百葉角度優(yōu)化與調(diào)光效果模擬研究

吳克躍，李 棕

(皖西學(xué)院 電氣與光電工程學(xué)院，安徽 六安 237000)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)能源需求越來(lái)越大，節(jié)約能源成為時(shí)代主題。在能源需求中，電力能源占重要的部分。研究表明，建筑照明用電占我國(guó)總電力能源的16%左右[1]，因此，如何在建筑照明中節(jié)約使用電力能源是節(jié)能減排的重要課題。建筑室內(nèi)照明光源主要有太陽(yáng)光和人造光源，在室內(nèi)照明中充分利用太陽(yáng)光對(duì)節(jié)能具有重要的意義。然而，目前在利用太陽(yáng)光進(jìn)行室內(nèi)照明還存在很多不足，比如：在辦公室、學(xué)校教室中，由于太陽(yáng)光照度太高(>105LX)，在沒有遮陽(yáng)的情況下會(huì)對(duì)人的視覺器官造成不良影響，甚至影響人的生理和心理。因此，人們經(jīng)常在辦公室和教室采用窗簾進(jìn)行遮光。但是，采用窗簾遮光大大降低了太陽(yáng)光的利用，不利電能的節(jié)約。因此，如何對(duì)室內(nèi)太陽(yáng)光進(jìn)行控制引起了國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。LEE等人利用百葉對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行控制[2，3]。研究表明，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)百葉的角度可以顯著地實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，但他們對(duì)百葉窗只進(jìn)行了3個(gè)角度的調(diào)節(jié)。Tzempelikos等人采用集成百葉對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行控制[4]，通過(guò)調(diào)節(jié)百葉角度在實(shí)現(xiàn)高效利用太陽(yáng)光的同時(shí)，也解決了眩光問(wèn)題。張飛等人使用自適應(yīng)模糊控制調(diào)控百葉窗的角度[5]，并進(jìn)而控制室內(nèi)人工光源的亮度，得到了工作面照度的控制。潘攀采用基于照度反饋的百葉窗控制方法[6]，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)照度的可控性。但是，不同時(shí)間下百葉窗角度對(duì)室內(nèi)照度影響的詳細(xì)研究尚未見報(bào)道。

本文利用DIALUX軟件模擬了不同時(shí)間下不同百葉角度時(shí)日光在室內(nèi)的照度，并詳細(xì)研究了室內(nèi)照度的變化規(guī)律，為進(jìn)一步優(yōu)化百葉窗角度和提高照明效果提供理論支持。

1 模型建立及仿真

1.1 系統(tǒng)模型

本文所研究的室內(nèi)空間為朝南開窗采光，窗戶寬為4.6米，高為1.4米，距離地面1.2米。百葉片數(shù)為28個(gè)，長(zhǎng)為4.6米，寬為0.07米，間距為0.05米。工作面距離窗戶1.0米，長(zhǎng)為1.2米，寬為0.6米。所建模型如圖1所示。房間各面反射系數(shù)分別為：墻壁為50%、天花板為70%、地面為20%、百葉為75%、玻璃為10%。

圖1 DIALUX仿真模型

1.2 系統(tǒng)仿真

為了系統(tǒng)研究百葉角度對(duì)室內(nèi)工作面照明的影響，本文仿真了不同月份、不同時(shí)刻以及不同百葉角度室內(nèi)工作面(桌面)照度。仿真了2021年1月到12月，上午8:00至下午16:00,百葉角度從15度到90度的工作面照度(百葉水平時(shí)為90度)。

表1 1月份某晴天仿真數(shù)據(jù)

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 仿真結(jié)果

圖2模擬了1月份8:00時(shí)某晴天室內(nèi)工作面照度隨百葉角度變化的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著角度從90度變化到-85度，工作面照度變化呈“S”狀。

圖2 工作面照度隨百葉窗角度變化關(guān)系曲線

圖3為1月份某晴天不同時(shí)刻和不同百葉角度工作面照度的變化曲線。從圖中可以看出，當(dāng)百葉角度一定時(shí)，隨著時(shí)間從早晨8:00到下午16:00，工作面照度先升高后降低，其中中午12:00照度最高。從圖1中還可以看出，隨著百葉角度從15度增加到90度，工作面照度總體是先升高后降低。但是百葉角度從40度增加到85度時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重的眩光現(xiàn)象。

圖3 1月份某晴天不同時(shí)刻和不同百葉角度工作面照度變化曲線

根據(jù)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50034—2013，專業(yè)室內(nèi)辦公或?qū)W習(xí)照明標(biāo)準(zhǔn)為500 lx。圖4(a)為不同月份和不同時(shí)刻工作面照度約為500 lx的百葉角度關(guān)系圖。從圖中可以看出，時(shí)間從8∶00到16∶00為了把工作面照度控制在500 lx附近，百葉角度先降低后增加。

從圖中還可以看出，隨著月份從1月到12月，為達(dá)到500 lx照度的要求，百葉角度先增加后降低，如圖4(b)所示。

2.2 結(jié)果分析

影響室內(nèi)照明的主要因素有工作面位置、窗戶大小和位置、百葉角度以及太陽(yáng)位置等[6]。本文所研究室內(nèi)照明的工作面位置、窗戶大小和位置已固定，因此影響室內(nèi)照明的因素有百葉角度和太陽(yáng)位置。

圖5為太陽(yáng)高度角γ示意圖。

圖4 百葉窗角度隨時(shí)刻和月份變化曲線

圖5 太陽(yáng)高度角示意圖

太陽(yáng)高度角滿足以下公式：[7-10]

sinγ=sinφ·sinδ+cosφ·cosδ·cosΩ

(1)

其中δ表示太陽(yáng)赤緯角，滿足以下公式：

(2)

對(duì)于北半球，δ最大值為+23° 27′，最小值為-23°27′。

φ為當(dāng)?shù)鼐暥?，Ω為太?yáng)時(shí)角。

Ω=(TT-12)×15

(3)

其中TT為真太陽(yáng)時(shí)(TT=0,1,2……24)。

從上面公式可以看出，在特定緯度地理位置，太陽(yáng)高度角遵循以下規(guī)律：從早上到傍晚，太陽(yáng)高度角先增大后減小；從冬季到夏季，太陽(yáng)高度角先增大后減小。根據(jù)太陽(yáng)角隨時(shí)刻和季節(jié)變化規(guī)律，要使工作面達(dá)到特定的照度，百葉窗角度隨時(shí)刻增加先減小后增大，隨月份增大先增大后減小。

3 結(jié)論

本文利用DIALUX照明設(shè)計(jì)軟件研究了日光對(duì)室內(nèi)照明效果的影響。通過(guò)改變不同百葉角度、不同月份以及不同時(shí)刻模擬了日光在室內(nèi)的照明效果。結(jié)果表明通過(guò)規(guī)律性改變百葉角度可以在不同月份、不同時(shí)刻得到特定室內(nèi)照明需求。這一結(jié)果為后期智能百葉調(diào)控提供了必要的理論支持。