CN103743673B - 一种建筑物外遮阳构件透光率的模拟检测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑物外遮阳构件透光率的模拟检测方法，该方法由以下步骤组成：根据待测外遮阳建筑物及其外遮阳构件的外形按比例构建一外遮阳建筑物模型，然后，（1）在模拟地，根据待测外遮阳建筑物的实际朝向以及当前时刻外遮阳建筑物与太阳的相对位置关系转动外遮阳建筑物模型，使太阳高度角h与太阳方位角a均调为零；（2）根据待测外遮阳建筑物所处地理位置和模拟时刻计算出太阳高度角h与太阳方位角a；（3）在步骤（1）的基础上分别，使外遮阳建筑物模型绕水平轴线转动太阳高度角h，绕垂直于外遮阳建筑物模型底面的轴线转动太阳方位角a；（4）测得光斑面积，并用所测得的光斑面积除以模型对应遮阳部位的面积，即得透光率。

Description

一种建筑物外遮阳构件透光率的模拟检测方法及其装置

技术领域

本发明涉及利用光学手段测试材料透射阳光机率的方法，该方法适用于测试建筑物遮阳构件的透光率。

背景技术

随着地球与太阳位置关系的变化，建筑物通过设在其顶部和四周的开口（如窗户）获得太阳辐射的热量也在不停地变化，而建筑物获得太阳辐射热量的多少又是影响室内热舒适度的重要因素。因此，研究各种遮阳构件的透光率对于减少调节室内空气温度的能耗，提高室内热舒适度具有重要意义。

建筑物的遮阳系统包括外遮阳构件、玻璃的遮光性能及内遮阳设施（窗帘）等，其中外遮阳构件是建筑物的一种主要遮阳形式。现有的外遮阳构件分为固定遮阳系统和活动遮阳系统，根据遮阳构件的形式又可分为水平遮阳、竖直遮阳、综合式遮阳、挡板式遮阳。

现有计算遮阳构件影响的方法有计算法、图解法和模型试验等。计算法研究外遮阳系数时，首先要设计一个建筑基本模型，通过建筑能耗模拟计算程序对使用和不使用外遮阳构件的建筑进行模拟计算。在计算过程中要定义外遮阳的特性尺寸，求出遮阳尺寸比（遮阳尺寸比是指玻璃窗面到遮阳板顶端的垂直距离与遮阳板顶端到窗口对边的垂直距离比），对各种遮阳尺寸比的计算数据采用二次线性回归方程进行回归分析，得到外遮阳系数。但是，要采用计算法对外遮阳构件的全年的遮阳效果进行完整的评价，其计算工作量之大是可以预见的。图解法研究外遮阳系数是采用图形的投影关系研究外遮阳各时刻的阴影面积。图解法使用复杂，不便，特别是复杂构件的验证处理。试验法的是以热平衡的原理进行的，即建立一个带外窗的绝热房间，测试外窗带遮阳和不带遮阳进入的太阳辐射热量，从而评价外遮阳的遮阳效果。试验法的好处是可以针对各种遮阳构件，但它只能对有限的太阳位置进行模拟，且耗时长，装置复杂。

华南理工大学硕士研究生王珍吾在其学位论文《建筑外遮阳系数的光电法测试初探》中公开了一种采用光电探测器件建筑外遮阳构件透光率的方法，该方法通过一系列的实验找出了不同类型光电池的短路电流与阳光辐射照度之间的线性关系，然后利用一定照度下光电池的短路电流与透光率之间的线性关系计算出透光率。但是，由于不同时刻不同地理位置的阳光辐射照度是不同的，因此上述方法尚存在下属不足：1、由于不同照度下光电池的光电转换关系是不同的，因此无法建立不同时刻的阳光辐射照度与光电池的短路电流之间的线性关系；2、即使能够找到不同时刻的阳光辐射照度与光电池的短路电流之间的线性关系也仅局限于进行本地建筑外遮阳构件透光率的检测，即无法实现在本地检测外地建筑外遮阳构件的透光率。

发明内容

鉴于现有技术存在上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种建筑物外遮阳构件透光率的模拟检测方法，该方法不仅简单，而且可模拟检测任何时刻位于任何位置建筑物外遮阳构件的透光率。

本发明解决上述问题的技术方案如下：

一种建筑物外遮阳构件透光率的模拟检测方法，该方法由以下步骤组成：

根据待测外遮阳建筑物及其外遮阳构件的外形按比例构建一外遮阳建筑物模型，然后，

（1）在模拟地，根据待测外遮阳建筑物的实际朝向以及当前时刻外遮阳建筑物与太阳的相对位置关系转动外遮阳建筑物模型，使太阳高度角h与太阳方位角a均调为零，即，先使外遮阳建筑物模型的底面保持水平，再使外遮阳建筑物模型在水平面上的投影所指方向与待测外遮阳建筑物的北面所对方向一致，然后使外遮阳建筑物模型底面的法线指向太阳；

（2）根据待测外遮阳建筑物所处地理位置和模拟时刻计算出太阳高度角h与太阳方位角a；

（3）在步骤（1）的基础上分别，使外遮阳建筑物模型绕经过外遮阳建筑物模型底面形心或该形心正下方的东西方向的水平轴线转动步骤（2）所计算出的太阳高度角h，使外遮阳建筑物模型绕经过外遮阳建筑物模型底面形心且垂直于外遮阳建筑物模型底面的轴线转动步骤（2）所计算出的太阳方位角a；

（4）测得太阳光线经各外遮阳构件直射到外遮阳建筑物模型对应遮阳部位上所产生的光斑面积，并用所测得的光斑面积除以外遮阳建筑物模型对应遮阳部位的面积，即得模拟时刻待测外遮阳建筑物上外遮阳构件的透光率。

上述方案中，光斑面积可以通过照相法检测获得，也以采用光电法检测获得。其中，

所述照相法的具体步骤如下：用拍摄所述光斑的数码照片，再将数码照片转换成二值图，然后先根据图中位于阴影位置像素点的像素值和位于光斑位置像素点的像素值确定位于光斑位置像素点的数量，然后用该数量乘以一个像素点面积便得到所述的光斑面积。

所述光电法有以下两种方法：

第一种方法的具体步骤如下：按外遮阳模拟建筑物的对应遮阳部位的面积选择光电池板的面积，再将光电池板镶嵌在外遮阳模拟建筑物的对应遮阳部位，然后分别检测有外遮阳构件和无外遮阳构件情况下光电池板的短路电流I'_e和I_e，并按下式（Ⅰ）计算出光斑面积：

$\frac{I_e^{\′}}{I_e}=\frac{S_1}{S}---\left(I\right)$

式（Ⅰ）中，S₁为光斑面积，S为外遮阳模拟建筑物对应遮阳部位的面积。

第二种方法的具体步骤如下：按外遮阳模拟建筑物的对应遮阳部位的面积选择光敏元件的点阵模块的面积，再将点阵模块镶嵌在外遮阳模拟建筑物的对应遮阳部位，然后先根据点阵模块中位于阴影位置光敏元件的光电流和位于光斑位置光敏元件的光电流确定位于光斑位置光敏元件是数量，再用该数量乘以一只光敏元件所占面积便得到所述的光斑面积。

上述第二种方法中的光敏元件可以的光敏二极管、光敏三极管或光敏电阻。

由上面的描述可知，光电法需要面积较大的光电池板或光敏元件的点阵模块，而且需要改建才能重复使用，其成本之高是可以预见，而照相法只需要可长期使用的数码相机，成本十分低廉。因此，上述光斑面积的获得方法优选照相法。

为了更好地实施上述方法，本发明还提供一种实施本发明所述方法的检测装置，该装置包括底座、放置外遮阳建筑物模型的平台和设在平台与底座之间的三轴转动系统；该系统自上而下依次由第一旋转驱动装置、第二旋转驱动装置和第三旋转驱动装置连接组成，其中，所述的第一旋转驱动装置与其输出轴端面相对的侧面固定在第二旋转驱动装置输出轴的侧面，所述的第二旋转驱动装置与其输出轴平行的侧面固定在第三旋转驱动装置输出轴的端面；所述的平台的下表面固定在第一旋转驱动装置输出轴的端面，且第一旋转驱动装置输出轴与所述平台的上表面垂直；所述的第三旋转驱动装置与其输出轴端面相对的侧面固定在底座的上表面，且第三旋转驱动装置输出轴与所述底座的下表面垂直。

上述装置中，所述的第一旋转驱动装置与第二旋转驱动装置之间更稳定的连接结构为：第一旋转驱动装置与其输出轴端面相对的侧面上设有一倒U形的连接架，该连接架跨于第二旋转驱动装置的上部，其底部固定在第一旋转驱动装置上，两根侧根的头部其分别与第二旋转驱动装置输出轴两伸出端固定连接。

为了便于外遮阳建筑物模型在所述平台上定位方便，本发明所述的装置还包括一固定在所述的平台上表面边缘的指南针。

为了便于保证外遮阳建筑物模型底面形心位于所述第三旋转驱动装置输出轴的轴心线的延长线上，本发明所述的装置的平台上设有十字线定位标记，该十字线定位标记的十字线交叉点位于所述第一旋转驱动装置输出轴的轴心线的延长线上。

上述检测装置还可以包括一控制器，该控制器依次由工业计算机、RS—485接口、单片机和脉冲驱动电路，其中，工业计算机经RS—485接口与单片机的RXD、TXD和INT0端口连接，脉冲驱动电路的输入端与单片机的一组I/O口连接，脉冲驱动电路的输出端输出三路脉冲信号分别驱动第一、第二和第三旋转驱动装置。

采用上述控制装置控制所述检测装置的方法如下所述：

（1）先将所述的装置的底座放置在水平面上，再将所述的外遮阳建筑物模型放置在所述平台的上，并使外遮阳建筑物模型的底面平台上表面紧密贴合，而且，外遮阳建筑物模型底面的形心位于第一旋转驱动装置输出轴的延长线上，外遮阳建筑物模型对应于待测外遮阳建筑物南面的侧面所指方向垂直于所述第二旋转驱动装置的输出轴；然后，通过工业计算机向单片机发出指令，控制第二旋转驱动装置转动，使得所述平台的上表面处于水平状态；

（2）再通过工业计算机向单片机发出指令，控制第二和第三旋转驱动装置转动，先使外遮阳建筑物模型在平台上的投影所指方向与外遮阳建筑物模型南北面所对方向一致，然后使所述平台的上表面的法线指向太阳；

（3）向工业计算机输入待测外遮阳建筑物所在地的经度、纬度、标准时间、标准时间地区的经度和模拟地与标准时间地区的时差，由工业计算机计算出太阳高度角h与太阳方位角a，然后控制第一和第二旋转驱动装置转动，使得第二旋转驱动装置转动待测外遮阳建筑物所处地理位置和当前时刻的太阳高度角h，使得第一旋转驱动装置转动待测外遮阳建筑物所处地理位置和当前时刻的太阳方位角a；

（4）采用照相法测得外遮阳建筑物模型上各外遮阳构件在外遮阳建筑物模型对应遮阳部位上所产生的光斑面积，并用所测得的光斑面积除以外遮阳建筑物模型对应遮阳部位的面积，即得当前时刻待测外遮阳建筑物上的外遮阳构件的透光率。

本发明相较于现有技术具有以下有益效果：

1、在同一地点可对任何位置的建筑物进行模拟检测，既可节约时间和差旅费，又可避免现场检测的诸多困难；

2、便于设计人员根据建筑物的具体形状结构以及建筑物所处地理位置的气候进行比较实验，拟定节能效果最好的外遮阳构件的设计方案。

3、由于外遮阳构件种类繁多、结构复杂，因此本发明所述方法较采用软件模拟方法，既简单又准确。

附图说明

图1为本发明所述外遮阳建筑物模型的一种具体结构示意图。

图2～4为本发明所述检测装置的一种具体实施例的结构示意图，其中，图2为主视图，图3为左视图，图4为俯视图。

图5为本发明所述控制器的一种具体实施例的电路结构框图。

图6为图2～4所示检测装置进行透光率检测的使用状态图。

具体实施方式

例1(方法例)

按甲地的建筑物及其外遮阳构件的外形按比例构建一缩小的外遮阳建筑物模型，该模型如图1所示。参见图1，将外遮阳建筑物模型1的八个角分别冠以编号M、N、O、P、Q、R、U和V，再假设外遮阳建筑物模型1上的OPVU、PMQV、MNRQ和NOUR四个侧面依次对应甲地建筑物的东、南、西和北四个侧面，外遮阳建筑物模型1底面MNOP的形心为w，原点为w的坐标系xyz为直角坐标系。然后，按以下步骤检测甲地建筑物四个侧面及屋顶上窗户2的外遮阳构件3的透光率：

（1）在乙地，根据待测外遮阳建筑物的实际朝向以及当前时刻外遮阳建筑物与太阳的相对位置关系转动外遮阳建筑物模型1，即，先使外遮阳建筑物模型1的底面MNOP保持水平，再使外遮阳建筑物模型1在水平面上的投影所指方向与待测外遮阳建筑物的正北面，即外遮阳建筑物模型1的侧面NOUR所对方向一致，然后使外遮阳建筑物模型1底面MNOP的法线指向太阳，即使图1中z轴的正方向指向太阳；

（2）根据待测外遮阳建筑物在甲地的地理位置和当前时刻计算出太阳高度角h与太阳方位角[本步骤中的计算方法为公知技术，具体计算参见实施例2中的公式（Ⅱ）和（Ⅲ）]；

（3）在步骤（1）的基础上分别，使外遮阳建筑物模型1绕y轴线转动步骤（2）所计算出的太阳高度角h，使外遮阳建筑物模型绕z轴线转动步骤（2）所计算出的太阳方位角a；按地理学中关于太阳高度角和太阳方位角的定义，当h为正值时使外遮阳建筑物模型1绕y轴线顺时针转动，当h为负值时使外遮阳建筑物模型1绕y轴线逆时针转动；当a为正值时使外遮阳建筑物模型1绕z轴线顺时针转动，当a为负值时使外遮阳建筑物模型1绕z轴线逆时针转动；

（4）采用数码相机拍摄太阳透射到外遮阳建筑物模型1的各侧面OPVU、PMQV、MNRQ和NOUR窗户2上所产生的光斑的四幅数码照片，然后将所获得的数码照片导入计算机，再用Motic图像分析处理软件按以下方法将每一幅图片进行处理，获得每一窗户面积和每一窗户上的光斑面积：将数码照片转换成二值图，再统计窗户2的窗口范围内位于阴影位置像素点的像素值和位于光斑位置像素点的像素值的范围，然后搜索并统计像素值落在光斑位置像素点的像素值的范围的像素点的数量，再用该数量乘以一个像素点面积便得到所述的光斑面积；测得各外遮阳构件3在对应的窗户2上所产生的光斑面积后按以下公式计算模拟时刻位于甲地待测外遮阳建筑物上外遮阳构件的透光率X_s：

上式中，n为大于零自然数，表示外遮阳构件的序号，s_n为外遮阳建筑物模型1的侧面OPVU、PMQV、MNRQ和NOUR上对应的窗户2的面积，该面积可在外遮阳建筑物模型1上实测得到；s'_n依次为各外遮阳构件3在外遮阳建筑物模型1的侧面OPVU、PMQV、MNRQ和NOUR上对应的窗户2上所产生的光斑面积。

例2(装置例)

参见图2～4，本例中实施本发明所述方法的检测装置包括底座5、放置外遮阳建筑物模型的矩形的平台4和设在平台与底座之间的三轴转动系统，该三轴转动系统自上而下依次由第一旋转驱动装置6、第二旋转驱动装置7和第三旋转驱动装置8连接组成。其中，第一旋转驱动装置6与其输出轴9端面相对的侧面上设有一倒U形的连接架12，该连接架12跨于第二旋转驱动装置7的上部，其底部固定在第一旋转驱动装置6上，两根侧根的头部其分别与第二旋转驱动装置7输出轴10两伸出端的端面固定连接；第二旋转驱动装置7与其输出轴10平行的侧面固定在第三旋转驱动装置8输出轴11的端面；平台4的下表面固定的第一旋转驱动装置6输出轴9的端面，且平台4的上表面与第一旋转驱动装置6输出轴9垂直；第三旋转驱动装置8与其输出轴11端面相对的侧面固定在底座5的上表面，且第三旋转驱动装置8输出轴11与底座5的下表面垂直。

参见图2～4，矩形的平台4上表面的一拐角上设有指南针13，中部设有一十字线标记14，十字线标记14的交叉点位于第一旋转驱动装置6输出轴9的轴心线上。

本例所述的检测装置还包括一如图5所示的控制器，该控制器依次由工业计算机、RS—485接口、单片机和脉冲驱动电路，其中，工业计算机经RS—485接口与单片机的RXD、TXD和INT0端口连接，脉冲驱动电路的输入端与单片机的一组I/O口连接，脉冲驱动电路的输出端输出三路脉冲信号分别驱动第一、第二和第三旋转驱动装置。

以下参见图5～6并结合图1～4简要摸索采用上述检测装置实施本发明所述的方法的步骤：

（1）先将检测装置15的底座5放置在水平面上，再将外遮阳建筑物模型1放置在平台4的上，并同时保证，外遮阳建筑物模型1底面MNOP的形心w与十字线标记14的交叉点重合，外遮阳建筑物模型1对应于待测外遮阳建筑物南面的侧面所指方向垂直于所述第二旋转驱动装置7的输出轴10；然后，通过工业计算机向单片机发出指令，控制第二旋转驱动装置7转动，使得平台4的上表面处于水平状态；

（2）再通过工业计算机向单片机发出指令，控制第二旋转驱动装置7和第三旋转驱动装置8转动，同时观察指南针13，使外遮阳建筑物模型1在平台上的投影所指方向与外遮阳建筑物模型1正北面所对方向一致，然后使所述平台4的上表面的法线指向太阳；

（3）向工业计算机输入待测外遮阳建筑物所处地理位置的待测外遮阳建筑物所在地的经度、纬度、标准时间、标准时间地区的经度和模拟地与标准时间地区的时差，由工业计算机按下述已知公式（Ⅱ）和（Ⅲ）计算出太阳高度角h与太阳方位角a，然后控制第一旋转驱动装置6和第二旋转驱动装置7转动，使得第二旋转驱动装置7转动待测外遮阳建筑物所处地理位置和当前时刻的太阳高度角h，使得第一旋转驱动装置6转动待测外遮阳建筑物所处地理位置和当前时刻的太阳方位角a，

sinh=sinj*sind+cosd*cosw*cosj（Ⅱ）

$\sin a=\frac{\cos d\sin w}{\cosh }---\left(\mathrm{III}\right)$

上式（Ⅱ）和（Ⅲ）中，d为赤纬角并由公式[式中n为计算日在一年中的日期序号]算出，w为太阳时角并由公式[式中，H_s为待测外遮阳建筑物所在地区的标准时间，L为待测外遮阳建筑物所在地的经度，L_s为标准时间地区的经度，e为模拟地与标准时间地区的时差，单位为min]算出，j为待测外遮阳建筑物所在地的纬度；

（4）采用照相法逐一测得外遮阳建筑物模型1上四个外遮阳构件3在外遮阳建筑物模型1对应窗户2上所产生的光斑面积，并用各窗户所得到的光斑面积和除以外遮阳建筑物模型1上对应的窗户2的面积，即得待测外遮阳建筑物上的外遮阳构件的透光率。

上述方法中，所述的光斑面积的获得方法以及透光率的具体计算方法参见实施例1的步骤（4）。

Claims (7)

1.一种建筑物外遮阳构件透光率的模拟检测方法，该方法由以下步骤组成：

根据待测外遮阳建筑物及其外遮阳构件的外形按比例构建一外遮阳建筑物模型，然后，

(1)在模拟地，根据待测外遮阳建筑物的实际朝向以及当前时刻外遮阳建筑物与太阳的相对位置关系转动外遮阳建筑物模型，即，先使外遮阳建筑物模型的底面保持水平，再使外遮阳建筑物模型在水平面上的投影所指方向与待测外遮阳建筑物的正北面所对方向一致，然后使外遮阳建筑物模型底面的法线指向太阳；

(2)根据待测外遮阳建筑物所处地理位置和模拟时刻计算出太阳高度角h与太阳方位角α；

(3)在步骤(1)的基础上分别，使外遮阳建筑物模型绕经过外遮阳建筑物模型底面形心或该形心正下方的东西方向的水平轴线转动步骤(2)所计算出的太阳高度角h，使外遮阳建筑物模型绕经过外遮阳建筑物模型底面形心且垂直于外遮阳建筑物模型底面的轴线转动步骤(2)所计算出的太阳方位角α；

(4)采用照相法测得太阳光线经各外遮阳构件直射到外遮阳建筑物模型对应遮阳部位上所产生的光斑面积，并用所测得的光斑面积除以外遮阳建筑物模型对应遮阳部位的面积，即得模拟时刻待测外遮阳建筑物上外遮阳构件的透光率；

上述模拟检测方法不包括模拟地当前时刻透光率的模拟检测方法。

2.根据权利要求1所述的一种建筑物外遮阳构件透光率的模拟检测方法，其特征在于，光斑面积采用下述照相法检测获得：用拍摄所述光斑的数码照片，再将数码照片转换成二值图，然后先根据图中位于阴影位置像素点的像素值和位于光斑位置像素点的像素值确定位于光斑位置像素点的数量，然后用该数量乘以一个像素点面积便得到所述的光斑面积。

3.一种实施权利要求1所述方法的检测装置，该装置包括底座、放置外遮阳建筑物模型的平台和设在平台与底座之间的三轴转动系统；该系统自上而下依次由第一旋转驱动装置、第二旋转驱动装置和第三旋转驱动装置连接组成，其中，所述的第一旋转驱动装置与其输出轴端面相对的侧面固定在第二旋转驱动装置输出轴的侧面，所述的第二旋转驱动装置与其输出轴平行的侧面固定在第三旋转驱动装置输出轴的端面；所述的平台的下表面固定在第一旋转驱动装置输出轴的端面，且第一旋转驱动装置输出轴与所述平台的上表面垂直；所述的第三旋转驱动装置与其输出轴端面相对的侧面固定在底座的上表面，且第三旋转驱动装置输出轴与所述底座的下表面垂直。

4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于，所述的第一旋转驱动装置与第二旋转驱动装置之间的连接结构为：第一旋转驱动装置与其输出轴端面相对的侧面上设有一倒U形的连接架，该连接架跨于第二旋转驱动装置的上部，其底部固定在第一旋转驱动装置上，两根侧根的头部分别与第二旋转驱动装置输出轴两伸出端固定连接。

5.根据权利要求3或4所述的检测装置，其特征在于，所述的平台上设有十字线定位标记，该十字线定位标记的十字线交叉点位于所述第一旋转驱动装置输出轴的轴心线的延长线上。

6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，所述的检测装置还包括一固定在所述的平台上表面边缘的指南针。

7.根据权利要求6所述的检测装置，其特征在于，所述的检测装置还包括一控制器，该控制器依次由工业计算机、RS—485接口、单片机和脉冲驱动电路，其中，工业计算机经RS—485接口与单片机的RXD、TXD和INT0端口连接，脉冲驱动电路的输入端与单片机的一组I/O口连接，脉冲驱动电路的输出端输出三路脉冲信号分别驱动第一、第二和第三旋转驱动装置。