浅谈智能化互动设计在建筑热环境问题中的应用

文／丁雨恬 邓舒方 杨 霖 梁昊毓 李慧莉

引言

现有建筑中，存在由于初始设计不合理导致的建筑内部热环境不均衡现象，其引发的室内光热环境不适问题给人们带来诸多不便。如高侧窗会产生很强的眩光，阳光照进屋内刺眼影响室内正常工作；夏天光线从天窗照进却无法及时散热，导致整个屋子奇热无比。现有建筑外部的遮阳方式主要为利用遮光挡板人工调节角度遮挡阳光。但这种方式并不能满足一天中不同时段由于太阳角度变化而导致的不同遮阳需求。

为解决上述问题，本文提出利用机械传动、智能硬件以及电子通信技术，检测光照强度，调节阳光进入室内的量，以实现智能化调节室内亮度，在不影响室内正常活动的同时解决热环境问题。

1 遮阳形式调研

建筑遮阳板按其形状和效果，可分为五类：水平遮阳、垂直遮阳、混合遮阳、挡板遮阳、百叶遮阳[1]。其中，不同的材料呈现不一样的效果。在遮阳材料的选择上，对理想遮阳板材料要求为：遮光隔热、耐高温、抗老化、易维修、成本较低廉、容易批量加工适合工业生产。

利用建筑节能软件对无外遮阳建筑和不同材料外遮阳建筑分别建模计算，得出对应的全年能耗值，以无外遮阳建筑的全年能耗值为参照，对比分析了不同材料外遮阳的能耗数据，可得出以下结论：不同材料的外遮阳节能效果不同。钢筋混凝土材料节能效果最优，之后依次为金属、玻璃钢、织物，而玻璃外遮阳节能效果最差：不透光材料外遮阳的节能效果优于透光材料[2]。以挡板式遮阳建筑——巴哈尔塔为例：巴哈尔塔是座29 层高的双子塔楼，其建筑外观由2000 个蜂窝状的材料构成，该材料随着太阳的移动而感应开合，有助于降低内部约50%的热量吸收（图1）。

图1 装置效果模拟（图片来源：作者自绘）

2 环境数据调研与函数模型确立

就地进行环境初步调研后，发现校园中多地存在室内热环境现象，对学生学习造成了一定的影响，综合不同地点的人流量、室内布局等因素，最终选定综合一号教学楼三楼英语角处进行具体测量。使用胜利VC1010D 照度计和DL700 便携式红外热像仪进行数据测量，将红外热像仪固定在三脚架上，对英语角中央的木制书桌表面温度及亮度、环境温度及亮度以及光照度进行测量。

对照度计进行参数设置，上午阳光较强变化较快，设置每隔15 分钟记录一次数据，从9 ∶00开始，每次记录三组数据；下午阳光变化较慢，设置每隔30 分钟记录一次数据，每次记录三组数据，19 ∶00 完成测量。最后计算测得数据的平均值。测量结果部分摘录如图2、图3。

图2 室内及木桌表面温度折线图（图片来源：作者自绘）

图3 桌面照度折线图（图片来源：作者自绘）

测量因素1：温度。资料显示30℃是人体感觉最佳的环境温度；当环境温度高达35℃时，个别年老体弱散热不良者需要配合局部降温或启动室内空调以降低自身温度；环境温度达到36℃时，人体感到温度过高，会影响工作效率；对于人体皮肤接触的物体，温度达到35℃时会使人体皮肤产生温觉，超过45℃会产生热甚至烫的感觉[3]。实地测量结果显示一天中测量点环境最高温度达到35.5℃，几乎达到人体一级警报温度线，桌面最高温度达到39.4℃，接触皮肤会给人一定程度的热感，需要通过遮光装置调节空间温度。

测量因素2：光照度。资料显示在晴朗天气情况下，人眼舒适照度大小为500lux，实地测量环境照度最大几乎达到700lux，长期在此环境下工作容易引起疲劳及眼部损伤。

结合环境调研数据，装置最大遮阳能力需满足将室内最高温度降低到人体最佳温度左右，结合装置的感应和自动调节功能，在光线较弱时完全开放不遮挡阳光，能完美解决挡板遮阳冬季采暖能耗增加的问题。在解决此问题前提下比较各种遮阳形式的遮阳效率，挡板遮阳效果最佳，最终选择挡板遮阳作为装置的遮阳形式，结合不透光的金属材质作为装置材料。

3 方案设计与实物制作

首先按照需求导出以下功能层级：遮阳需求为在已有图书馆和写字楼朝阳面实现室内光线均匀，保持室内稳定的适宜学习工作的光线环境，并希望有一定的隔热功能且容易操控；以此导出功能设想为遮阳隔热、支撑、可操控；据此功能导出装置基本结构为遮阳隔热部件、支撑结构、传感器等。

然后进行造型设计与方案筛选，考虑到装置的自动调节功能，装置的体量应尽可能轻小，以免因遮光片太重导致调节部件难以调节遮光片。安装的建筑外墙的遮光装置同时也应该具有强度高、结构稳定、抗风性强的特点，防止装置散架损坏建筑。综合各因素考虑，选择以蜂窝结构为主体的造型方案，质量轻、强度高，紧密排列在建筑外侧，最大化遮光效率。功能预期为多档位调节：单体造型为六边形，可以对窗户无缝隙平铺以实现最大遮光效果，并且根据光照强度进行无极调节。每个扇叶由一个舵机旋转控制，舵机带动叶片转轴实现开合。叶片使用磨砂铝合金材料，达到吸热并可减少光反射带来的光污染（图4）。

图4 三维建模效果图与爆炸图（图片来源：作者自绘）

通过测试不同光热环境下的光强和热辐射数值，为保持稳定舒适的环境，确定舵机旋转角度与外界光热环境的函数关系，即不同光热环境下的多挡位调节。确定装置的具体形态后，绘制精确的零件图，用3D 打印和铝制材料加工制作齿轮、连接件、轴等结构，并将舵机和扇叶与之连接，通过六根柱连接铝管连接主体。

首先加工铝制零件作为装置的各种尺寸的轴。使用砂轮机磨加工铝管时车床上使用的车刀，再用Inventor 将各个零件的加工图纸导出为平面图纸，然后使用刚刚用砂轮机磨好的车刀在CT6132 卧式车床上车轴承，接着使用铣床精修车床加工好的零件断面，最后用钻床打轴上需要的孔。然后使用3D 打印机打印12 个齿轮及舵机支架，并激光切割1mm 亚克力，最后组装各个部分零件，并将调节好的电子元件和舵机用舵机支架与主体相连，完成一个单体加工（图5）。

图5 单体实物图（图片来源：作者自绘）

基于环境调研数据和测试结果，确立了达到人体最适宜的热环境时，外界环境中光强、紫外线强度、温度变量（自变量x）与装置角度变量（因变量y）的函数模型关系，并以此为基础编写程序。在照度＜500lux（即低于人眼舒适亮度）时，装置旋转角度恒定为90°，透光率约为100%；在照度在＞500lux（即高于人眼舒适亮度）时，装置旋转角度随温度的升高而减小，角度减少幅度随亮度增强而增大，使光通量始终保持在人眼舒适值范围。

4 模型测试与评价

对常见的产品测试方法进行调研后，发现产品测试的方法主要包括可靠性测试、易用性测试、可移植性测试、可维护性测试、性能测试和功能测试六大类；由于程序代码已经在多个单体部件上成功应用，且装置使用方式是感知环境温度和照度并自主进行调节，已经具备可移植和易用的特点，在此不做测试，结合装置制作成本及难度等因素，最终选定功能测试、性能测试和安全性测试三种方法进行测试，并制定如下模型测试方案：运用手电筒、取暖器、套尺、计时器和支撑架等工具进行功能测试，将装置摆放在支撑架上，利用手电筒、取暖器构建单一变量（温度或光照强度）的环境，改变自变量，观察遮光片偏转角度。

测试结果表明，感应元件正常接收感应光照、温度信息并传递信号给单片机；单片机接收感应信号，代码正常运行；遮光片接收单片机信号按预设进行调节。随光照强度增大或温度升高，遮光片按设定程序偏转相应角度，功能测试合格（图6）。

图6 程序原理图（图片来源：作者自绘）

接下来进行性能测试。运用红外热像仪、支撑架、计时器进行性能测试，选择阳光直射、室内形成热环境场的屋子，将装置安装在阳光直射的玻璃外侧，在室内固定红外热像仪，选择天气条件相近的两天，分别测量安装前后的室内平均温度和一天内温度变化情况。测试结果表明，装置安装前，由阳光直射导致的室内热环境场温度高，装置安装后室内温度被调节至人体最佳温度左右，性能测试合格。然后进行安全性测试。运用安装架、支撑架进行安全性测试，对单体进行抽样运行测试，观测装置运行情况；将装置安装在建筑窗外，使测试人员打开窗户进行活动，观察装置对测试人员活动的影响。测试结果表明，装置正常运行无故障；装置对测试人员活动无影响，安全性测试合格。

最后将以上三种测试多次进行，结果表明实验中95%以上实验测试结果为合格。综合各项测试结果，装置达成预期目标，解决预设问题，可以进一步地推广与应用。

结语

本研究通过建立建筑外墙单体模型，有效解决由于高强度光照引发的建筑内部热环境问题。经过模型测试和调整，可将其应用于写字楼、商场、图书馆等多种大型建筑的外墙，具有一定的可复制性。在实际应用中，将对零件和加工流程标准化，以满足大规模低成本的生产。同时在本装置的基础上，可加入红外感应功能，使其可与人实时互动，更加智能化。