CN103759959A - 一种镜箱式全阴天模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镜箱式全阴天模拟装置，包括光学反射结构、电光源、光漫射膜和框架结构；框架结构为围合结构，围合结构的水平截面为正多边形或圆形；框架结构空间顶部设有电光源，电光源下端设有光漫射膜；光学反射结构为设置在围合结构空间内侧的镜面反射材料，镜面反射材料由多片平面镜无缝连接组成，镜面反射材料与铅垂线成0.77°夹角；光学反射结构上端连接光漫射膜，下端位于受测模型放置平台高度下端。本发明通过围合的镜面结构无限次反射顶部均匀发光面的机理，准确地模拟了国际照明学会颁布的标准全阴天天空亮度分布情况；本发明具有体积小、结构巧、亮度分布准确等优点，可用于模拟全阴天时的天空亮度分布情况。

Description

一种镜箱式全阴天模拟装置

技术领域

本发明涉及一种模拟天空亮度的人工装置，特别是涉及一种全阴天天空亮度模拟装置，具体是一种镜箱式全阴天天空亮度分布模拟装置，该装置用于建筑采光的模拟测试，在有限的人工空间中模拟了全阴天的天空亮度分布情况，属于建筑技术科学中的建筑光学领域。

背景技术

建筑采光实验平台是建筑采光研究与设计的基础。建筑采光是营造建筑光环境的最重要因素：一方面，高效利用自然光可节省建筑照明能耗，我国通常情况下建筑总能耗中约20%～40%用于人工照明，因此高效采光对于照明能耗的降低潜力巨大；另一方面，自然光照明可以提供更为舒适、健康的光环境，有利于人体的生理健康、心情愉悦以及视力保护。根据国内现状调查：在室外自然光充足的工况下依然有大量建筑使用电光源进行照明，究其原因欠佳的建筑采光设计难辞其咎，而我国系统性的采光设计理论水平低、应用技术不成熟则是更深层次的原因，而这些问题的解决都依赖于基础的建筑采光研究测试平台。建筑采光研究主要以全阴天为测试环境基础，因此一套可准确模拟全阴天天况的实验装置是开展建筑采光研究的基础。人工天空的设计需解决一下两个方面的要求：

（1）如何在“小空间”内模拟“大天空”

人工天空要求在有限的空间内模拟天空的亮度分布，传统的天穹式人工天空构造简单，但通常情况下形体庞大，且测试有效空间较小，仅适用于小比例测试模型，使得该类人工天空的应用受到一定的限制。

（2）如何准确地模拟标准的天空亮度分布

全阴天天况是建筑采光研究最常用到的天空亮度模型，是建筑采光系数测量的背景条件，而人工天空内的光环境分布如何准确符合CIE标准全阴天亮度分布数学模型是人工天空的关键技术。由于光环境营造方式的限制，传统的穹顶型人工天空难于准确实现CIE标准的天空亮度分布，易导致采光系数测量结果失准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镜箱式全阴天模拟装置，为建筑采光研究与测试提供准确易用的平台，在有限的空间内提供符合CIE标准的全阴天模拟，使建筑物采光系数的测量真实准确。

本发明通过创造性的结构设计，运用光学镜面成像原理，利用电光源材料，在小空间内实现了CIE标准全阴天的模拟，有效功能空间大，并且从光环境的形成机制上保证了装置内“天空”亮度分布的准确性。模拟的准确在小空间内准确模拟全阴天天况的新型人工天空。本发明所提出的新型人工天空可成为建筑采光实验的基础平台。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的。

一种镜箱式全阴天模拟装置，包括光学反射结构、电光源、光漫射膜和框架结构；框架结构为围合结构，围合结构的水平截面为正多边形或圆形；框架结构与光漫射膜和地面构成封闭空间；框架结构空间顶部设有电光源，电光源下端设有光漫射膜；光学反射结构为设置在围合结构空间内侧的镜面反射材料，镜面反射材料由多片平面镜无缝连接组成，镜面反射材料与铅垂线成0.77°夹角；光学反射结构上端连接光漫射膜，下端位于受测模型放置平台高度下端；光学反射结构的高度要求不小于围合结构平面宽度的一半。

优选地，所述电光源设置在光漫射膜的上端300mm处。所述电光源为线形光源、点光源或平面光源；线形光源优选荧光灯管、EFFL、LED线条灯；点光源优选紧凑型荧光灯或点状LED灯；平面光源优选LED导光板。

所述光学反射结构的上沿平齐，与漫透射膜连接。

所述平面镜的材料为玻璃镜或剖光金属板。

所述受测模型放置平台的高度为1.2‐1.5米。

本发明具有如下优点和有益效果：

（1）本发明在有限空间内实现了无限大的天空光环境模拟，通过镜面无限次反射的原理营造全阴天天况。相比传统的天穹式人工天空更加先进，适用于更大比例的建筑模型，可广泛适用于建筑采光的研究与测试。

（2）由于通过无限次反射装置顶部的均匀亮度发光平面，因此本装置光环境分布准确符合CIE标准全阴天天空亮度的数学模型，而传统天穹式人工天空光环境亮度依靠灯具投射难于精确控制。

（3）全阴天模拟装置是建筑采光研究的基础工具与测试平台，该发明建立了结构简单效果准确的建筑采光研究与测试环境，有利于采光分析与建筑照明节能设计。

附图说明

图1为镜箱式全阴天模拟装置的纵向剖面示意图；

图2为镜箱式全阴天模拟装置的爆炸图；

图3为光环境亮度分布值与CIE标准全阴天亮度分布值对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，需要说明的是，具体实施方式并非对本发明要求保护范围的限定。

如图1、2所示，一种镜箱式全阴天模拟装置，包括光学反射结构1、电光源2、光漫射膜3和框架结构4；框架结构4为围合结构，围合结构的水平截面为正方形；框架结构4与光漫射膜3和地面构成封闭空间；框架结构4空间顶部设有电光源2，电光源2下端设有光漫射膜3；光学反射结构1为设置在围合结构空间内侧的镜面反射材料，镜面反射材料由多片平面镜无缝连接组成，镜面反射材料与铅垂线成0.77°夹角；光学反射结构1上端连接光漫射膜3，下端位于受测模型放置平台高度下端；光学反射结构1的高度要求不小于围合结构平面宽度的一半。

平面镜的材料，不限于玻璃镜，可为剖光金属板等。平面镜的反射率R_mirror优选为0.80，平面镜之间紧密拼接，不留缝隙，即平面镜之间交角处准确对接，没有非镜面反射材料露出。

围合结构4平面宽度取决于受测模型的实际尺寸，以比例尺不大于1:50的建筑缩比模型为例，围合结构的平面宽度要求不小于2.5米；受测模型放置平台的高度通常为1.2‐1.5米；光学反射结构1的下沿高度（距离地面的位置高度）不高于受测模型放置平台高度，光学反射结构1的上沿平齐，与漫透射膜3连接。

电光源2设置在光漫射膜3的上端300mm处，电光源的类型可为线形光源、点光源或平面光源；线形光源优选荧光灯管、EFFL、LED线条灯；点光源优选紧凑型荧光灯或点状LED灯；平面光源优选LED导光板。

在装置顶部电光源与光学反射结构1之间设置的均匀漫透射膜材料优选为半透射材料，该膜材料需紧密遮盖于围和空间上沿，与平面镜上沿连接。

本发明中围合空间顶部的均匀发光平面经过围合结构内壁的镜面材料的多次反射形成该围合空间内的光环境，当反射材料的反射率R_mirror=0.80时，且该平面反射材料与铅垂线的夹角ａ为0.77°，通过光学分析与测量，则可得知该情况下围合结构内的光环境分布为图3中所示。该情形可近似认为符合CIE标准全阴天亮度分布数学公式，可作为建筑采光的研究环境。

如图3所示，围合内光环境亮度分布近似符合CIE标准全阴天亮度分布数学公式，既：

$L_{\mathrm{\θ}}=\frac{1+2\sin \mathrm{\θ}}{3}\·L_z$

式中：L_z——天顶亮度；

L_θ——测点切面与地面呈θ角处的天空亮度；

θ——测点切面与地面的夹角；

本发明由于通过无限次反射装置顶部的均匀亮度发光平面，因此本装置光环境分布准确符合CIE标准全阴天天空亮度的数学模型，而传统天穹式人工天空光环境亮度依靠灯具投射难于精确控制。本发明在有限空间内实现了无限大的天空光环境模拟，通过镜面无限次反射的原理营造全阴天天况。相比传统的天穹式人工天空更加先进，适用于更大比例的建筑模型，可广泛适用于建筑采光的研究与测试。本发明全阴天模拟装置是建筑采光研究的基础工具与测试平台，该发明建立了结构简单效果准确的建筑采光研究与测试环境，有利于采光分析与建筑照明节能设计。

Claims (6)

1.一种镜箱式全阴天模拟装置，其特征在于包括光学反射结构、电光源、光漫射膜和框架结构；框架结构为围合结构，围合结构的水平截面为正多边形或圆形；框架结构与光漫射膜和地面构成封闭空间；框架结构空间顶部设有电光源，电光源下端设有光漫射膜；光学反射结构为设置在围合结构空间内侧的镜面反射材料，镜面反射材料由多片平面镜无缝连接组成，镜面反射材料与铅垂线成0.77°夹角；光学反射结构上端连接光漫射膜，下端位于受测模型放置平台高度下端；光学反射结构的高度要求不小于围合结构平面宽度的一半。

2.根据权利要求1所述的镜箱式全阴天模拟装置，其特征在于，所述电光源设置在光漫射膜的上端300mm处。

3.根据权利要求1或2所述的镜箱式全阴天模拟装置，其特征在于，所述电光源为线形光源、点光源或平面光源；线形光源优选荧光灯管、EFFL、LED线条灯；点光源优选紧凑型荧光灯或点状LED灯；平面光源优选LED导光板。

4.根据权利要求1所述的镜箱式全阴天模拟装置，其特征在于，所述光学反射结构的上沿平齐，与漫透射膜连接。

5.根据权利要求1所述的镜箱式全阴天模拟装置，其特征在于，所述平面镜的材料为玻璃镜或剖光金属板。

6.根据权利要求1所述的镜箱式全阴天模拟装置，其特征在于，所述受测模型放置平台的高度为1.2‐1.5米。

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