的516，520等教室.将1面“智能镜面”安装在北方工业大学浩学楼的5层屋面上，太阳辐射被定向反射进入励学楼的122，316，318，520等4间测试教室里，而眩光实验的测试教室为118，316，318，320，516等教室.

1.4 实验方法

1) 在各种典型的天气条件下，以照度计、紫外线监测仪对各教室及室外的太阳辐射进行照度、紫外线辐射强度监测.照度计及紫外线测试仪垂直于入射光线，每次监测1 min，取其照度值的最大值.将照度计平放在室外地面上1 m处，以头部阴影遮住照度计的探头，测量4个方向的室外漫射光强度，取其平均值.以真人模特模拟各教室中正在学习的状态，以其主观感受对眩光情况进行评价.

2) 太阳辐射中，可见光约占总能量的50%，红外区约占43%，紫外区约占7%[14].虽然镜面对可见光、红外线、紫外线均能有效反射[15]，但由于可见光占比最大，而对室内空气杀菌起主要作用的是紫外线[16].因此，本实验以照度作为太阳辐射利用率的主要指标，同时，以紫外线辐射强度为卫生指标[17]，推断“智能镜面”反射的太阳辐射的杀菌效果.实验以同一组同学(共2人)在30 min之内，先后对118室、320室、316室、318室和516室等教室的眩光强弱作出主观评价，对桌面阅读活动进行模拟.

2 实验结果与分析

2.1 不同俯仰角条件下的照度情况比较

当俯仰角取顺时针为正时，不同俯仰角条件下各教室的照度(E)比较，如表1所示.表1中：IUV为紫外线辐射强度；122教室的入射光线为上方入射，俯仰角24°；316教室的入射光线为水平入射，俯仰角-2°；318教室的入射光线为上方入射，俯仰角11°；520教室的入射光线为下方入射，俯仰角-21°；所有教室的照度测量均在入射教室靠窗50 cm处；采光系数(ζ)=(室内照度/室外照度)×100%.

表1 不同俯仰角条件下各教室的照度比较(俯仰角取顺时针为正)Tab.1 Comparison of illumination in various classrooms under different pitch angles (positive for clockwise pitch angle)

实验选取晴天、多云,以及轻度雾霾等典型天气进行监测.实验发现，不同俯仰角条件下，太阳辐射被定向反射进入各教室的照度最大相差可达48.2%以上，而不同天气条件下采光系数也不同.在晴天和雾霾天气条件下，采光系数较大的入射方式是水平入射和下方入射，最大可达76.4%.采取上方入射时，俯仰角的绝对值越大，入射的照度就越低.以2018年12月12日为例，当日天气晴，采取水平入射的316教室的照度为50 100 lx，而采取上方入射的122教室的照度为38 300 lx，二者相差24%.在2019年5月21日,采取下方入射的室外照度112 600 lx，而室内则达到60 200 lx，采光系数达53.5%.在2019年3月28日，当日天气为多云、轻度霾，采取水平入射的316教室的照度为9 640 lx，而采取下方入射时，122教室的照度为降至4 990 lx，二者相差48.2%.

从表1可知：不同天气条件下，在相同俯仰角时，其太阳照度变化也不同，大气能见度越高，室内照度越高.以122教室为例，在2018年12月11日，12日，2天的天气均为晴，室外照度分别为99 600和91 600 lx，二者相差8%；但11日的大气能见度为33.0 km，而12日大气能见度为14.5 km，其太阳辐射入射照度分别为427和334 lx，二者相差22%.

从表1还可知：若以照度为指标，则“智能镜面”最高能将约69.3%的太阳照度定向反射进入建筑室内.以2018年12月11日，12日，20日，2019年1月5日，12日为例，当日室内照度与室外照度之比最大分别为54.3%，54.7%，39.5%，48.5%,69.3%.需要注意的是，虽然多云且有轻度霾的天气条件下室内外照度的比值最高，但其照度的绝对值却是最低的，反映出可供利用的太阳辐射最少,且照度中太阳辐射的散射辐射占比较大.

2.2 不同俯仰角情况下紫外线的入射情况比较

当俯仰角取顺时针为正时，在不同俯仰角条件下各教室紫外线辐射强度(IUV)的比较，如表2所示.表2中：E为照度；122教室的入射光线为上方入射，俯仰角24°；316教室的入射光线为水平入射，俯仰角-2°；318教室的入射光线为上方入射，俯仰角11°；520教室的入射光线为下方入射，俯仰角-21°；所有教室的照度测量均在入射教室靠窗50 cm处；室内、外紫外线强度之比的最高值(γmax)=(室内紫外线辐射强度/室外紫外线辐射强度)×100%.

表2 不同俯仰角条件下各教室的紫外线辐射强度比较(俯仰角取顺时针为正)Tab.2 Comparison of ultraviolet radiation intensity in various classrooms under different pitch angles (positive for clockwise pitch angle)

从表2可知：不同俯仰角入射条件下，各教室内的紫外线辐射强度相差可达24%以上，在晴天、多云等天气条件下，紫外线辐射强度最高的入射方式是水平入射.然而在阴天条件下，如2018年12月11日，当日室外太阳辐射中紫外线辐射强度为3 320 mW·cm-2，经上方入射进入励学楼的122教室后，减弱为427 mW·cm-2，相当于室外的12.9%；而经水平入射进入316教室后，减弱为565 mW·cm-2，相当于室外的17%，二者相差达24.4%.采取由下方向上入射的520教室，其紫外线辐射强度介于上述二者之间.

从表2还可知：在主要几种典型天气条件下，当天空云量较大时，紫外线入射的比例较高.最高的是2019年1月7日和3月28日，这2天的天气为阴和多云，室外紫外线辐射强度分别为160，30 mW·cm-2，而316教室的紫外线辐射强度分别达124，15 mW·cm-2，约为室外紫外线辐射强度的77.5%及50%.需要注意的是，虽然阴天、多云等天气条件下室内外紫外线的比值最高，但其紫外线的绝对值却是较低的，与雾霾天接近.室内、外紫外线辐射强度绝对值最高的天气仍是晴天，如2018年12月11日，12日，以及2019年5月21日，其紫外线辐射强度分别达3 320，2 343和4 968 mW·cm-2.相应地，入射到室内的紫外线也远高于阴天、多云天.

2.3 不同水平方位角和俯仰角情况下的眩光情况比较

从本次实验看，在眩光控制中，“智能镜面”采取何种入射水平方位角将太阳辐射定向反射极为关键.在2018年12月12日12：00，天气为晴、西南风3级，大气能见度为14.5 km,开展不同水平方位角入射条件下各教室的炫光测试(水平方位角以顺时针为正)，得到如下几点结果.

1) 118教室的入射光线为左侧上方入射，水平方位角11°,主观感受为无炫光、舒适，照度为11 810 lx.2) 316教室的入射光线为后方入射，水平方位角-35°,主观感受为无眩光，但佩戴眼镜者有轻微炫光，照度为5 450 lx.3) 318教室的入射光线为侧方入射，水平方位角11°,主观感受为有轻微炫光，照度为7 890 lx.4) 320教室的入射光线为前方入射，水平方位角21°,主观感受为有明显炫光，照度为9 080 lx.5) 516教室的入射光线为左后方入射，水平方位角-35°,主观感受为无炫光、较舒适，照度为237 lx.

以上结果说明316教室、318教室和320教室的太阳辐射入射的俯仰角相同，水平方位角较大(前方入射)的320教室产生了明显的眩光，而水平方位角较小(侧方入射)的318教室其眩光不明显，水平方位角最小(后方入射)的316教室眩光进一步减少.

入射俯仰角对眩光的控制有重要作用[18].实验中，118教室、318教室及516教室分别采取了较大、较小及水平俯仰角入射等3种水平方位角入射方式，516还采取了向上入射将太阳辐射反射至室内天棚的方式.从使用者的主观评价看，在入射俯仰角较小的条件下，入射光对佩戴眼镜者有明显干扰，容易产生不适，但在较大俯仰角及水平入射等条件下均未有明显眩光产生.例如，在316教室，其入射俯仰角为11°，在佩戴眼镜时刻感觉到左侧眼角处镜框被照亮，取下眼镜后不适消失，同时在水平方位角相同而俯仰角更小的516教室也没有发生相似情况.

不同入射条件下各教室的眩光实景比较,如图4所示.从图4可知：关闭人工照明，不同入射方式下，各教室在桌面照度相差较大.以2018年12月12日为例，照度最大的是采取侧上方入射的118教室，照度达11 810 lx，难以进行阅读、书写等教学活动；从上侧后方入射的316教室桌面照度则减少为5 450 lx，可以进行阅读、书写等教学活动；桌面照度最小的是采取水平侧后方入射的516教室，为237 lx，能较为舒适地进行阅读、书写等教学活动.

(a) 118教室 (b) 122教室 (c) 316教室

(d) 318教室 (e) 320教室 (f) 516教室图4 不同入射条件下各教室的眩光实景比较Fig.4 Comparison of actual glare in classrooms under different incident conditions

3 结论

研究表明，采取不同入射方式改善建筑室内的天然采光效果是可行的.不同入射方式下“智能镜面”对太阳辐射利用中的照度、紫外线及眩光都有明显不同，相差巨大，应根据实际需要采取相适宜的入射方式.如果主要是为了改善天然采光效果，则宜采取在使用者侧后方水平入射的方式，特殊情况下可以用下方入射方式；如果要兼顾天然采光和防止炫光，则宜采取在使用者的左后方、左侧上方等入射方式.

实验表明，太阳辐射在入射前、后的照度、紫外线辐射强度的衰减不同.照度衰减主要受大气能见度影响，其室内、外太阳辐射照度的最大比值可达69%以上.紫外线辐射强度则不论在晴天、阴天或轻度雾霾天气条件下，都有110～560 mW·cm-2的紫外线进入室内.实验还发现，在阴天、雾霾天气条件下，被反射进入室内的照度及紫外线的绝对值显著降低，且在多种入射方式下，使用者均可感受到炫光.