CN110284823A - 一种基于光感应的可变建筑表皮系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光感应的可变建筑表皮系统，该系统包括墙体、设置于墙体上的圆形窗户以及分别翻转设置在墙体上的遮光单元、反光单元，遮光单元位于圆形窗户上沿，反光单元位于圆形窗户下沿，系统还包括光感应单元。与现有技术相比，本发明利用传感器技术和特有表皮结构，即时控制进入室内的自然光的量和方向，从而改变室内光环境质量和室内舒适度；本发明遮光范围广，可遮挡各个方向直射光，尤其能避免东晒西晒情况；本发明可针对室内活动需要选择性遮光，并尽可能引入自然光，减少照明负荷；本发明采用凹面反光形式引入自然光，避免反射照度过强导致光污染；本发明设有照度传感器及雨水传感器监测天气变化，并反馈给控制器做出即时响应。

Description

一种基于光感应的可变建筑表皮系统

技术领域

本发明属于遮光建筑设备技术领域，涉及一种基于光感应的可变建筑表皮系统。

背景技术

目前，建筑最常用的自动遮阳方式是各色百叶窗，但这些水平方向上的百叶形式仅在太阳高度角较大的时候，能有效遮光而不影响视野。在上午或者下午太阳高度角较小时则会出现视野和遮光之间的矛盾：若要实现有效遮光，则百叶严重遮挡视野，室内无法看到室外，与普通遮光窗帘无异，不利于室内采光；若要不影响视野，则阳光透过百叶缝隙入射到室内，容易导致眩光。而这些时间太阳高度角较小，正是阳光射入室内范围较大，最容易导致眩光的时候。并且通常的百叶窗会将吸收的热量散发至室内，增加室内的热负荷。

用于遮阳的可变建筑表皮，其控制方式多为时序控制，即根据当前时间对应的太阳高度和方位调整遮光模块的位置和角度。这种控制方式在阴雨天便失去意义。而且太阳的高度和方位与时间、经纬度、季节、朝向甚至楼层高度都有关系。时序控制需要结合上述多种因素进行编程，其程序仅适用于很小的一片区域。程序复杂，适应性狭窄。

常见的用于改善采光的反光板多为平面的镜面。这种形式的反光板可以将直射阳光反射到室内很深的地方改善采光。但由于其反射光的强度很大，平面反光板只能用于某一层的上部区域，否则会导致光污染。而且现代建筑形式复杂多变，并非简单的层层叠加。这就使反光板的安装区域和反光面积都受到很大限制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于光感应的可变建筑表皮系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于光感应的可变建筑表皮系统，该系统包括墙体、设置于墙体上的圆形窗户以及分别翻转设置在墙体上的遮光单元、反光单元，所述的遮光单元位于圆形窗户上沿，所述的反光单元位于圆形窗户下沿，所述的系统还包括光感应单元。遮光单元不仅可以遮挡直射光，还可以通过调节遮光单元的倾角，控制进入室内的进光量，反光单元用于提高室内进光量，根据需要调整遮光单元及反光单元的倾角以增加室内自然采光。光感应单元根据需要布置于室内不同区域内，监测该区域的采光效果，即时反馈，配合调控位于圆形窗户四周不同角度的遮光单元和反光单元的倾角，进而达到即时控制进入室内的自然光的量和方向的目的，从而改变室内光环境质量和室内舒适度。

进一步地，所述的遮光单元的外形与反光单元的外形相适配，使得遮光单元与反光单元翻转闭合后可以完全包裹圆形窗户，适用于阴雨天气，起到挡雨效果。

进一步地，所述的遮光单元包括分别设置于窗户上沿两侧的第一遮光组件及第二遮光组件，用于上午或下午太阳高度角较低时分别由两侧的一组遮光板进行遮光，与水平百叶相比可以有效阻挡东晒和西晒，同时对视野和采光影响较小。

进一步地，所述的第一遮光组件及第二遮光组件均包括多个遮光板，多个遮光板可独立工作也可协同工作以适应不同角度的遮光需要，遮光板可根据需要选用不透光或半透光材料。

进一步地，所述的反光单元包括多个反光板，反光板内表面设有反光镀膜，多个反光板可独立工作也可协同工作以提高室内进光量，从而降低室内照明负荷。

进一步地，所述的反光板为凹面板。凹面反光板可将阳光会聚到一点，再发散后照射到顶棚，经顶棚漫反射至室内深度区域，增加室内深度采光，同时在不影响采光总量的情况下削弱其照度，改善室内自然光环境的均匀度，避免光污染。

作为优选的技术方案，所述的遮光板与反光板采用由一个半球面经过其顶点以切蛋糕的方式平均分成六份形成的花瓣形状，上沿4份为遮光板，下沿2份为反光板，闭合时可以形成完整的半球表面。设反光板所在半球面的半径，即圆形窗户的半径为R，则反光板焦点位于反光板所在的半球面与阳光方向平行的半径上，距离半球面球心0.71R处，距离反光板仅有0.29R。假设窗口半径为0.3米。则焦点与反光板在上距离为0.087米。在1米的距离外便能将直射光削弱为原来的9.5％，相当于阴天的照度值，从而在不影响采光总量的情况下削弱其照度，避免光污染。

进一步地，该系统还包括翻转驱动单元，所述的翻转驱动单元设置于圆形窗户的四周，并分别与遮光单元及反光单元传动连接，用于调整遮光单元与反光单元的倾角以适应不同的采光效果。

进一步地，所述的翻转驱动单元包括多个设置在墙体上的驱动电机以及多个分别与相应一侧的驱动电机传动连接的翻转转轴，所述的翻转转轴设置于墙体上，所述的遮光单元及反光单元设置于翻转转轴上。

作为优选的技术方案，所述的翻转转轴固定于遮光板和反光板底边弧线的中点处，并与该点处弧线切线方向相一致，以保证遮光板与反光板翻转过程的稳定性。

作为优选的技术方案，翻转转轴的活动范围限定在0-90°，遮光单元和反光单元闭合时翻转转轴处于0°，在遮光单元和反光单元最大张开时，翻转转轴处于90°，在0°和90°处设有限位开关，以限定和保护遮光单元和反光单元。

进一步地，所述的光感应单元包括设置于室内的照度传感器及设置于室外的雨水传感器。照度传感器可设置于办公桌、计算机显示器、书桌及床头区域等位置以监测反馈工作学习或日常生活环境下的照度，配合遮光单元与反光单元工作，实现对室内局部区域采光情况的针对性调控。设置于圆形窗户西侧的照度传感器用于监测上午日照情况，主要针对东晒问题；设置于圆形窗户东侧的照度传感器用于监测下午日照情况，主要针对西晒问题。雨水传感器用于监测反馈阴雨天气，使得遮光单元与反光单元闭合，配合进行挡雨工作。

进一步地，该系统还包括控制器，该控制器分别与光感应单元及翻转驱动单元电连接或通过Zigbee、WiFi等无线方式通讯，以即时接收光感应单元的反馈并发出控制信号以控制驱动单元工作，调整遮光单元与反光单元的倾角，满足不同的采光需要。

作为优选的技术方案，晴天时控制器与光感应单元及翻转驱动单元可采用如下的联动工作模式：在晴天时，因为直射光与散射光的照度差别很大，控制器可通过一定阈值将来自照度传感器的信号转化为数字量，该数字量可用于控制驱动电机带动翻转转轴的旋转方向与旋转角度，从而控制遮光板的开启位置。

工作原理：光线自室外穿过圆形窗户进入室内，照射在照度传感器上，照度传感器将照度值反馈给控制器，并与设定照度值对比，若照度值偏高，则启动与照度传感器位置相对应的翻转驱动单元工作，调整相应遮光板的倾角，减少相应位置的照度值；若照度值偏低，则启动与翻转驱动单元带动相应反光板翻转，调整倾角，增加相应位置的照度值。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

1)本发明的遮光范围较大，可遮挡一天中来自各个方向的直射阳光，尤其能避免建筑东晒和西晒情况；

2)本发明针对室内人员活动需要进行选择性区域遮光，若直射光对该区域无影响则不遮光，因此可引入更多自然光，有效减少室内照明负荷；

3)本发明采用的凹面反光形式可将阳光会聚-发散后再引入室内，避免因反射照度过强导致光污染，相对于只能适用于某建筑高度以上的平面反光板，本发明适用范围更加广泛；

4)本发明设有多个照度传感器及雨水传感器，可以快速高效地监测室外天气变化，并反馈给控制器使得系统得到即时响应；

5)利用传感器技术和特有表皮结构，即时控制进入室内的自然光的量和方向，从而改变室内光环境质量，同时减少建筑负荷。

附图说明

图1为实施例1中的基于光感应的可变建筑表皮系统的结构示意图；

图2为实施例1中的反光单元与翻转驱动单元的结构示意图；

图3为实施例1中的遮光单元与反光单元工作状态示意图；

图4为实施例1中基于光感应的可变建筑表皮系统在应用时的左视图；

图5为实施例1中基于光感应的可变建筑表皮系统在应用时的俯视图；

图6为实施例2中的反光单元反光效果示意图；

图中标记说明：

1—墙体、2—圆形窗户、3—第一遮光组件、4—第二遮光组件、5—反光单元、6—翻转驱动单元、7—照度传感器、8—办公桌。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

如图1所示的一种基于光感应的可变建筑表皮系统应用于如图4及图5所示一个南向房间，以密排的形式安装在南面墙体上。假设室内人员列坐于办公桌8两侧。照度传感器7安装在办公桌8两边，距离地面1.35m的位置(即人的正常坐高)，用于防止直射光射入坐在办公桌8两边的人员视野内。

第一遮光组件3、第二遮光组件4及反光单元5由一个半球面经过其顶点以切蛋糕的方式均分成六份形成。如图2所示的反光单元5由位于底边弧线的中点，在该点处弧线切线方向的翻转转轴带动。如图3所示，第一遮光组件3、第二遮光组件4及反光单元5以转轴为轴，可在完全闭合组成半球面至向外打开90°的范围中运动，这两个位置装有相应的限位开关。

第一遮光组件3于东侧，由西侧的照度传感器7监测。第二遮光组件4位于西侧，由东侧的照度传感器7监测。人员活动区域设为办公桌8两侧。

对于晴天：

上午时间，当配合控制第一遮光组件3的照度传感器7接收到自东向西的直射光时。第一遮光组件3按照上述方式向内旋转至某角度，遮挡东晒，使其不会射入面向东边的人员视野内。第二遮光组件4处于最大张开处，不受影响，提供一定的采光和观光视野。

中午时间，直射光自上而下入射，不影响人员视野。第一遮光组件3及第二遮光组件4均位于最大张开处，以提供尽可能多的采光和观光视野。

下午时间，当控制第二遮光组件4的照度传感器7接收到自西向东的直射光时。第二遮光组件4按照上述方式向内旋转至某角度，遮挡西晒，使其不会射入面向西边的人员视野内。第一遮光组件3处于最大张开处，不受影响，提供一定的采光和观光视野。

对于阴天：

照度传感器7没有接受到直射光。此时第一遮光组件3及第二遮光组件4均位于最大张开处，提供尽可能多的采光和观光视野。

对于雨天：

雨水传感器检测到雨水，则第一遮光组件3、第二遮光组件4及反光单元5均完全关闭，避免雨水进入室内。

实施例2：

一种基于光感应的可变建筑表皮系统，该系统包括墙体1、设置于墙体1上的圆形窗户2以及分别翻转设置在墙体1上的遮光单元、反光单元5，遮光单元位于圆形窗户2上沿，反光单元5位于圆形窗户2下沿。遮光单元不仅可以遮挡直射光，还可以通过调节遮光单元的倾角，控制进入室内的进光量，反光单元5用于提高室内进光量，根据需要调整遮光单元及反光单元5的倾角以增加室内自然采光。光感应单元根据需要布置于室内不同区域内，监测该区域的采光效果，即时反馈，配合调控位于圆形窗户四周不同角度的遮光单元和反光单元5的倾角，进而达到即时控制进入室内的自然光的量和方向的目的，从而改变室内光环境质量和室内舒适度。

遮光单元的外形与反光单元5的外形相适配，使得遮光单元与反光单元5翻转闭合后可以完全包裹圆形窗户2，适用于阴雨天气，起到挡雨效果。

遮光单元包括分别设置于窗户上沿两侧的第一遮光组件3及第二遮光组件4，用于上午或下午太阳高度角较低时分别由两侧的一组遮光板进行遮光，与水平百叶相比可以有效阻挡东晒和西晒，同时对视野和采光影响较小。

第一遮光组件3及第二遮光组件4均包括多个遮光板，多个遮光板可独立工作也可协同工作以适应不同角度的遮光需要，遮光板可根据需要选用不透光或半透光材料。

反光单元5包括多个反光板，反光板内表面设有反光镀膜，多个反光板可独立工作也可协同工作以提高室内进光量，从而降低室内照明负荷。

遮光板与反光板为凹面板。凹面反光板可将阳光会聚到一点，再发散后照射到顶棚，经顶棚漫反射至室内深度区域，增加室内深度采光，同时在不影响采光总量的情况下削弱其照度，改善室内自然光环境的均匀度，避免光污染。

遮光板与反光板采用由一个半球面经过其顶点以切蛋糕的方式平均分成六份形成的花瓣形状，上沿4份为遮光板，下沿2份为反光板，闭合时可以形成完整的半球表面。如图6所示的反光板，设反光板所在半球面的半径，即圆形窗户2的半径为R，则反光板焦点位于反光板所在的半球面与阳光方向平行的半径上，距离半球面球心0.71R处，距离反光板仅有0.29R。假设圆形窗户2半径为0.3米。则焦点与反光板在上距离为0.087米。在1米的距离外便能将直射光削弱为原来的9.5％，相当于阴天的照度值，从而在不影响采光总量的情况下削弱其照度，避免光污染。

该系统还包括翻转驱动单元6，翻转驱动单元6设置于圆形窗户2的四周，并分别与遮光单元及反光单元5传动连接，用于调整遮光单元与反光单元5的倾角以适应不同的采光效果。

翻转驱动单元6包括多个设置在墙体1上的驱动电机以及多个分别与相应一侧的驱动电机传动连接的翻转转轴，翻转转轴设置于墙体1上，遮光单元及反光单元5分别设置于相应的翻转转轴上。

翻转转轴固定于遮光板和反光板底边弧线的中点处，并与该点处弧线切线方向相一致，以保证遮光板与反光板翻转过程的稳定性。

翻转转轴的活动范围限定在0-90°，遮光单元和反光单元5闭合时翻转转轴处于0°，在遮光单元和反光单元5最大张开时，翻转转轴处于90°，在0°和90°处设有限位开关，以限定和保护遮光单元和反光单元5。

该系统还包括光感应单元，光感应单元包括设置于室内的照度传感器7及设置于室外的雨水传感器。照度传感器7可设置于办公桌、计算机显示器、书桌及床头区域等位置以监测反馈工作学习或日常生活环境下的照度，配合遮光单元与反光单元工作，实现对室内局部区域采光情况的针对性调控。设置于圆形窗户西侧的照度传感器7用于监测上午日照情况，主要针对东晒问题；设置于圆形窗户东侧的照度传感器7用于监测下午日照情况，主要针对西晒问题。雨水传感器用于监测反馈阴雨天气，使得遮光单元与反光单元闭合，配合进行挡雨工作。

该系统还包括控制器，该控制器分别与光感应单元及翻转驱动单元6电连接，以即时接收光感应单元的反馈并发出控制信号以启动驱动单元工作，调整遮光单元与反光单元的倾角，满足不同的采光需要。

晴天时控制器与光感应单元及翻转驱动单元6可采用如下的联动工作模式：在晴天时，因为直射光与散射光的照度差别很大，控制器可通过一定阈值将来自照度传感器7的信号转化为数字量，该数字量可用于控制驱动电机带动翻转转轴的旋转方向与旋转角度，从而控制遮光板的开启位置。

工作原理：光线自室外穿过圆形窗户进入室内，照射在照度传感器7上，照度传感器7将照度值反馈给控制器，并与设定照度值对比，若照度值偏高，则启动与照度传感器7位置相对应的翻转驱动单元6工作，调整相应遮光板的倾角，减少相应位置的照度值；若照度值偏低，则启动与翻转驱动单元6带动相应反光板翻转，调整倾角，增加相应位置的照度值。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光感应的可变建筑表皮系统，其特征在于，该系统包括墙体(1)、设置于墙体(1)上的圆形窗户(2)以及分别翻转设置在墙体(1)上的遮光单元、反光单元(5)，所述的遮光单元位于圆形窗户(2)上沿，所述的反光单元(5)位于圆形窗户(2)下沿，所述的系统还包括光感应单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于光感应的可变建筑表皮系统，其特征在于，所述的遮光单元的外形与反光单元(5)的外形相适配，使得遮光单元与反光单元(5)翻转闭合后可以完全包裹圆形窗户(2)。

3.根据权利要求1所述的一种基于光感应的可变建筑表皮系统，其特征在于，所述的遮光单元包括分别设置于窗户上沿两侧的第一遮光组件(3)及第二遮光组件(4)。

4.根据权利要求3所述的一种基于光感应的可变建筑表皮系统，其特征在于，所述的第一遮光组件(3)及第二遮光组件(4)均包括多个遮光板。

5.根据权利要求1所述的一种基于光感应的可变建筑表皮系统，其特征在于，所述的反光单元(5)包括多个反光板。

6.根据权利要求5所述的一种基于光感应的可变建筑表皮系统，其特征在于，所述的反光板为凹面板。

7.根据权利要求1所述的一种基于光感应的可变建筑表皮系统，其特征在于，该系统还包括翻转驱动单元(6)，所述的翻转驱动单元(6)设置于圆形窗户(2)的四周，并分别与遮光单元及反光单元(5)传动连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于光感应的可变建筑表皮系统，其特征在于，所述的翻转驱动单元(6)包括多个设置在墙体(1)上的驱动电机以及多个分别与相应一侧的驱动电机传动连接的翻转转轴，所述的翻转转轴设置于墙体(1)上，所述的遮光单元及反光单元(5)分别设置在相应的翻转转轴上。

9.根据权利要求7所述的一种基于光感应的可变建筑表皮系统，其特征在于，所述的光感应单元包括设置于室内的照度传感器(7)及设置于室外的雨水传感器。

10.根据权利要求9所述的一种基于光感应的可变建筑表皮系统，其特征在于，该系统还包括控制器。