三棱變采光率百葉窗＊

張 豐，雷銘達，羅榮敏

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

我國資源占有量不到世界平均水平的1/5，而單位建筑面積能耗是氣候相近的發達國家的3～5倍。由此可見，要改變目前我國能源緊張的局面，緩解能源供求壓力，關鍵之一在建筑節能。本項目通過改變室內采光率從而改變對太陽輻射的吸收率，提升建筑對太陽能的直接利用率，通過減少空調電扇的使用從而達到減少建筑能耗的效果。

1 引言

隨著人們生活水平的提高，越來越多的新型建筑拔地而起，然而，絕大部分的新建筑仍是高能耗建筑，建筑本體的保溫隔熱功能差，室內溫度受環境影響大，據統計，到2000年底，能夠達到建筑節能設計標準的建筑僅占全部城鄉建筑總面積的0.5%，占城市既有采暖居住建筑面積的9%，而經過查閱資料得知，在夏熱冬暖地區，當太陽輻射吸收率小于0.6%時，建筑總能耗平均降低5.4%；當太陽輻射吸收率大于0.8%時，建筑總能耗平均增加4.7%.

然而在夏熱冬冷地區，外墻反射太陽輻射會增加冬季供暖能耗，對于室內而言，窗戶是影響室內溫度與太陽輻射的主要因素之一，因此，本項目通過對窗戶太陽采光率的改變，增加了建筑對太陽能的直接利用率，減少空調電扇的使用，達到減少建筑能耗的效果。本項目旨在通過改變窗戶的采光率，從而在不改變建筑本體的前提下實現建筑節能，更符合當今建筑現狀。

2 方案設計

本項目設計的三棱百葉窗主要由機械部分以及感光控制部分組成。機械部分為裝置主體，主要由內外框架、棘輪部分、主動轉輪、皮帶輪、三棱板等組成。

三棱板每三塊呈120°角組成一個窗葉，窗葉均勻向下排布為窗戶主體，通過設計使得各個窗葉在旋轉至一定角度時，可以擋住窗戶空隙使得整體在下雨時可以擋住雨水，通過棘輪進行單向旋轉以及限位設計，皮帶輪通過控制部分的電機帶動窗葉整體旋轉。

控制部分主要負責的內容有通過薄膜鍵盤控制裝置的工作方式，對光強的測定，將光強測定面與三棱柱同時旋轉等功能，具體工作流程如圖1所示。

圖1 控制部分工作流程

控制電路由太陽光檢測部分、控制旋轉部分、薄膜鍵盤組成。本裝置選用Arduino單片機實現對工作平面的選取、太陽光強的檢測以及控制舵機旋轉三棱柱和光強檢測部分。

3 機械部分設計

由于本項目設計的三棱百葉窗應用場合廣泛，所以，該百葉窗所選用的面板材料應有價格低廉的優點，同時，為了能達到在不同的光照強度下都能使之較好地采集陽光，所以，應合理選用三塊面板。三塊面板分別選用涂有太陽能吸熱涂層的PPS導熱塑料、普通玻璃和單向透視鏡。

單向透視鏡兩邊的光學性質是相同的，但在不同的光強作用下，兩面會呈現出不同的光學性質，光強過大的一面對光有很高的反射率，而另一面反而反射率較低，實現了單向通過的效果，利用這種在強光下的高反射率可以大大降低在夏天強光條件下的太陽光射入。機械部分設計如圖2所示。

太陽能涂層采用吸熱涂料，由于粘結劑可能在高溫下熱解，所以該材料一般用在中、低溫條件下。適合家居環境，由于色素材料的高吸收率，使得涂層對光的吸收率比較高（α＞0.8），但由于有機物在紅外區中存在吸收峰，從而使涂層發射率也比較大（ε約為0.2），致使α/ε相對較小，也就是將光轉化為熱的能力較強；導熱涂層的承載材料選用導熱塑料，這是由于塑料的可塑性好，可減低成本，同時，可以較容易地增加散熱的結構，如一些散熱孔等。

主動輪左端接控制部分，由傳感器控制主動輪的運動，主動輪運動帶動轉動輪使皮帶轉動，皮帶帶動從動皮帶輪，從動軸接百葉窗扇葉的每個葉片的中心軸，使其能隨之旋轉。由于在承載百葉窗葉對齒輪的精度以及傳動力的大小要求均較小，所以，可以選用塑料齒輪以降低成本。機械部分主要是齒輪調節部分的設計。

圖2 機械部分設計

4 控制部分設計

控制部分為裝置的主要部分，主要用于控制百葉窗的旋轉角度，光敏電阻以環形分布在主動軸窗葉上，將光強測定面與三棱柱結合避免三棱柱旋轉對光敏電阻測量的影響。太陽光強檢測部分選用1型cds。當光強增大時，光敏電阻電阻減小，在Arduino上輸入的模擬信號的電壓增大。檢測時利用位于窗外的三個主要光敏電阻檢測到的太陽光的光強判斷裝置的轉向及轉過的角度。

控制三棱柱與光強檢測裝置旋轉的部分選用舵機作為驅動。舵機的轉動位置是靠控制PWM（脈沖寬度調制）信號的占空比來實現的，標準PWM（脈沖寬度調制）信號的周期固定為20 ms，占空比0.5～2.5 ms的正脈沖寬度和舵機的轉角-90°～90°相對應。

以三種不同的面正對直射陽光分為三種主模式，三種主模式分別為：①陽光直射高反射面。此時為避光模式，在此模式下，可以反射大部分的光，采光率降到最低，該模式適用于外部溫度高于內部溫度時使用。②陽光直射熱吸收面。此時是吸熱模式，在此模式下，可以將光轉化為熱，傳遞至室內，該模式適用于冬季有光照，但室外溫度低的情況。③陽光直射玻璃面。此模式是采光模式，在此模式下，陽光透過普通玻璃，穿過單向透視膜至室內，控制室內光照。

由于需要考慮室內采光要求，因此，本項目設計為以三種主要對光模式為基礎，依托于三種主模式，首先根據環境要求確定主要模式，根據外部陽光強度決定正反旋轉對不同的面受光面面積調整就可以產生不同的效果，還有一些在特殊情況下用戶可以自動操縱的模式即棘輪達到效果，如當窗戶在旋轉時卷入衣物等情況發生時，通過棘輪的作用，可以手動調節窗葉取出。

采用智能家居的設計，設計手機端APP，用戶可以通過APP根據自身體感調節室內采光量以及百葉窗模式等。

5 效益分析

由于該裝置計算比較復雜，因此，本裝置選用現有的實驗進行一定的分析，實驗得出，在鏡面反射的條件下，將太陽光主動引入室內可提高室內溫度2～5℃。而鏡面反射對太陽輻射的利用率為57%，這個實驗說明陽光從窗戶的傳熱量可以明顯影響室內溫度。

太陽能吸收涂料的吸收率一般在85%～95%之間，輻射率在50%左右，也就是說通過太陽能涂層材料能將一半的光能轉變為熱能，而對比普通玻璃，普通玻璃的透光率在85%左右，這些光主要以光能的形式存在，相比太陽能吸收涂層，太陽能吸收涂層能明顯提高室內溫度。

單向透視鏡的反射率依光強的變化而變化，光強較強的一面反射率在30%～70%之間，而普通玻璃的反射率只有夏天6%左右，夏天在外界光強較強的情況下利用該反射鏡可將外部的大部分陽光反射從而降低室內溫度。

6 結束語

本項目具有以下優點：①適應面廣，首先針對不同的環境有不同的適應模式，另外也適應大量使用和家居環境；②利用光感控制系統使之可以完全實現自我調節；③機械部分三棱旋轉結構設計簡單，易于實現。

目前，在全國都有建筑耗能大、對太陽能直接利用率低的缺點，利用本裝置可以同時實現反光和吸熱，對陽光實現更高的利用率，主要適用于高耗能建筑等，同時，對學校、工廠等大型設施可以起到一定程度的調節溫度作用，減少建筑耗能，應用前景廣泛。