CN105549293A - 一种人体工效学智能窗系统的设计搭建方法 - Google Patents

一种人体工效学智能窗系统的设计搭建方法 Download PDF

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Abstract

一种人体工效学智能窗系统的设计搭建方法，属于功能材料技术领域。整个系统可分：电致变色器件、感应器和中央处理单元、控制单元、电源。根据人体工效学计算出人体最适于的自然光照，通过所建立的数学模型控制电致变色器件，变色器件可改变颜色来调控进入屋内的太阳光。系统根据不同光照而进行相应变化，实现不同光谱区域的光谱峰位和强度的调控，同时进行数据的收集与分析，进而可以调整室内的亮度和温度，减少了照明和控温用电。而且此系统有利于发展高效的电致变色器件，为智能窗系统的普及和智能建筑材料的快速发展提供动力。

Description

一种人体工效学智能窗系统的设计搭建方法
技术领域
本发明涉及人体工效学智能窗系统的设计搭建方法，属于功能材料技术领域。
背景技术
太阳是生命之源，它以无尽的光和热哺育着地球上的所有生物。现在，长期生活在水泥建筑中人们越来越意识到自然环境的重要性。为了追求高质量的生活，大家开始关心周围环境对自身的影响，体感作为人体感觉的一种，是环境因素经感觉器官传递到神经中枢后认为外界的实际冷热及光亮程度，也是决定人体舒适度的最主要因素。近年来许多研究表明，适度的自然光辐射和开阔的视野，是人们生理上和心理上长期感到舒适满意的关键因素。此外，与外界环境保持高度的联系，让人透过窗户看见室外的景物，是保证人工作效率的高，身心舒畅的重要条件。因此，现代建筑中采用大面积玻璃窗和玻璃幕墙，天然光通过玻璃入射到室内，不仅使室内光线充足，创造出明亮的光环境，而且使室内外空间取得了流通的效果。但是，这种带来较好的视野和较大进光量的同时，其缺点也是十分明显的。由于，季节、地域、时间的不同，太阳光辐射到地面的辐照有很大的区别，但目前玻璃对太阳透射系数、遮阳系数等固定，无法实现主观动态的调节，从而不仅降低了室内的采光质量和舒适度，而且增加了为调节室内亮度和温度的所造成的巨大能耗，这与人们所追求的相差甚远。
因此，发展具有符合人体工效学高效智能的窗户系统，对于坚持以人为本的我国，既能充分满足人们对室内环境的生理上和心理上长期感到舒适满意有效，也有利于减少建筑能耗，保护好环境。人体工效学是探讨人与环境尺度之间关系的一门学科。从空间环境设计的角度来说，人体工程学的主要功用在于通过对于生理和心理的正确认识，使空间环境因素适应人类生活活动的需要，进而达到提高空间环境质量和人体舒适度的目标。
电致变色器件(ElectrochromicDevice,ECDevice)在外加电场的作用下发生稳定、可逆颜色变化的现象。由于其具有对透射光强度的连续可调性、能量损耗低、具有开路记忆功能等特点，其可实现人为主动控制太阳光进光量与光谱范围，完全符合寒热带、四季变换与使用者个人意志下的所有需求，因此，将人体工效学与电致变色器件相结合，可以满足人们在不同季节、地域、时间下，对适度自然光照及生理上和心理上舒适度需求也有利于减少建筑能耗，保护好环境。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种人体工效学智能窗系统的设计搭建方法。其可以满足人们在不同季节、地域、时间下，对适度自然光照及生理上和心理上舒适度需求。其系统搭建科学，功能完善，适合于大规模生产应用。
本发明所提供的人体工效学智能窗系统的设计搭建方法，包括以下步骤：
1)WO3/NiO电致变色器件的制备
采用溶胶凝胶法制备WO3、NiO薄膜，将所制备薄膜用于器件的组装，其中5层膜电致变色器件结构为：玻璃/ITO/NiO/LiClO4+PC+PMMA/WO3/ITO/玻璃；在含有LiClO4的PC溶液中加入PMMA，不断搅拌并加热至60～80℃，在60～80℃下连续搅拌得凝胶型固态电解质LiClO4+PC+PMMA；将镀有NiO薄膜的ITO玻璃和镀有WO3薄膜的ITO用凝胶型固态电解质LiClO4+PC+PMMA相对粘合在一起，器件四周用环氧树脂密封；将器件在90～120℃下干燥2小时后，使溶胶完全固化，制备得到电致变色器件。
2)人体工效学智能窗系统的搭建
人体工效学智能窗系统主要包括：电致变色器件、感应器、中央处理单元、控制单元和电源，电致变色器件安装在房屋体系上，将感应器件和电致变色器件、房屋体系内的环境进行整合搭建，感应器和中央处理单元连接，中央处理单元通过控制单元和电致变色器件连接，电致变色器件、感应器、中央处理单元、控制单元等均和电源连接；其中电致变色器件主要用于对进入室内的太阳光调节，其可对光的强度和波段进行调控从而调节室内的温度和亮度；感应器分为光感应器(用于测太阳光)和温度感应器(用于测室内温度)；中央处理单元为系统的智能控制系统，通过建立的数学模型将所测数据和实际需求相结合，计算出最优的值并转化为电压信号传输给控制单元，控制单元通过给电致变色器件输出不同的电压来改变其不同的颜色状态进而实现智能控制。
(3)根据人体工效学计算出步骤(2)房屋体系内人体所最适于的温度、亮度，并将其与人体工效学智能窗系统结合起来建立数学模型，建立自然阳光、室内人体所最适于的温度、亮度以及电压信号之间的数学模型，从而实现根据不同光照而进行相应变化的人体工效学高效智能窗户系统。
整个系统如附图1所示，整个系统以硬件的搭建为基础，数学模型建立为核心。
数学模型的建立通过大量的实验数据或/和数学计算建立模型。
进一步优选：建立数学模型：
以昼光眩光指数(DGI)作为人体感知光的舒适度为主要参考因素，
无炫光舒适度E:
E＝0.92exp(-1.66×10-4Ls)(1)
其中Ls为窗亮度(人眼观察窗外时，窗的亮度)；
不适炫光指数DGI：
DGI＝27.0+3.17ln(-ln(E/0.9))(2)
Ls＝[Es/(π×φ))]×T(V，λ)(3)
其中Es为窗外光照度，T(V，λ)为不同电压、波长下的透过率，φ为与窗高度、宽度以及离窗位置相关的系数；
另一方面，相对于传统玻璃，此种变色玻璃的优势在于负载电压的作用下对可见光部分能够进行较大的吸收，减少了太阳光对室内的辐射，从而降低室内的温度。这一点，对于夏天光照高层向阳建筑极为有利。
其中，以太阳光直射辐射模型作为第二个参考因数，(不考虑地面与天空的散射)：
对于接受阳光的倾角为θ的某一平面，其所接受的太阳光直射辐射强度IDθ表示为
IDθ＝IDN×cosβ＝(I0×pm)×cosβ(4)
β为太阳光入射角，I0太阳初始直射辐照强度，p为大气入射指数，与大气层厚度、消光系数等多种不确定因素有关，m为大气指数，IDN为太阳直射辐照强度；
则通过玻璃的辐射量I表示为：
I＝(1-R(V，λ)-T(V，λ))IDθ(5)
R(V，λ)、T(V，λ)为不同电压、波长下变色玻璃的反射系数与透射系数；加入电压之后，对紫外光与可见光具有较强的阻挡，降低室内所受的辐射量。不同的电压的数值(小于最大工作电压)能够不同程度的吸收太阳辐射；在室内安装温度感应器，并与电致变色玻璃进行智能连接，进行实时监控室温。从而在一定程度上减少空调的电耗，从而达到绿色节能的效果。
集中将参考因数进行整合，以感应器实测数据，如昼光眩光指数(DGI)、室内温度(t)等为基础数据，建立算法，计算出室内最优的亮度及温度值，结合所制备器件实测的光学特性(T(V，λ))，算出此时所需电致变色器件的透过率值，并转化为器件所需响应的电压信号；整个模型以感应器件实时所测数据和器件性能数据为基础，结合最优环境数据值而搭建的数学模型。
所述数学模型如下：
A×F1(DGI，E，Ls，T)+B×F2(t，T)＝G(V)(6)
其中A,B为两个函数的耦合系数，T为透射率，F1(DGI,E,Ls，T)是以炫光系数为标准的电压控制函数,F2(t，T)是以室内温度t为参考的电压控制函数，通过G(V)供给电压函数来调节适合人光热舒适度环境。
步骤1)中n(LiClO4):v(PC):m(PMMA)＝0.6mol:20ml:8.5g。
步骤1)不断搅拌并加热至60～80℃(优选80℃)，在60～80℃(优选80℃)下连续搅拌得凝胶型固态电解质。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、本发明将人体工效学与电致变色器件相结合，可实现对射入室内的太阳光进行智能控制，根据个体的需要进行调光从而获得最适人体的自然光照。
2、根据变色器件和系统模型的建立，分别针对可见和近红外两个不同能量区域加以调控，实现不同光谱区域的光谱峰位和强度的调控，同时进行数据的收集与分析。进而可以调整室内的亮度和温度，减少了照明和控温用电。
3、本发明，通过改变电压对于太阳光中能量较高的紫外可见光部分能够进行充分的吸收，能够一定量的减少室内所受太阳光的高温热辐射，能够寄到绿色节能的作用。
4、整体系统装置易于操作，原料成本低，具有高效节能的用途且对环境无污染，可重复性高，适合于大规模工业化生产。
附图说明
图1为人体工效学智能窗系统的设计搭建模型示意图。
图2为电致变色器件不同状态下的光谱图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于以下实施例。
1)WO3/NiO电致变色器件的制备
采用溶胶凝胶法制备WO3、NiO薄膜，将所制备薄膜用于器件的组装，其中5层膜结构的电致变色器件结构为：玻璃/ITO/NiO/LiClO4+PC+PMMA/WO3/ITO/玻璃。在20ml0.6mol/LLiClO4的PC溶液中加入8.5gPMMA，不断搅拌并加热至80℃，在80℃下连续搅拌得凝胶型固态电解质。将镀有NiO薄膜的ITO玻璃和镀有WO3薄膜的ITO用凝胶型固态电解质相对粘合在一起，器件四周用环氧树脂密封。将器件在120℃下干燥2小时后，使溶胶完全固化，制备得到电致变色器件。
2)人体工效学智能窗系统的设计搭建模型(见附图1)
将感应器件和电致变色器件进行整合搭建，根据人体工效学计算出人体所最适于的自然光照，并将其与硬件系统建立数学模型，搭建根据不同光照而进行相应变化的人体工效学高效智能窗户系统。如附图1所示，整个系统可分为几大部分：电致变色器件、感应器、中央处理单元、控制单元和电源组成。其中电致变色器件主要用于对进入室内的太阳光调节，其可对光的强度和波段进行调控从而调节室内的温度和亮度。感应器可分为光感应器(用于测太阳光)和温度感应器(用于测室内温度)。中央处理单元为系统的智能控制系统，通过建立数学模型将所测数据和实际需求相结合，计算出最优的值并转化为电压信号传输给控制单元，控制单元通过给电致变色器件输出不同的电压来改变其不同的颜色状态进而实现智能控制。整个系统以硬件的搭建为基础，数学模型建立为核心。
建立数学模型：
以昼光眩光指数(DGI)作为人体感知光的舒适度为主要参考因素，
无炫光舒适度E:
E＝0.92exp(-1.66×10-4Ls)(1)
其中Ls为窗亮度(人眼观察窗外时，窗的亮度)。
不适炫光指数DGI：
DGI＝27.0+3.17ln(-ln(E/0.9))(2)
Ls＝[Es/(π×φ))]×T(V，λ)(3)
其中Es为窗外光照度，T(V，λ)为不同电压、波长下的透过率，φ为与窗高度宽度以及离窗位置相关的系数。
另一方面，相对于传统玻璃，此种变色玻璃的优势在于负载电压的作用下对可见光部分能够进行较大的吸收，减少了太阳光对室内的辐射，从而降低室内的温度。这一点，对于夏天光照高层向阳建筑极为有利。
其中，我们以太阳光直射辐射模型作为第二个参考因数，(不考虑地面与天空的散)：
对于倾角为θ的某一平面，其所接受的太阳光直射辐射强度IDθ表示为
IDθ＝IDN×cosβ＝(I0×pm)×cosβ(4)
β为太阳光入射角，I0太阳初始直射辐照强度，p为大气入射指数，与大气层厚度、消光系数等多种不确定因素有关，m为大气指数，IDN为太阳直射辐照强度。
则通过玻璃的辐射量I可以表示为：
I＝(1-R(V，λ)-T(V，λ))IDθ(5)
R(V，λ),T(V，λ)为变色玻璃的反射系数与透射系数。加入电压之后，对紫外光与可见光具有较强的阻挡，降低室内所受的辐射量。不同的电压的数值(小于最大工作电压)能够不同程度的吸收太阳辐射。在室内安装温度感应器，并与电致变色玻璃进行智能连接，可以实时监控室温。从而在一定程度上减少空调的电耗，从而达到绿色节能的效果。
结合以上的优势，我们可以集中将参数进行整合，以感应器实测数据，如昼光眩光指数(DGI)、室内温度(t)等为基础数据，建立算法，计算出室内最优的亮度及温度值，结合所制备器件实测的光学特性(T(V，λ))，算出此时所需电致变色器件的透过率值，并转化为器件所需响应的电压信号。整个模型以感应器件实时所测数据和器件性能数据为基础，结合最优环境数据值而搭建的数学模型。
A×F1(DGI，E，Ls，T)+B×F2(t，T)＝G(V)(6)
其中A,B为两个函数的耦合系数，T为透射率，F1(DGI,E,Ls，T)是以炫光系数为标准的电压控制函数,F2(t，T)是以室内温度t为参考的电压控制函数，通过G(V)供给电压函数来调节适合人光热舒适度环境。

Claims (5)

1.一种人体工效学智能窗系统的设计搭建方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)WO3/NiO电致变色器件的制备
采用溶胶凝胶法制备WO3、NiO薄膜，将所制备薄膜用于器件的组装，其中5层膜电致变色器件结构为：玻璃/ITO/NiO/LiClO4+PC+PMMA/WO3/ITO/玻璃；在含有LiClO4的PC溶液中加入PMMA，不断搅拌并加热至60～80℃，在60～80℃下连续搅拌得凝胶型固态电解质LiClO4+PC+PMMA；将镀有NiO薄膜的ITO玻璃和镀有WO3薄膜的ITO用凝胶型固态电解质LiClO4+PC+PMMA相对粘合在一起，器件四周用环氧树脂密封；将器件在90～120℃下干燥2小时后，使溶胶完全固化，制备得到电致变色器件；
(2)人体工效学智能窗系统的搭建
人体工效学智能窗系统主要包括：电致变色器件、感应器、中央处理单元、控制单元和电源，电致变色器件安装在房屋体系上，将感应器件和电致变色器件、房屋体系内的环境进行整合搭建，感应器和中央处理单元连接，中央处理单元通过控制单元和电致变色器件连接，电致变色器件、感应器、中央处理单元、控制单元等均和电源连接；其中电致变色器件主要用于对进入室内的太阳光调节，其可对光的强度和波段进行调控从而调节室内的温度和亮度；感应器分为光感应器和温度感应器；中央处理单元为系统的智能控制系统，通过建立的数学模型将所测数据和实际需求相结合，计算出最优的值并转化为电压信号传输给控制单元，控制单元通过给电致变色器件输出不同的电压来改变其不同的颜色状态进而实现智能控制；
(3)根据人体工效学计算出步骤(2)房屋体系内人体所最适于的温度、亮度，并将其与人体工效学智能窗系统结合起来建立数学模型，建立自然阳光、室内人体所最适于的温度、亮度以及电压信号之间的数学模型，从而实现根据不同光照而进行相应变化的人体工效学高效智能窗户系统。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，建立数学模型：
以昼光眩光指数(DGI)作为人体感知光的舒适度为主要参考因素，
无炫光舒适度E:
E＝0.92exp(-1.66×10-4Ls)(1)
其中Ls为窗亮度；
不适炫光指数DGI：
DGI＝27.0+3.17ln(-ln(E/0.9))(2)
Ls＝[Es/(π×φ))]×T(V，λ)(3)
其中Es为窗外光照度，T(V，λ)为不同电压、波长下的透过率，φ为与窗高度、宽度以及离窗位置相关的系数；
其中，以太阳光直射辐射模型作为第二个参考因数，不考虑地面与天空的散射：
对于接受阳光的倾角为θ的某一平面，其所接受的太阳光直射辐射强度IDθ表示为
IDθ＝IDN×cosβ＝(I0×pm)×cosβ(4)
β为太阳光入射角，I0太阳初始直射辐照强度，p为大气入射指数，与大气层厚度、消光系数等多种不确定因素有关，m为大气指数，IDN为太阳直射辐照强度；
则通过玻璃的辐射量I表示为：
I＝(1-R(V，λ)-T(V，λ))IDθ(5)
R(V，λ)、T(V，λ)为不同电压、波长下变色玻璃的反射系数与透射系数；在室内安装温度感应器，并与电致变色玻璃进行智能连接，进行实时监控室温；
集中将参考因数进行整合，以感应器实测数据，为基础数据，建立算法，计算出室内最优的亮度及温度值，结合所制备器件实测的光学特性，算出此时所需电致变色器件的透过率值，并转化为器件所需响应的电压信号，而搭建数学模型。
3.按照权利要求2的方法，其特征在于，所述数学模型形式如下：
A×F1(DGI，E，Ls，T)+B×F2(t，T)＝G(V)(6)
其中A,B为两个函数的耦合系数，T为透射率，F1(DGI,E,Ls，T)是以炫光系数为标准的电压控制函数,F2(t，T)是以室内温度t为参考的电压控制函数，通过G(V)供给电压函数来调节适合人光热舒适度环境。
4.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(1)中n(LiClO4):v(PC):m(PMMA)＝0.6mol:20ml:8.5g。
5.按照权利要求1的方法，其特征在于，步骤(1)不断搅拌并加热至80℃，在80℃下连续搅拌得凝胶型固态电解质。
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