CN108729691B - 一种主动采光系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主动采光系统，所述系统包括协同控制器和由多台定日镜组成的定日镜阵列，其特征在于，所述协同控制器包括信息存储模块、时钟模块、输入通信接口、输出通信接口以及协同控制模块，所述协同控制模块使日光相对于所述定日镜的入射角和反射光相对于窗户的入射角都小于各自的限定角，所述限定角使窗户上形成的反射光斑与窗户形状基本吻合。使用本发明的协同控制方法，可以根据窗户的位置和实时太阳角度自动选择合理位置的定日镜，从而获得有利光斑，延长可用采光时间。

Description

一种主动采光系统及方法

技术领域

本发明涉及一种主动采光系统及方法，尤其涉及一种阵列协同式建筑主动采光方法及系统。

背景技术

太阳光是人类生存和保障人体健康的基本要素之一，对人们的生产生活是不可或缺的，建筑要能获得适当的日照。城市住宅建筑中，由于用地紧张、建筑密度高，受住宅朝向、楼层、遮挡等因素的影响，大量住宅存在日照时间较短和日照质量较差等问题。建筑一经建成，可获得日照和采光情况便相对固定，要改善建筑的日照和采光效果，就需要用辅助设备主动地把更多的阳光导入室内。近些年来多种阳关光导入技术相继出现，主要有反射式、光导纤维式及光导管式三种类型。反射式主动采光利用光线反射原理用反光镜把太阳反射到室内需要采光的地方，因集光面积大，反射率高，且反射光线在空气中传播照到室内衰减小，可获得照度接近日光的反射光，适合为住宅提供辅助日照。由于太阳位置时刻变化，要想把阳光反射到恒定的位置就需要使用可时刻追踪太阳位置的定日镜。例如，合肥工业大学陈向东2008年提出《利用自动反光系统解决楼房低层日照的研究》，使用可自动跟踪太阳的反光栅板，根据太阳的方位实时调整反射镜的角度，把反射光线持续照射到固定的窗户上。再如，2014年华中科技大学李锡文提出《一种可变曲率的反射式室内采光设备》(CN204270156 U)，不仅能调整反射镜的俯仰角、方向角，还能通过调整反射镜曲率调整反射光强度。

使用定日镜虽然解决了反射光线准确指向窗户的问题，但还存在反射光斑形状不合理的问题。理想情况下，反射光斑应当与窗户形状、尺寸一致，这样既不会干扰到附近的窗户，也使采光面积最大化。如果光斑过大，反射光线可能照射到不需要采光的临近窗户上，进而对周围窗户造成干扰；如果光斑面积过小，则有效采光面积受到影响。使用定日镜反射获得的光斑是平行的日光经平面镜反射后投射在窗户上形成的，光斑的形状、尺寸取决于定日镜相对窗户的安装位置以及当时太阳的角度。因为太阳的角度随时间往复变化，定日镜固定安装在某一位置后，光斑是时刻变化的，由于受余弦效应的影响发生扭转变形，可能出现形状或尺寸不满足要求的光斑。如图1所示，虽然定日镜能准确指向窗户所在的位置，但不管定日镜安装在北侧窗户的北侧还是南侧窗户的南侧，都有不满足要求的光斑出现，光斑形状和尺寸仅在某些时间段内可用，而且定日镜安装在窗户南侧比安装在北侧的可用时间少。这在一定程度上限制了用定日镜做主动采光的使用效果。如果要为一栋或多栋建筑的多个窗户提供主动采光，为每个需要采光的窗户配备一个定日镜，每个定日镜独立工作，定日镜与需采光窗户之间是固定的对应关系，每个定日镜都会存在一定时间的不利光斑。因为光斑形状不仅取决于太阳的角度，还跟定日镜相对窗户的位置有关，在用多个定日镜为多个窗户采光的场合，可以通过匹配定日镜与窗户的对应关系，避免或减少不利光斑的出现。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明针对为一栋或多栋建筑的多个窗户提供主动采光，通过协同调度各个定日镜，减少需要采光的窗户获得不利光斑的概率，优化采光效果，提高所有朝向的窗户可用采光时间及定日镜的利用率。具体方案为：

一种主动采光系统，所述系统包括协同控制器和由多台定日镜组成的定日镜阵列，其特征在于，所述协同控制器包括信息存储模块、时钟模块、输入通信接口、输出通信接口以及协同控制模块，所述协同控制模块使日光相对于所述定日镜的入射角和反射光相对于窗户的入射角都小于各自的限定角，所述限定角使窗户上形成的反射光斑与窗户形状基本吻合。

进一步地，用所述多台定日镜同时为一栋或多栋建筑的多个窗户采光，所述定日镜与窗户之间不是固定的对应关系，而是通过一个协同控制器统一调度。

进一步地，一个需要采光的窗户至少对应一块定日镜，每个定日镜都独立运行并能够根据需要指向所述建筑的任何窗户；所述定日镜阵列安装在与需要采光建筑临近的建筑上，可以根据实际情况安装在临近建筑的楼顶或外立面上。

进一步地，所述信息存储模块存储了所有窗户的位置、定日镜的位置以及所在地的经度、维度信息。

进一步地，所述时钟模块用于产生当前的日期、时间信息。

进一步地，所述输入通信接口用于接收采光需求；所述输出通信接口用于向各个定日镜发送指向信息。

进一步地，所述协同控制模块根据采光需求、日期、时间、经度、维度，为每个需要采光的窗户优选出最合理的定日镜，然后输出定日镜与窗户的对应关系，而且不管采光需求是否发生变化，该对应关系每隔一段时间自动重新计算。一种采用所述的阵列协同式建筑主动采光系统进行采光的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)选择一个需要主动采光的窗户及其位置；

(2)选择处于该窗户的有效入射角范围内的定日镜；

(3)由日期、时间、维度计算出太阳的高度角与方位角；

(4)计算(2)内所有定日镜反射光都指向(1)窗户时的日光入射角；

(5)日光入射角在有效日光入射角范围内的定日镜即为可用定日镜；

(6)在(5)中选择一个定日镜和该窗户对应，如果一个定日镜已经被占用，则选择其它可用定日镜，如果没有定日镜可选，则尝试已被占用的定日镜调换，如果调换后都可用，则使用调换关系，如果调换后有一个不可用，再重复与其它被占用窗户，如果不存在可调换的定日镜则说明此时此窗户主动采光不可用；

(7)重复(1～6)，给所有需要主动采光窗户分配定日镜；

(8)每隔一定时间重复(1～7)，重新给各个需要采光的窗户分配定日镜，更新太阳角度变化后定日镜与窗户的对应关系，该时间间隔要保证下个循环时使用现有分配也不会产生不利光斑；

(9)如果需要调整某个窗户的入射角，首先计算该窗户的可用定日镜，然后在此范围内选择需要的窗户入射角，确定相对应的定日镜，最后再对其他定日镜重复(1～8)。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

使用本发明的协同控制方法，可以根据窗户的位置和实时太阳角度自动选择合理位置的定日镜，使窗户上形成的反射光斑与窗户形状基本吻合，既不会太小导致采光面积小，也不会过大干扰临近的窗户，延长可用采光时间。由于定日镜并不会绑定某个窗户，可根据需求对某个窗户在某个时间段内提供采光，空闲时为其它窗户提供采光，从而提高定日镜的利用率。

附图说明

图1是现有技术中定日镜反射光斑形状不断变化示意图。

图2是本发明阵列协同式建筑主动采光系统示意图。

图3是本发明协同控制器功能结构组成示意图。

图4是本发明定日镜反射光斑的形成过程示意图。

图5是本发明反射光斑与定日镜入射角及窗户入射角的关系示意图。

图6是本发明定日镜位置的选择原则示意图。

图7是本发明不同时间的定日镜对应关系示意图。

图8是本发明为受遮挡的南窗提供全天的主动采光示意图。

图9是本发明窗户入射光角度可调整示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明公开的阵列协同式建筑主动采光方法及系统的具体实施方式做详细说明，而非用以限制本发明的范围。

本发明的阵列协同式建筑主动采光方法及系统应用于为一栋或多栋建筑的多个窗户同时提供主动采光，使窗户上形成的反射光斑与窗户形状较为吻合，既不会太小导致采光面积小，也不会过大干扰临近的窗户。本发明中的主动采光系统包括多台定日镜组成的阵列和协同控制器，一个需要采光的窗户至少对应一块定日镜，每个定日镜都可以独立运行，而且可以根据需要指向任何窗户，每台定日镜具体指向哪个窗户由协同控制器根据采光需求、定日镜的位置以及当时的太阳角度等进行设置。通过定日镜之间的交替协同，避免需要采光的窗户获得不利的光斑，延长可用采光时间，提高定日镜利用率，并允许用户根据需要在一定范围内调整反射光入射角度。

如图2所示，定日镜阵列安装在与需要采光建筑临近的建筑上，具体安装是要保证太阳光照射到定日镜上不被遮挡，且定日镜与要采光的窗户之间无遮挡，可以根据实际要求安装在临近建筑的楼顶或外立面上。协同控制器用于设定定日镜与窗户之间的指向关系，协同控制器可以布置在现场，通过有线或无线的方式与定日镜连接，也可以设置在云端服务器上，通过远程连接控制。

如图3所示，协同控制器包括信息存储模块、时钟模块、输入通信接口、输出通信接口以及协同控制模块等。信息存储模块存储了所有窗户的位置、定日镜的位置以及所在地的经度、维度信息；时钟模块用于产生当前的日期、时间信息；输入通信接口用于接收采光需求，包含哪些窗户需要采光、窗户入射光的角度等信息；输出通信接口用于向各个定日镜发送指向信息；协同控制模块则是根据采光需求、日期、时间、经度、维度等信息，为每个需要采光的窗户优选出最合理的定日镜，然后输出定日镜与窗户的对应关系，而且不管采光需求是否发生变化，该对应关系是每隔一段时间自动重新计算的。

下面首先介绍定日镜位置筛选基本原则，再描述协同控制方法。

光线经反射镜反射后投射到窗户上，其光斑形状取决于太阳光相对定日镜的入射角度

以及反射光投射到窗户上的入射角

如图4所示，日光首先经定日镜M发生反射，反射镜在反射光线法平面上形成投影P₁，

的大小决定了P₁的被压缩的程度。

越小，P₁压缩越少，P₁越接近M；

越大，P₁压缩越多，形状越细长，形状也越偏离M。P₁随后投射到窗户上形成投影光斑P₂，

的存在使P₁被伸长。

越小，P₁被伸长的比例越小，P₂越接近P1；

越大，P₁被伸长的倍数越大，也越偏离P₁。因此，若要P₂与M形状较为吻合，M不能发生过大的压缩，也不能被过度的伸长，即要求

和

均小于一定限值。

图5示出了定日镜入射角

和窗户入射角

对在窗户上形成的投影光斑形状的影响，光斑下的数值分别是该光斑对应的

和

虚线框是窗户所在位置，定日镜与窗户形状尺寸一致。可以看出两个入射角对光斑的作用，

决定光斑的压缩程度，

决定光斑的伸长程度，而且当两个入射角均越小时，投影光斑越接近窗户的形状。

以上原理说明，若要使定日镜反射投影在窗户上的光斑与窗户比较吻合，要求太阳光相对定日镜的入射角和反射光相对窗户的入射角均小于一定限值。反射光相对窗户的入射角由反射镜和窗户的相对位置确定，太阳光相对定日镜的入射角还取决于当时的太阳角度，是随时间变化的。要持续获得与窗户较为吻合的光斑，就需要通过一定的调度方式，使两个入射角均保持在限定范围内。

为了获得与窗户较为吻合的光斑，定日镜位置选择要遵守以下原则：首先需要选定位于与窗户法线成限定角度的圆锥内的定日镜，此时反射光相对窗户的入射角小于其限定角度。其次，根据当时的太阳角度，计算日光相对定日镜的入射角(该值等于太阳光线和定日镜与窗户中心连线的夹角的1/2)，如果该角度小于限定角度，则可以选用；如果该角度大于限定角度，则会出现不利光斑，此刻应放弃该选用位置，尝试其它位置的定日镜。如图6所示的是北半球的北窗和南窗，在上午时定日镜位置的选择。

定日镜入射角限值与窗户入射角限值的选择由可容忍的光斑变形程度确定，可根据反射投影关系进行计算获得，如果允许光斑形状相比定日镜的反光镜被伸长2倍或缩短到1/2，则两个入射角的限值均选择为60°。

根据以上原理分析，本发明协同控制方法具体流程为：

(1).选择一个需要主动采光的窗户及其位置；

(2).选择处于该窗户的有效入射角范围内的定日镜；

(3).计算当时的太阳角度，由日期、时间、维度可以计算出太阳的高度角与方位角；

(4).计算(2)内所有定日镜的日光入射角；

(5).日光入射角在有效日光入射角范围内的定日镜即为可用定日镜；

(6).在(5)中选择一个定日镜和该窗户对应，如果一个定日镜已经被占用，则选择其它可用定日镜，如果没有定日镜可选，则尝试已被占用的定日镜调换，如果调换后都可用，则使用调换关系，如果调换后有一个不可用，再重复与其它被占用窗户，如果不存在可调换的定日镜则说明此时此窗户主动采光不可用；

(7).重复(1～6)，给所有需要主动采光窗户分配定日镜；

(8).每隔一定时间重复(1～7)，重新给各个需要采光的窗户分配定日镜，更新太阳角度变化后定日镜与窗户的对应关系，该时间间隔要保证下个循环时使用现有分配也不会产生不利光斑；

(9).如果需要调整某个窗户的入射角，首先计算该窗户的可用定日镜，然后在此范围内选择需要的窗户入射角，确定相对应的定日镜，最后再对其他定日镜重复(1～8)。

通过以上协同控制方法，一天内可能有多个位置的定日镜轮流照射某个窗户，一个定日镜也可能轮流照射多个窗户，但所有定日镜与所有需要采光的窗户都能满足定日镜位置选择原则，这种定日镜之间的相互协同，使各栋建筑的窗户都能达到最好的采光效果。如图7所示，左侧的建筑窗户是西北方向，上午时右侧三个定日镜的日光入射角更小，因此选择右侧三个定日镜为其采光，而左侧三个定日镜给右侧建筑采光；下午时，随太阳向西转动，右侧三个定日镜的入射角超过限值，把其重新定向到右侧建筑，满足入射角限值，而左侧三个定日镜则调整到左侧建筑。如此，定日镜的重新分配使所有的窗户全天均可获得有利的光斑。

使用本发明的协同控制方法，可以根据窗户的位置和实时太阳角度自动选择合理位置的定日镜，从而获得有利光斑，延长可用采光时间。图8为受遮挡而无法获得日照的南窗进行主动采光的案例，此窗户的西南侧和东南侧的楼顶都安装了定日镜。只使用西南侧的定日镜仅在上午能获得较好的光斑，只有上午可用；只使用东南侧的仅下午能获得较好的光斑，只有下午可用。本协同控制方法，自动计算各定日镜的实时日光入射角和反射光入射角，上午时西南侧的日光入射角低于66°，下午时东南侧的低于66°，因此自动分配上午使用西南侧定日镜，下午切换到东南侧定日镜，从而实现了该南窗的全天采光。

使用协同控制方式，定日镜并不会绑定某个窗户，可根据需求对某个窗户在某个时间段内提供采光，空闲时为其它窗户提供采光，从而提高定日镜的利用率。

如果进入室内的反射光入射角度固定不可调整，有可能引起不适眩光。使用本发明的协同控制方法，还可以实现窗户入射角度可调整，从而提高采光适应性。如图9所示，如果需要采光的窗户对应多个可用的定日镜，可以选择使用哪个定日镜来调整反射光进入室内入射角，从而实现窗户入射角度的可调整，对于其它窗户使用本协同控制方法也可获得各自合理位置的定日镜。

此外，如果需要采光的窗户较少，将会有部分定日镜空闲。此时，可以重复向协同控制器发送对同一个窗户的采光需求，即可使该窗户获得多个定日镜照射提高获得的照度。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，在上述说明书的描述中提到的数值及数值范围并不用于限制本发明，只是为本发明提供优选的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种主动采光系统，所述系统包括协同控制器和由多台定日镜组成的定日镜阵列，其特征在于，

所述协同控制器包括信息存储模块、时钟模块、输入通信接口、输出通信接口以及协同控制模块，所述协同控制模块使日光相对于所述定日镜的入射角和反射光相对于窗户的入射角都小于各自的限定角，所述限定角使窗户上形成的反射光斑与窗户形状基本吻合，

用所述多台定日镜同时为一栋或多栋建筑的多个窗户采光，所述定日镜与窗户之间不是固定的对应关系，而是通过一个协同控制器统一调度。

2.如权利要求1所述的主动采光系统，其特征在于，

一个需要采光的窗户至少对应一块定日镜，每个定日镜都独立运行并能够根据需要指向所述建筑的任何窗户；所述定日镜阵列安装在与需要采光建筑临近的建筑上，可以根据实际情况安装在临近建筑的楼顶或外立面上。

3.如权利要求1所述的主动采光系统，其特征在于，

所述信息存储模块存储了所有窗户的位置、定日镜的位置以及所在地的经度、纬度信息。

4.如权利要求1所述的主动采光系统，其特征在于，

所述时钟模块用于产生当前的日期、时间信息。

5.如权利要求1所述的主动采光系统，其特征在于，

所述输入通信接口用于接收采光需求；所述输出通信接口用于向各个定日镜发送指向信息。

6.如权利要求1所述的主动采光系统，其特征在于，

所述协同控制模块根据采光需求、日期、时间、经度、纬度，为每个需要采光的窗户优选出最合理的定日镜，然后输出定日镜与窗户的对应关系，而且不管采光需求是否发生变化，该对应关系每隔一段时间自动重新计算。

7.一种采用如权利要求1所述的主动采光系统进行采光的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)选择一个需要主动采光的窗户及其位置；

(2)选择处于该窗户的有效入射角范围内的定日镜；

(3)由日期、时间、纬度计算出太阳的高度角与方位角；

(4)计算步骤(2)中所有定日镜反射光都指向步骤(1)窗户时的日光入射角；

(5)日光入射角在有效日光入射角范围内的定日镜即为可用定日镜；

(6)在步骤(5)中选择一个定日镜和该窗户对应，如果一个定日镜已经被占用，则选择其它可用定日镜，如果没有定日镜可选，则尝试已被占用的定日镜调换，如果调换后都可用，则使用调换关系，如果调换后有一个不可用，再重复与其它被占用窗户，如果不存在可调换的定日镜则说明此时此窗户主动采光不可用；

(7)重复步骤(1～6)，给所有需要主动采光窗户分配定日镜；

(8)每隔一定时间重复步骤(1～7)，重新给各个需要采光的窗户分配定日镜，更新太阳角度变化后定日镜与窗户的对应关系，该时间间隔要保证下个循环时使用现有分配也不会产生不利光斑；

(9)如果需要调整某个窗户的入射角，首先计算该窗户的可用定日镜，然后在此范围内选择需要的窗户入射角，确定相对应的定日镜，最后再对其他定日镜重复步骤(1～8)。

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