不同入射方式條件下“智能鏡面”利用太陽輻射的實驗

吳正旺

(華僑大學(xué) 建筑學(xué)院，福建 廈門 362021)

我國城市中還存在著大量日照不足的建筑室內(nèi)空間[1]，特別在舊城區(qū)，其日照標(biāo)準(zhǔn)普遍較低[2].不少建筑的內(nèi)部空間昏暗、陰冷，對市民的衛(wèi)生和心理[3]都產(chǎn)生了不良影響，降低了宜居性[4].為此，基于鏡面反射原理對太陽輻射進行利用一直受到諸多學(xué)者的重視[5].沈天行等[6]提出利用建筑外墻及陽臺等空間，將反射材料固定在欄板或窗間墻上，把日照反射進入其南向建筑的室內(nèi).諾曼·福斯特(Norman Foster)在設(shè)計香港匯豐銀行總部時，利用兩面反光鏡將太陽的直射輻射經(jīng)2次反射后進入建筑中庭，改善了采光效果[7].茍中華等[8]利用雙弧面板將太陽的散射輻射引入高層建筑的底層室內(nèi)，提高了室內(nèi)照度.張一飛[9]進一步提出利用光學(xué)折射元件將太陽輻射折射到居住區(qū)場地中的陰影區(qū)，以改善其日照質(zhì)量.栗德祥等[10]在清華大學(xué)超低能耗大樓中利用“向日葵+光導(dǎo)管”將室外日照導(dǎo)入地下空間，改善了地下空間的天然采光效果.吳正旺等[11]將信息技術(shù)與太陽能利用相結(jié)合[12]，研制“自動追蹤、定向反射”日照的“模塊式無風(fēng)力矩智能鏡面”(以下簡稱“智能鏡面”)裝置[13]，自動追蹤太陽輻射，并將其定向反射至建筑室內(nèi)的北部.

然而,以上研究都存在著一個共同的問題，即如果反射的角度不當(dāng)，就難以達(dá)到目標(biāo).即如果角度過大，會明顯降低太陽輻射的利用率；而如果角度過小，又可能由于入射方位角或俯仰角不合理而產(chǎn)生眩光.因此，在實際應(yīng)用中采取何種入射角度及方式，使其既能避免炫光、改善采光效果，又不顯著降低利用率，這在太陽輻射的利用中已成為一個重要的研究課題.基于此，本文主要研究不同入射方式下“智能鏡面”利用太陽輻射的特征.

1 實驗部分

1.1 實驗概況

從2018年12月至2019年5月，選取晴天、多云、霧霾等典型天氣，對水平入射、上(下)方入射及前(后)方入射等主要幾種“智能鏡面”入射方式下，各教室的太陽輻射照度、紫外線和眩光情況進行監(jiān)測及比較.不同“智能鏡面”入射方式的照射示意圖，如圖1～3所示.

圖1 入射方式的剖面示意圖Fig.1 Section view of incident mode

圖2 入射方式的平面示意圖Fig.2 Plane schematic diagram of incident mode

圖3 入射方式的實景圖Fig.3 Real picture of incident mode

1.2 實驗設(shè)備

自制“智能鏡面”1面;KONICA牌ILLUMINANCE METER T-10型照度計5臺(精度為1 lx);泰瑪斯(TENMARS)牌UVAB紫外線測試儀5臺(解析度為0.001 mW·cm-2，感應(yīng)波長為290～390 nm，精確度為3%).

1.3 實驗對象

實驗對象為北方工業(yè)大學(xué)浩學(xué)樓的5層屋面，以及其南向勵學(xué)樓一層的118，122，三層的316，318，320，五層的516，520等教室.將1面“智能鏡面”安裝在北方工業(yè)大學(xué)浩學(xué)樓的5層屋面上，太陽輻射被定向反射進入勵學(xué)樓的122，316，318，520等4間測試教室里，而眩光實驗的測試教室為118，316，318，320，516等教室.

1.4 實驗方法

1) 在各種典型的天氣條件下，以照度計、紫外線監(jiān)測儀對各教室及室外的太陽輻射進行照度、紫外線輻射強度監(jiān)測.照度計及紫外線測試儀垂直于入射光線，每次監(jiān)測1 min，取其照度值的最大值.將照度計平放在室外地面上1 m處，以頭部陰影遮住照度計的探頭，測量4個方向的室外漫射光強度，取其平均值.以真人模特模擬各教室中正在學(xué)習(xí)的狀態(tài)，以其主觀感受對眩光情況進行評價.

2) 太陽輻射中，可見光約占總能量的50%，紅外區(qū)約占43%，紫外區(qū)約占7%[14].雖然鏡面對可見光、紅外線、紫外線均能有效反射[15]，但由于可見光占比最大，而對室內(nèi)空氣殺菌起主要作用的是紫外線[16].因此，本實驗以照度作為太陽輻射利用率的主要指標(biāo)，同時，以紫外線輻射強度為衛(wèi)生指標(biāo)[17]，推斷“智能鏡面”反射的太陽輻射的殺菌效果.實驗以同一組同學(xué)(共2人)在30 min之內(nèi)，先后對118室、320室、316室、318室和516室等教室的眩光強弱作出主觀評價，對桌面閱讀活動進行模擬.

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 不同俯仰角條件下的照度情況比較

當(dāng)俯仰角取順時針為正時，不同俯仰角條件下各教室的照度(E)比較，如表1所示.表1中：IUV為紫外線輻射強度；122教室的入射光線為上方入射，俯仰角24°；316教室的入射光線為水平入射，俯仰角-2°；318教室的入射光線為上方入射，俯仰角11°；520教室的入射光線為下方入射，俯仰角-21°；所有教室的照度測量均在入射教室靠窗50 cm處；采光系數(shù)(ζ)=(室內(nèi)照度/室外照度)×100%.

表1 不同俯仰角條件下各教室的照度比較(俯仰角取順時針為正)Tab.1 Comparison of illumination in various classrooms under different pitch angles (positive for clockwise pitch angle)

實驗選取晴天、多云,以及輕度霧霾等典型天氣進行監(jiān)測.實驗發(fā)現(xiàn)，不同俯仰角條件下，太陽輻射被定向反射進入各教室的照度最大相差可達(dá)48.2%以上，而不同天氣條件下采光系數(shù)也不同.在晴天和霧霾天氣條件下，采光系數(shù)較大的入射方式是水平入射和下方入射，最大可達(dá)76.4%.采取上方入射時，俯仰角的絕對值越大，入射的照度就越低.以2018年12月12日為例，當(dāng)日天氣晴，采取水平入射的316教室的照度為50 100 lx，而采取上方入射的122教室的照度為38 300 lx，二者相差24%.在2019年5月21日,采取下方入射的室外照度112 600 lx，而室內(nèi)則達(dá)到60 200 lx，采光系數(shù)達(dá)53.5%.在2019年3月28日，當(dāng)日天氣為多云、輕度霾，采取水平入射的316教室的照度為9 640 lx，而采取下方入射時，122教室的照度為降至4 990 lx，二者相差48.2%.

從表1可知：不同天氣條件下，在相同俯仰角時，其太陽照度變化也不同，大氣能見度越高，室內(nèi)照度越高.以122教室為例，在2018年12月11日，12日，2天的天氣均為晴，室外照度分別為99 600和91 600 lx，二者相差8%；但11日的大氣能見度為33.0 km，而12日大氣能見度為14.5 km，其太陽輻射入射照度分別為427和334 lx，二者相差22%.

從表1還可知：若以照度為指標(biāo)，則“智能鏡面”最高能將約69.3%的太陽照度定向反射進入建筑室內(nèi).以2018年12月11日，12日，20日，2019年1月5日，12日為例，當(dāng)日室內(nèi)照度與室外照度之比最大分別為54.3%，54.7%，39.5%，48.5%,69.3%.需要注意的是，雖然多云且有輕度霾的天氣條件下室內(nèi)外照度的比值最高，但其照度的絕對值卻是最低的，反映出可供利用的太陽輻射最少,且照度中太陽輻射的散射輻射占比較大.

2.2 不同俯仰角情況下紫外線的入射情況比較

當(dāng)俯仰角取順時針為正時，在不同俯仰角條件下各教室紫外線輻射強度(IUV)的比較，如表2所示.表2中：E為照度；122教室的入射光線為上方入射，俯仰角24°；316教室的入射光線為水平入射，俯仰角-2°；318教室的入射光線為上方入射，俯仰角11°；520教室的入射光線為下方入射，俯仰角-21°；所有教室的照度測量均在入射教室靠窗50 cm處；室內(nèi)、外紫外線強度之比的最高值(γmax)=(室內(nèi)紫外線輻射強度/室外紫外線輻射強度)×100%.

表2 不同俯仰角條件下各教室的紫外線輻射強度比較(俯仰角取順時針為正)Tab.2 Comparison of ultraviolet radiation intensity in various classrooms under different pitch angles (positive for clockwise pitch angle)

從表2可知：不同俯仰角入射條件下，各教室內(nèi)的紫外線輻射強度相差可達(dá)24%以上，在晴天、多云等天氣條件下，紫外線輻射強度最高的入射方式是水平入射.然而在陰天條件下，如2018年12月11日，當(dāng)日室外太陽輻射中紫外線輻射強度為3 320 mW·cm-2，經(jīng)上方入射進入勵學(xué)樓的122教室后，減弱為427 mW·cm-2，相當(dāng)于室外的12.9%；而經(jīng)水平入射進入316教室后，減弱為565 mW·cm-2，相當(dāng)于室外的17%，二者相差達(dá)24.4%.采取由下方向上入射的520教室，其紫外線輻射強度介于上述二者之間.

從表2還可知：在主要幾種典型天氣條件下，當(dāng)天空云量較大時，紫外線入射的比例較高.最高的是2019年1月7日和3月28日，這2天的天氣為陰和多云，室外紫外線輻射強度分別為160，30 mW·cm-2，而316教室的紫外線輻射強度分別達(dá)124，15 mW·cm-2，約為室外紫外線輻射強度的77.5%及50%.需要注意的是，雖然陰天、多云等天氣條件下室內(nèi)外紫外線的比值最高，但其紫外線的絕對值卻是較低的，與霧霾天接近.室內(nèi)、外紫外線輻射強度絕對值最高的天氣仍是晴天，如2018年12月11日，12日，以及2019年5月21日，其紫外線輻射強度分別達(dá)3 320，2 343和4 968 mW·cm-2.相應(yīng)地，入射到室內(nèi)的紫外線也遠(yuǎn)高于陰天、多云天.

2.3 不同水平方位角和俯仰角情況下的眩光情況比較

從本次實驗看，在眩光控制中，“智能鏡面”采取何種入射水平方位角將太陽輻射定向反射極為關(guān)鍵.在2018年12月12日12：00，天氣為晴、西南風(fēng)3級，大氣能見度為14.5 km,開展不同水平方位角入射條件下各教室的炫光測試(水平方位角以順時針為正)，得到如下幾點結(jié)果.

1) 118教室的入射光線為左側(cè)上方入射，水平方位角11°,主觀感受為無炫光、舒適，照度為11 810 lx.2) 316教室的入射光線為后方入射，水平方位角-35°,主觀感受為無眩光，但佩戴眼鏡者有輕微炫光，照度為5 450 lx.3) 318教室的入射光線為側(cè)方入射，水平方位角11°,主觀感受為有輕微炫光，照度為7 890 lx.4) 320教室的入射光線為前方入射，水平方位角21°,主觀感受為有明顯炫光，照度為9 080 lx.5) 516教室的入射光線為左后方入射，水平方位角-35°,主觀感受為無炫光、較舒適，照度為237 lx.

以上結(jié)果說明316教室、318教室和320教室的太陽輻射入射的俯仰角相同，水平方位角較大(前方入射)的320教室產(chǎn)生了明顯的眩光，而水平方位角較小(側(cè)方入射)的318教室其眩光不明顯，水平方位角最小(后方入射)的316教室眩光進一步減少.

入射俯仰角對眩光的控制有重要作用[18].實驗中，118教室、318教室及516教室分別采取了較大、較小及水平俯仰角入射等3種水平方位角入射方式，516還采取了向上入射將太陽輻射反射至室內(nèi)天棚的方式.從使用者的主觀評價看，在入射俯仰角較小的條件下，入射光對佩戴眼鏡者有明顯干擾，容易產(chǎn)生不適，但在較大俯仰角及水平入射等條件下均未有明顯眩光產(chǎn)生.例如，在316教室，其入射俯仰角為11°，在佩戴眼鏡時刻感覺到左側(cè)眼角處鏡框被照亮，取下眼鏡后不適消失，同時在水平方位角相同而俯仰角更小的516教室也沒有發(fā)生相似情況.

不同入射條件下各教室的眩光實景比較,如圖4所示.從圖4可知：關(guān)閉人工照明，不同入射方式下，各教室在桌面照度相差較大.以2018年12月12日為例，照度最大的是采取側(cè)上方入射的118教室，照度達(dá)11 810 lx，難以進行閱讀、書寫等教學(xué)活動；從上側(cè)后方入射的316教室桌面照度則減少為5 450 lx，可以進行閱讀、書寫等教學(xué)活動；桌面照度最小的是采取水平側(cè)后方入射的516教室，為237 lx，能較為舒適地進行閱讀、書寫等教學(xué)活動.

(a) 118教室 (b) 122教室 (c) 316教室

(d) 318教室 (e) 320教室 (f) 516教室圖4 不同入射條件下各教室的眩光實景比較Fig.4 Comparison of actual glare in classrooms under different incident conditions

3 結(jié)論

研究表明，采取不同入射方式改善建筑室內(nèi)的天然采光效果是可行的.不同入射方式下“智能鏡面”對太陽輻射利用中的照度、紫外線及眩光都有明顯不同，相差巨大，應(yīng)根據(jù)實際需要采取相適宜的入射方式.如果主要是為了改善天然采光效果，則宜采取在使用者側(cè)后方水平入射的方式，特殊情況下可以用下方入射方式；如果要兼顧天然采光和防止炫光，則宜采取在使用者的左后方、左側(cè)上方等入射方式.

實驗表明，太陽輻射在入射前、后的照度、紫外線輻射強度的衰減不同.照度衰減主要受大氣能見度影響，其室內(nèi)、外太陽輻射照度的最大比值可達(dá)69%以上.紫外線輻射強度則不論在晴天、陰天或輕度霧霾天氣條件下，都有110～560 mW·cm-2的紫外線進入室內(nèi).實驗還發(fā)現(xiàn)，在陰天、霧霾天氣條件下，被反射進入室內(nèi)的照度及紫外線的絕對值顯著降低，且在多種入射方式下，使用者均可感受到炫光.