新型建筑門窗采光性能檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和特點(diǎn)解析

葛大中，鄭謠謠

（安徽省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，安徽 合肥 230601）

1 概 述

門窗是太陽光進(jìn)入室內(nèi)的通道，采光性能直接影響室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量。如果建筑物門窗具有良好的采光性能，人們白天在其中活動時(shí)就不需開燈，這樣既對建筑節(jié)能有利，也增加居住舒適度；否則，如果建筑物門窗的采光性能不好，可能即使是晴天，人們在其中工作、學(xué)習(xí)、生活都要通過照明來滿足視覺要求，這與節(jié)能建筑、生態(tài)建筑及國家的可持續(xù)發(fā)展的整體方針是相悖的。因此，為了保證室內(nèi)具有良好的視覺條件，節(jié)約能源，就要求建筑門窗具有良好的采光性能。我國是一個(gè)自然光資源充足的國家，充分利用自然光資源，降低照明能耗，是節(jié)約建筑用能、提高建筑能源效率非常有效的途徑；建筑門窗的采光性能是綠色建筑的重要控制指標(biāo)之一。

新型建筑門窗采光系能檢測系統(tǒng)由光源室、接收室、光源、照度計(jì)量裝置、電源穩(wěn)壓調(diào)壓裝置、計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)等六部分組成。滿足《建筑外窗采光性能分級及檢測方法》（GB/T 11976—2002）標(biāo)準(zhǔn)的要求。專門設(shè)計(jì)開發(fā)的全自動測試系統(tǒng)，是國內(nèi)首次開發(fā)出的高精度多通道照度測試系統(tǒng)。

2 新型建筑門窗采光性能檢測系統(tǒng)原理、構(gòu)造和特點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)的理論依據(jù)

現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑外窗采光性能分級及檢測方法》（GB/T 11976-2002）對采光性能的定義：建筑外窗在漫射光照射下透過光的能力[1]。外窗的采光性能用透光折減系數(shù)表示，分為1～5級[2]，外窗采光性能分級見表1。

透光折減系數(shù)Tr計(jì)算公式[1]：

外窗采光性能分級 表1

式中：Tr——窗的透光折減系數(shù)

Ew——安裝窗試件后光接收器的漫射光照度

E0——窗試件卸下后光接受器的漫射光照度

i——光接受器序號

j——數(shù)據(jù)采集次數(shù)序號

n——光接收器個(gè)數(shù)

m——數(shù)據(jù)采集次數(shù)

2.2 系統(tǒng)總體構(gòu)造設(shè)計(jì)

建筑門窗采光性能檢測系統(tǒng)，主要包括光源室、接收室、數(shù)據(jù)采集儀、照度計(jì)、電源穩(wěn)壓調(diào)壓裝置、計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、試件、試件框、燈架、白熾燈、墻體、手持式照度儀，試件框四周內(nèi)嵌燈架，燈架上均布安裝白熾燈，與電源穩(wěn)壓調(diào)壓裝置構(gòu)成光源系統(tǒng)；接收室內(nèi)配置照度計(jì)、連接數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)軟件構(gòu)成自動照度計(jì)量系統(tǒng)。

2.3 特點(diǎn)分析

2.3.1 試驗(yàn)室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)采用人工天穹的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，極好地解決了采光性能實(shí)驗(yàn)室的照度不均現(xiàn)象，使得測試更精確穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)室采用高漫反射率的涂層使得漫反射率達(dá)0.85以上，遠(yuǎn)大于國家標(biāo)準(zhǔn)要求的0.8。光源室內(nèi)部使用空間為3200×3200×2400（mm），表面是主要成分為硫酸鋇的漫反射涂層。

實(shí)驗(yàn)室可采用固定式和可移動式兩種，方便了用戶的使用，達(dá)到節(jié)約實(shí)驗(yàn)室和多功能使用目的。對于固定式實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)見圖1，采用活動燈光源支架系統(tǒng)和無線接收傳輸及校準(zhǔn)系統(tǒng)，光源支架系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為固定式和可移動式兩種，作為拆除的可移動式光源支架系統(tǒng)在試驗(yàn)改建和搬遷中可以重復(fù)使用，避免重新建造，節(jié)約社會資源；對于活動式實(shí)驗(yàn)室，接收室和光源室放在導(dǎo)軌上，帶有滑輪，采用75mm厚的聚胺酯彩鋼板拼接而成?；顒邮綄?shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)見圖2。

2.3.2 燈架系統(tǒng)特點(diǎn)

試件框四周內(nèi)嵌燈架，燈架上均布安裝白熾燈構(gòu)成的光源，使得光源系統(tǒng)照度均勻，反射在門窗每點(diǎn)照度誤差最小，確保了采用白熾燈模擬太陽光進(jìn)行測試的數(shù)據(jù)可靠性。光源組件采用特制燈架，每個(gè)燈架上安裝有合適的進(jìn)口連續(xù)譜光源(金鹵燈)，更換維修極其方便，整個(gè)光源系統(tǒng)配有穩(wěn)壓系統(tǒng)，使得光源更加穩(wěn)定。在燈架處設(shè)置可調(diào)擴(kuò)散膜，以達(dá)到均勻照度的效果同時(shí)避免直射光的影響。

圖1 固定式實(shí)驗(yàn)室

圖2 可移動實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[3]

2.3.3 計(jì)算機(jī)控制采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)一體化

采用計(jì)算機(jī)控制采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)一體化，可實(shí)現(xiàn)建筑門窗的快速測量，消除了人工采集對檢測影響，去除了人為誤差，消除了人工采集時(shí)實(shí)驗(yàn)人員本身對系統(tǒng)的影響，具有高精度的重復(fù)性。計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)軟件具備實(shí)時(shí)對漫射光照度和透射漫射光照度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計(jì)算、記錄、保存的功能，檢測項(xiàng)目全部結(jié)束后，計(jì)算機(jī)可自動計(jì)算出試件的透光折減系數(shù)和進(jìn)行評定等級。

采用電參數(shù)控制的光源產(chǎn)生和接受系統(tǒng)、自動采集和一體化數(shù)據(jù)處理軟件，實(shí)行精確、穩(wěn)定的測試[4]。

2.3.4 試件的自動裝夾功能

極大地方便了試件的安裝和固定，減少了土木的施工不便，提高了安全性和可操作性。試件架設(shè)置照度傳感器插口，便于無線傳輸測試傳感器的布置，不影響實(shí)驗(yàn)室的光密性。

2.3.5 可靠的光源系統(tǒng)

光源室最大開口面積應(yīng)小于室內(nèi)表面積的10%；試件表面上的照度宜不小于1000lx，各點(diǎn)的照度差不應(yīng)超過1%；光源應(yīng)采用具有連續(xù)光譜的電光源，且應(yīng)對稱布置，并應(yīng)有控光裝置；光源應(yīng)由穩(wěn)壓裝置供電，其電壓波動應(yīng)不大于0.5%；光源安裝位置應(yīng)保證不得有直射光落到試件表面。設(shè)計(jì)滿足《建筑外窗采光性能分級及檢測方法》（GB/T 11976—2002）的規(guī)定要求、光源應(yīng)按《總光通量標(biāo)準(zhǔn)白熾燈》（JJG247—2008）附錄1規(guī)定方法進(jìn)行穩(wěn)定性檢查符合要求、光接收器應(yīng)按照《光照度計(jì)》（JJG245—2005）規(guī)定的一級照度計(jì)要求。系統(tǒng)檢定綜合性能：要求計(jì)量檢定是對整個(gè)采光系統(tǒng)進(jìn)行檢定，而不是僅對4個(gè)接收器進(jìn)行檢定，提高了整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性。

3 解決照度不均問題

3.1 照度不均形成的原因分析

依據(jù)光源室的幾何尺寸和幾何光學(xué)的反射定律可知(如圖3，單位mm)，由于存在少量的鏡面反射，使得試件洞口中心處出現(xiàn)了兩邊燈槽發(fā)出的光線經(jīng)光源室背面反射后的匯聚光，導(dǎo)致此范圍內(nèi)的照度較大。其次由于試件框四周均凹入墻面，墻面對試件框上的入射光線有一定的遮擋，使得試件洞口處四周的照度較小。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求照度差不應(yīng)超過1%是最大的控制難點(diǎn)。為了解決照度不均問題，該系統(tǒng)從試驗(yàn)室內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可調(diào)節(jié)式光源懸架系統(tǒng)、可控光源設(shè)計(jì)方案和自動采集系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)，達(dá)到理想均勻照度。

圖3 光源室?guī)缀螛?gòu)造及光線反射示意圖[5]

3.2 實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用人工天穹的設(shè)計(jì)開發(fā)理念，反射墻面采用獨(dú)特曲面設(shè)計(jì)方案，解決了試件洞口處四周的照度較小、中間偏大的現(xiàn)象，避免了光照不均的情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)詳見圖4。

圖4 新型曲面設(shè)計(jì)光源室?guī)缀螛?gòu)造

3.3 可調(diào)節(jié)式光源懸架系統(tǒng)

同時(shí)采用新型4個(gè)獨(dú)立可移動燈架系統(tǒng)，方便移動和拆裝，上部燈架系統(tǒng)采用上下方向位置可調(diào)，在出現(xiàn)試件上部和下部光照度明顯偏差是，通過搖動手柄可以調(diào)節(jié)上部燈架的高度達(dá)到試件上下部位光照度分部不均現(xiàn)象。

3.4 可控光源設(shè)計(jì)方案

光源的控制采用穩(wěn)定的穩(wěn)壓電源控制方式，由于供電網(wǎng)的實(shí)用用戶的變化，直接使用電網(wǎng)電壓有波動的的情況，采用了穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，使供給光源系統(tǒng)的的電壓始終穩(wěn)定在220V，在電壓上避免了電壓的波動帶來精度的偏差和關(guān)照度的不均勻型和前后檢測的差別。同時(shí)采用綜合交錯(cuò)的燈帶分部，實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向的光照強(qiáng)度均勻，通過三種交錯(cuò)燈光源調(diào)壓器分別控制，利用燈光的交錯(cuò)分部，來控制發(fā)光強(qiáng)度的均勻，三相電壓調(diào)控實(shí)現(xiàn)無級連續(xù)調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)高精度控制。在四邊獨(dú)立的燈架分別安裝3個(gè)轉(zhuǎn)向大燈，分別由三相控制調(diào)壓器控制，根據(jù)光照度在試件的分布情況，調(diào)整3個(gè)大燈的角度，實(shí)現(xiàn)光照度分布場的微調(diào)。

3.5 自動采集系統(tǒng)

設(shè)計(jì)采用自動照度計(jì)量裝置與計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)組成的測試系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)控制采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)一體化，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計(jì)算、記錄、保存。采集傳感器采用數(shù)字式照度傳感器，采用自動采集系統(tǒng)，克服了人工手持式測量引起的光照度不均勻，同時(shí)避免了強(qiáng)光對檢測、校準(zhǔn)和計(jì)量檢定人員的眼晴的傷害。

4 結(jié) 語

新型建筑門窗采光性能檢測系統(tǒng)采用試驗(yàn)室內(nèi)表面反光設(shè)計(jì)原理，用白色乳膠漆形成一定粗糙度的漫反射系統(tǒng)；研制出獨(dú)特的燈光源系統(tǒng)，使得光源系統(tǒng)照度均勻，反射在窗戶每點(diǎn)照度誤差最??；研制出布局合理的接收系統(tǒng)，接受精度高于標(biāo)準(zhǔn)要求；采用計(jì)算機(jī)控制采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)一體化，消除了人工采集對檢測影響，使得具有高精度的重復(fù)性，去除了人為誤差，消除了人工采集時(shí)試驗(yàn)人員本身對系統(tǒng)影響。同時(shí)對建筑外窗采光檢測系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)試及性能研究，開發(fā)出的新設(shè)備能更好的服務(wù)各建筑外窗的生產(chǎn)企業(yè)。建筑外窗采光性能檢測系統(tǒng)的開發(fā)將完善建筑外窗的已有的檢測項(xiàng)目，滿足國家建筑節(jié)能產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心建筑外窗的采光性能檢測，促使國家建筑節(jié)能中心率先成為國內(nèi)門窗節(jié)能檢驗(yàn)項(xiàng)目齊全，檢測能力較強(qiáng)的技術(shù)機(jī)構(gòu)。新型建筑門窗采光性能檢測系統(tǒng)系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)獨(dú)特、新穎，自動采集、控制準(zhǔn)確；運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，在性價(jià)比和檢測效率、功能方面處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

[1]GB/T 11976-2002，建筑外窗采光性能分級及檢測方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[2]GB/T 8478-2008，鋁合金門窗[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3]葛大中，方明.一種建筑門窗采光性能檢測系統(tǒng)［P］.申請專利號：201210226498.4，2012.

[4]皖科鑒字[2012]第317號,《建筑外窗采光性能檢測系統(tǒng)》科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書[Z].2012.

[5]戴天興,楊紅霞,張樹燕.建筑外窗采光性能檢測實(shí)驗(yàn)室試件表面上照度不均勻性的分析[J].門窗,2007(1).