多造型采光瓦设计与制作研究

肖冠南 陈明学 何佳蔚 雷雨松 梁桃华

基金项目：四川省电子商务与现代物流研究中心项目（DSWL-35）；成都市哲学社会科学研究基地数字经济与文化创意融合发展中心规划项目（SJWC2023ZC005）；新能源光伏技术研发中心（23KYPT03）；成都职业技术学院校级科研项目（23CZYG046）

第一作者简介：肖冠南（1992-），男，博士，讲师。研究方向为太阳电池材料与器件。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.011

摘  要：基于传统透光瓦片设计一种创新性产品，采用球形采光件镶嵌于瓦片中，能够实现光线的均匀透过和扩散，使得照明效果更加柔和均匀。通过利用自然光在室内进行照明，减少白天室内对人工照明的依赖，从而降低能源消耗和碳排放。此外通过更换球形采光件颜色和大小，实现光颜色的改变和光照强度大小的改变，从而根据不同场景和需求，创造出各种不同的光效和氛围，应用于室内和室外的装饰照明，为建筑物、景观和艺术装置增添独特的视觉效果，提升空间的美感和吸引力。同时，该装置采用耐热、耐候和耐腐蚀的材质制成，具有较长的使用寿命和较低的维护成本。该设计能够为人们提供更加美观、节能和环保的照明解决方案。

关键词：采光瓦；自然光利用；球形采光件；建筑装饰；多造型

中图分类号：G315      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）16-0049-05

Abstract： Based on the traditional transparent tile， an innovative product is designed， which uses spherical lighting parts embedded in the tile， which can achieve the uniform transmission and diffusion of light， making the lighting effect more soft and uniform. Through the use of natural light to illuminate indoors， reduce indoor dependence on artificial lighting during the day， thereby reducing energy consumption and carbon emissions. In addition， by changing the color and size of spherical lighting parts， the change of light color and light intensity can be realized， so as to create different light effects and atmosphere according to different scenes and needs. This can be applied to indoor and outdoor decorative lighting， adding unique visual effects to buildings， landscapes， and artistic installations， and enhancing the beauty and attractiveness of the space. At the same time， this device is made of heat-resistant， weather resistant， and corrosion-resistant materials， which has a longer service life and lower maintenance costs. This design can provide people with more beautiful， energy-saving and environmentally friendly lighting solutions.

Keywords： daylighting tile; natural light utilization; spherical lighting part; architectural decoration; multi-modeling

随着人们对环境保护和可持续发展的关注不断增加，绿色建筑和节能技术成为建筑行业的重要发展方向。在此背景下，采光瓦作为一种绿色建筑材料，受到了越来越多的关注和应用。传统的采光瓦主要用于提供室内自然光线，以减少对人工照明的依赖。然而，传统的采光瓦在使用时往往外形较为简单，透过的阳光一般成束状，光线的照射范围有限，无法达到360°全方位照明的目的，同时采用简单的透明结构导致室内隐私性较差。因此，新型采光瓦的設计需要围绕增大采光范围、增强光照效果和提高隐私性等方面来进行[1]。本文的多造型采光瓦采用模块化设计，能够按照不同应用场景的需求切换和改变透过瓦片的光颜色、光强度和光造型[2]，营造舒适的光环境的同时， 有效降低建筑能耗减少碳排放，并通过对室内自然光的合理利用，对居住者的身心产生积极的影响[3]。通过镶嵌球形高透光玻璃，实现360°采光和防偷窥的完美结合，提高自然光利用率的同时，还增强了用户的隐私性。本多造型采光瓦的设计与制作方法可以为采光瓦照明行业从业者提供一定的指导借鉴作用。

1  采光瓦设计

1.1  光学理论

基于斯涅尔定律表明对于球形玻璃，当光线从外部空气射入玻璃中时，会发生折射，其在球形玻璃表面上的入射角取决于光线与法线。由于球形玻璃的曲率，光线在球体内部会发生多次折射和反射，这些折射和反射会导致光线的路径弯曲和分散，从而使得球形玻璃中的光线呈现出不同的折射效果和光学效果[4-5]。

1.2  球形采光件的设计

球形采光件通过折射光线将光线从室外折射到室内，通常由一个半径为10 ～30 mm的球形透镜构成，设计时应考虑器件折射率和球形采光件的曲率半径这2个重要因素，其中折射率决定了光线在透镜中的折射程度。为了使折射效果达到最佳，折射率通常应控制在1.5～2.0之间。而球形采光件的曲率半径决定了透镜的形状和光线的聚焦效果。较小的曲率半径会导致更强的聚焦效果，而较大的曲率半径则会导致较弱的聚焦效果。根据不同场景下具体的应用需求，选择合适的曲率半径。

1.3  光强分布仿真验证

如图1所示，使用DIALUX软件对球形采光件设计的可行性进行验证，基于物理光学原理，通过光线追踪算法来模拟光线通过球形采光件的折射在室内环境中的传播和反射，计算出光线在空间中的强度、颜色和分布。为了更好地体现出本采光瓦上球形采光件的光学效果，如图1（a）所示，首先，建模一个长度为4 m，宽度为4 m，高度为2.8 m的封闭环境模型，本多造型采光瓦即安装在模型的天花板位置，其余为封闭环境。其次，在天花板上方适宜位置加入日光系统模拟日光，并开始模拟计算获得数据。最后，对所得数据进行整理分析，以此来验证球形采光件设计的可行性。所得数据见表1，在为日光正常照射下，经过球形采光件的折射后室内的平均光照强度有282，最小光照强度也有141，结合图1（b）中的光照强度梯度分布，结果表明日光经过球形采光件后的折射是均匀分布的，采用此球形采光件设计的多造型采光瓦完全满足日常的照明需求，其光照性能甚至强于部分LED灯。

表1  仿真验证数据表

1.4  结构设计

相较于传统采光瓦，本设计使用了如下改进技术方案：通过2块由陶瓷烧制成型或塑料压制成型有凹槽的隔板中镶嵌直径为20～40 mm的高透光玻璃球，隔板使用螺栓固定组装[6]，从而得到一种新型多造型采光瓦，能够将室外阳光全方位地引入室内，而且由于室内也为凸球形状，因此其室内光照的方向是360°全方位的。本采光瓦镶嵌的玻璃球还具有防水设计，主要采用橡胶垫，厚度一般在1.5～2 mm，既可用于防止漏水，也有保护玻璃球不被碰坏的目的[7]。

如图2所示，本采光瓦整体结构为夹层结构主要为上连接板、下连接板、高透光玻璃球和螺栓。本设计中将室外的日光通过高透光玻璃球散射或投射到室内，由于日光入射面球面，因此本方案不仅可以在屋顶使用，也可以在墙面进行使用；由于本方案中采用的是分离式的球形采光件，从外界无法直接观测的室内的具体情况，私密性更好[8]。

图2  采光瓦侧面整体结构框图

1.5  采光瓦外观设计

图3为本采光瓦的俯视造型图。其中，采光件的分布形状任意，典型的形状设计可以为同心圆形、花状、菱形等。通过阳光从玻璃球射出，营造一种具有特定透光形状的灯光氛围。在采光瓦的四周边缘轮廓位置设置有边框，边框为金属材质制成，通过金属边框可以防止采光瓦周向被破坏。螺栓上可以设置有金属装饰物，使人体在观看采光瓦时更加舒适，同时还可以根据具体的使用情况分别改变采光件的颜色、大小、材质和采光件的排列图形[9]。

1.6  球形采光件的固定设计

如图4所示，此设计的上支撑板和下支撑板采用螺栓进行固定，连接板与采光件中加入2片橡胶垫来进行固定和保护采光件，因为橡胶垫具有弹性，在使用过程中避免因为温度变化对采光件造成的破坏，由于弧形空腔结构的存在，不仅增大了橡胶带与连接腔的接触面积，增大摩擦，同时也增加了橡胶垫的调节余量，在将球形采光件与连接腔通过紧固件进行锁定时，可以使多余的橡胶垫有挤压空间，提升安装效率。在橡胶垫与连接腔进行紧密接触时可以有效地进行防水，使得采光瓦能够长久在户外进行使用。

2  采光瓦制作

2.1  支撑板材料选择

本采光瓦的支撑板可以为陶瓷烧制成型或塑料压制成型。其中，陶瓷材料具有较高的硬度和耐磨性，能够长时间保持原有的外观和性能，也有较强的抗腐蚀性，能够抵抗酸碱等化学物质的侵蚀[10]。并且能够承受高温，不易变形或熔化，陶瓷材料还可以通过采用不同的色彩和纹理来满足不同的装饰需求，但具有更昂贵、制作周期较长、重量大和易破等缺点。塑料材料更轻便，减轻了建筑物的负荷，有较好的耐候性，能够抵抗紫外线、酸碱等侵蚀。但耐久度低和美观度不高。因此不同的材料适用于不同的场景和需求，选择合适的材料需要考虑到建筑物的用途、环境条件以及个人偏好等因素。

2.2  支撑板的制作

陶瓷支撑板的制作流程如图5（a）所示：第一，将黏土、石英、长石等原材料进行筛选，按一定比例混合[11]。第二，将混合好的材料通过挤压、压制或注塑等方式成型为支撑板的形状。第三，将成型好的瓦片放置在通风的环境中，使其逐渐失去水分，变得坚硬和稳定。第四，将干燥的瓦片放入窑炉中进行高温烧结，使其成为硬质的陶瓷材料。第五，对支撑板进行抛光、釉面处理等，以增加其光滑度和美观性。最后，对成品瓦片进行质量检验。 塑料支撑板的制作流程如5（b）所示：第一，选用合适的塑料材料，如PVC（聚氯乙烯）等[12]。第二，將塑料材料通过挤出、注塑等方式成型为支撑板的形状。第三，对成型的塑料瓦片进行表面处理。第四，喷涂、印刷等，以增加其美观性。最后，对成品塑料瓦片进行质量检验。

（a）  陶瓷材料

（b）  塑料材料

图5  制作流程图

2.3  球形采光件的选择

球形采光件为20～40 mm的高透光玻璃球或树脂球。树脂材料透明度高，具有很好的透光性，可以制作出具有良好折射和透光性的透明球，树脂具有较好的耐化学性，不容易受到化学物质的侵蚀，并且树脂具有较好的可塑性，可以制作出各种形状和尺寸的透明球。玻璃材料不易老化、褪色，具有较长的寿命，较高的熔点和耐高温性能，可以在高温环境下使用，并且玻璃表面光滑平整，不易粘附灰尘或污垢，方便日常清洁。综上，在室外由于长期受到雨水侵蚀，太阳光的长期照射，白天夜晚温差较大，所以在实际应用中作为瓦片使用玻璃，而作为室内装饰隔断墙时就使用树脂材料[13]。

3  结果与分析

采光瓦的透光效果是与光照强度和光源位置有关，所以测试时在暗室天花板分别设置了不同光照强度和不同位置的射灯来模拟太阳的照射。如图6所示，在暗室内部搭建一个采光瓦模型，为方便测试，支撑板采用塑料，透光件采用高透光玻璃。使用DELIXI DLY-1801c照度计检测在采光瓦上设置5个点，检测阳光经过采光瓦后的光照强度和经过折射后的平均光照强度，检测结果如图7和表2所示。

如表2所示，由于每一天不同时间段的环境光照射入角度不同，为了确保测试数据的可靠性，使用不同角度的光源对外部光照强度、内部平均光照强度进行数据采集，整理后使用OriginPro绘制成折线图。结果表明，当光源角度在0°～90°时光照强度随着角度的增加而增加。此外，在光照角度较小时，球形玻璃球虽然可以将光线折射入室内，但是光照射的面积远小于垂直照射的面积。在角度增加至25°后光照强度已基本满足照明需求。因此，本采光瓦的设计能够满足日常使用[14]。

图6  内部测量点示意图

图7  内外部光照强度

表2  测试数据表

4  结论

本文设计了一款造型多样的采光瓦，采用基于光线追踪算法的DIALUX软件仿真模拟了该采光瓦的透光分布空间情况，采用AUTOCAD设计了多种外观造型与结构的采光件和采光瓦，采用陶瓷烧制成型/塑料压制成型得到了采光瓦支撑板和玻璃/树脂玻璃球，采用螺栓固定方式得到了造型多样的采光瓦。测试结果表明，该采光瓦的光强分布均匀性和隐私保护性能均较好，在阳光房、别墅等建筑的灯光造型上具有较好的市场应用前景与经济社会价值。

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