三棱变采光率百叶窗＊

张 丰，雷铭达，罗荣敏

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

我国资源占有量不到世界平均水平的1/5，而单位建筑面积能耗是气候相近的发达国家的3～5倍。由此可见，要改变目前我国能源紧张的局面，缓解能源供求压力，关键之一在建筑节能。本项目通过改变室内采光率从而改变对太阳辐射的吸收率，提升建筑对太阳能的直接利用率，通过减少空调电扇的使用从而达到减少建筑能耗的效果。

1 引言

随着人们生活水平的提高，越来越多的新型建筑拔地而起，然而，绝大部分的新建筑仍是高能耗建筑，建筑本体的保温隔热功能差，室内温度受环境影响大，据统计，到2000年底，能够达到建筑节能设计标准的建筑仅占全部城乡建筑总面积的0.5%，占城市既有采暖居住建筑面积的9%，而经过查阅资料得知，在夏热冬暖地区，当太阳辐射吸收率小于0.6%时，建筑总能耗平均降低5.4%；当太阳辐射吸收率大于0.8%时，建筑总能耗平均增加4.7%.

然而在夏热冬冷地区，外墙反射太阳辐射会增加冬季供暖能耗，对于室内而言，窗户是影响室内温度与太阳辐射的主要因素之一，因此，本项目通过对窗户太阳采光率的改变，增加了建筑对太阳能的直接利用率，减少空调电扇的使用，达到减少建筑能耗的效果。本项目旨在通过改变窗户的采光率，从而在不改变建筑本体的前提下实现建筑节能，更符合当今建筑现状。

2 方案设计

本项目设计的三棱百叶窗主要由机械部分以及感光控制部分组成。机械部分为装置主体，主要由内外框架、棘轮部分、主动转轮、皮带轮、三棱板等组成。

三棱板每三块呈120°角组成一个窗叶，窗叶均匀向下排布为窗户主体，通过设计使得各个窗叶在旋转至一定角度时，可以挡住窗户空隙使得整体在下雨时可以挡住雨水，通过棘轮进行单向旋转以及限位设计，皮带轮通过控制部分的电机带动窗叶整体旋转。

控制部分主要负责的内容有通过薄膜键盘控制装置的工作方式，对光强的测定，将光强测定面与三棱柱同时旋转等功能，具体工作流程如图1所示。

图1 控制部分工作流程

控制电路由太阳光检测部分、控制旋转部分、薄膜键盘组成。本装置选用Arduino单片机实现对工作平面的选取、太阳光强的检测以及控制舵机旋转三棱柱和光强检测部分。

3 机械部分设计

由于本项目设计的三棱百叶窗应用场合广泛，所以，该百叶窗所选用的面板材料应有价格低廉的优点，同时，为了能达到在不同的光照强度下都能使之较好地采集阳光，所以，应合理选用三块面板。三块面板分别选用涂有太阳能吸热涂层的PPS导热塑料、普通玻璃和单向透视镜。

单向透视镜两边的光学性质是相同的，但在不同的光强作用下，两面会呈现出不同的光学性质，光强过大的一面对光有很高的反射率，而另一面反而反射率较低，实现了单向通过的效果，利用这种在强光下的高反射率可以大大降低在夏天强光条件下的太阳光射入。机械部分设计如图2所示。

太阳能涂层采用吸热涂料，由于粘结剂可能在高温下热解，所以该材料一般用在中、低温条件下。适合家居环境，由于色素材料的高吸收率，使得涂层对光的吸收率比较高（α＞0.8），但由于有机物在红外区中存在吸收峰，从而使涂层发射率也比较大（ε约为0.2），致使α/ε相对较小，也就是将光转化为热的能力较强；导热涂层的承载材料选用导热塑料，这是由于塑料的可塑性好，可减低成本，同时，可以较容易地增加散热的结构，如一些散热孔等。

主动轮左端接控制部分，由传感器控制主动轮的运动，主动轮运动带动转动轮使皮带转动，皮带带动从动皮带轮，从动轴接百叶窗扇叶的每个叶片的中心轴，使其能随之旋转。由于在承载百叶窗叶对齿轮的精度以及传动力的大小要求均较小，所以，可以选用塑料齿轮以降低成本。机械部分主要是齿轮调节部分的设计。

图2 机械部分设计

4 控制部分设计

控制部分为装置的主要部分，主要用于控制百叶窗的旋转角度，光敏电阻以环形分布在主动轴窗叶上，将光强测定面与三棱柱结合避免三棱柱旋转对光敏电阻测量的影响。太阳光强检测部分选用1型cds。当光强增大时，光敏电阻电阻减小，在Arduino上输入的模拟信号的电压增大。检测时利用位于窗外的三个主要光敏电阻检测到的太阳光的光强判断装置的转向及转过的角度。

控制三棱柱与光强检测装置旋转的部分选用舵机作为驱动。舵机的转动位置是靠控制PWM（脉冲宽度调制）信号的占空比来实现的，标准PWM（脉冲宽度调制）信号的周期固定为20 ms，占空比0.5～2.5 ms的正脉冲宽度和舵机的转角-90°～90°相对应。

以三种不同的面正对直射阳光分为三种主模式，三种主模式分别为：①阳光直射高反射面。此时为避光模式，在此模式下，可以反射大部分的光，采光率降到最低，该模式适用于外部温度高于内部温度时使用。②阳光直射热吸收面。此时是吸热模式，在此模式下，可以将光转化为热，传递至室内，该模式适用于冬季有光照，但室外温度低的情况。③阳光直射玻璃面。此模式是采光模式，在此模式下，阳光透过普通玻璃，穿过单向透视膜至室内，控制室内光照。

由于需要考虑室内采光要求，因此，本项目设计为以三种主要对光模式为基础，依托于三种主模式，首先根据环境要求确定主要模式，根据外部阳光强度决定正反旋转对不同的面受光面面积调整就可以产生不同的效果，还有一些在特殊情况下用户可以自动操纵的模式即棘轮达到效果，如当窗户在旋转时卷入衣物等情况发生时，通过棘轮的作用，可以手动调节窗叶取出。

采用智能家居的设计，设计手机端APP，用户可以通过APP根据自身体感调节室内采光量以及百叶窗模式等。

5 效益分析

由于该装置计算比较复杂，因此，本装置选用现有的实验进行一定的分析，实验得出，在镜面反射的条件下，将太阳光主动引入室内可提高室内温度2～5℃。而镜面反射对太阳辐射的利用率为57%，这个实验说明阳光从窗户的传热量可以明显影响室内温度。

太阳能吸收涂料的吸收率一般在85%～95%之间，辐射率在50%左右，也就是说通过太阳能涂层材料能将一半的光能转变为热能，而对比普通玻璃，普通玻璃的透光率在85%左右，这些光主要以光能的形式存在，相比太阳能吸收涂层，太阳能吸收涂层能明显提高室内温度。

单向透视镜的反射率依光强的变化而变化，光强较强的一面反射率在30%～70%之间，而普通玻璃的反射率只有夏天6%左右，夏天在外界光强较强的情况下利用该反射镜可将外部的大部分阳光反射从而降低室内温度。

6 结束语

本项目具有以下优点：①适应面广，首先针对不同的环境有不同的适应模式，另外也适应大量使用和家居环境；②利用光感控制系统使之可以完全实现自我调节；③机械部分三棱旋转结构设计简单，易于实现。

目前，在全国都有建筑耗能大、对太阳能直接利用率低的缺点，利用本装置可以同时实现反光和吸热，对阳光实现更高的利用率，主要适用于高耗能建筑等，同时，对学校、工厂等大型设施可以起到一定程度的调节温度作用，减少建筑耗能，应用前景广泛。