智能化互動(dòng)設(shè)計(jì)在建筑熱環(huán)境問(wèn)題中應(yīng)用

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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(guò)這種方式，解決夏季屋內(nèi)陽(yáng)光直射導(dǎo)致的熱環(huán)境問(wèn)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(xiě)與調(diào)試，并進(jìn)行推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：熱環(huán)境問(wèn)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(wèn)題給人們帶來(lái)諸多不便。如高側(cè)窗會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的眩光，陽(yáng)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(wú)法及時(shí)散熱，導(dǎo)致整個(gè)屋子奇熱無(wú)比?，F(xiàn)有建筑外部的遮陽(yáng)方式主要為利用遮光擋板人工調(diào)節(jié)角度遮擋陽(yáng)光。但這種方式并不能滿足一天中不同時(shí)段由于太陽(yáng)角度變化而導(dǎo)致的不同遮陽(yáng)需求。為解決上述問(wèn)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(yáng)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(wèn)題。

1遮陽(yáng)形式調(diào)研

建筑遮陽(yáng)板按其形狀和效果，可分為五類：水平遮陽(yáng)、垂直遮陽(yáng)、混合遮陽(yáng)、擋板遮陽(yáng)、百葉遮陽(yáng)[1]。其中，不同的材料呈現(xiàn)不一樣的效果。在遮陽(yáng)材料的選擇上，對(duì)理想遮陽(yáng)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(wú)外遮陽(yáng)建筑和不同材料外遮陽(yáng)建筑分別建模計(jì)算，得出對(duì)應(yīng)的全年能耗值，以無(wú)外遮陽(yáng)建筑的全年能耗值為參照，對(duì)比分析了不同材料外遮陽(yáng)的能耗數(shù)據(jù)，可得出以下結(jié)論：不同材料的外遮陽(yáng)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(yáng)節(jié)能效果最差：不透光材料外遮陽(yáng)的節(jié)能效果優(yōu)于透光材料[2]。以擋板式遮陽(yáng)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(yáng)的移動(dòng)而感應(yīng)開(kāi)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(yǔ)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(yǔ)角中央的木制書(shū)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(yáng)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(kāi)始，每次記錄三組數(shù)據(jù)；下午陽(yáng)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(jué)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(guò)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(jué)，超過(guò)45℃會(huì)產(chǎn)生熱甚至燙的感覺(jué)[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(guò)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(yáng)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(kāi)放不遮擋陽(yáng)光，能完美解決擋板遮陽(yáng)冬季采暖能耗增加的問(wèn)題。在解決此問(wèn)題前提下比較各種遮陽(yáng)形式的遮陽(yáng)效率，擋板遮陽(yáng)效果最佳，最終選擇擋板遮陽(yáng)作為裝置的遮陽(yáng)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(yáng)需求為在已有圖書(shū)館和寫(xiě)字樓朝陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(wú)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(wú)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(kāi)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(lái)的光污染（圖4）。通過(guò)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(guò)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(chē)床上使用的車(chē)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(chē)刀在CT6132臥式車(chē)床上車(chē)軸承，接著使用銑床精修車(chē)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）。基于環(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(xiě)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(jiàn)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(lái)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(yáng)光直射、室內(nèi)形成熱環(huán)境場(chǎng)的屋子，將裝置安裝在陽(yáng)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(yáng)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(kāi)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(wú)故障；裝置對(duì)測(cè)試人員活動(dòng)無(wú)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(wèn)題，可以進(jìn)一步地推廣與應(yīng)用。

5結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)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(wèn)題。經(jīng)過(guò)模型測(cè)試和調(diào)整，可將其應(yīng)用于寫(xiě)字樓、商場(chǎng)、圖書(shū)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。

參考文獻(xiàn)：

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[2]曹穩(wěn),陳麗華,張琴義,等.建筑模型不同材料外遮陽(yáng)節(jié)能量對(duì)比研究[J].安慶師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2019,25(3):84-88.

[3]歸雁生.聽(tīng)懂高溫下的人體警報(bào)[J].中外健康文摘,2007(000)07B:1.

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)