CN113503125A - 一种外窗与幕墙可调遮阳装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种外窗与幕墙可调遮阳装置及其控制方法，其中外窗与幕墙可调遮阳装置包括玻璃、窗框、监控机构和遮阳机构，所述玻璃固定于窗框；所述监控机构包括照度传感器、温湿度传感器、黑球温度传感器和中央处理器，所述照度传感器、温湿度传感器和黑球温度传感器均与中央处理器连接；所述遮阳机构包括电动转轴、卷帘盒、卷膜、导轨和封口，所述电动转轴安装于卷帘盒内，所述卷膜的两侧分别与相应的导轨连接，卷膜的上端与电动转轴连接，所述卷膜的下端与封口的一端连接，封口的另一端与玻璃连接；展开的卷膜与玻璃之间形成空气间层。本发明可满足冬夏季整窗隔热、遮阳及采光性能的可调需求，保障建筑室内的热舒适与采光效果，智能程度高。

Description

一种外窗与幕墙可调遮阳装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及遮阳装置技术，具体涉及一种外窗与幕墙可调遮阳装置及其控制方法。
背景技术
外窗与玻璃幕墙作为建筑围护结构的一部分，在夏季，太阳辐射透过玻璃进入室内，使得室内升温恶化热环境，并增大建筑空调能耗。研究表明，通过外窗与玻璃幕墙的热损失占围护结构总热损失的40％～50％，是建筑整体传热的薄弱环节。此外，作为透明围护结构，外窗与幕墙亦对室内天然采光效果产生重要影响。
为了降低由外窗与玻璃导致的建筑能耗，诸多专利专注于研究高效节能的玻璃系统和遮阳构件，并取得了丰富的成果。涂膜玻璃、Low-E玻璃、中空玻璃、变色玻璃等新型节能玻璃的研发，极大提高了玻璃系统的遮阳与节能性能；固定平板、可调百叶、可调卷帘等传统与新型遮阳构件的设计则进一步调节了在冬夏季进入室内的太阳辐射强度，从而有效改善室内热环境并降低建筑能耗。
然而，如Low-E玻璃等节能玻璃无法自由改变其遮阳性能，导致其无法平衡冬夏季建筑室内的遮阳与采光需求，在冬季恶化了室内采光效果；而变色玻璃的成本较高，且除电致变色玻璃外，其余变色玻璃无法自主控制变色与复明过程，因此尚未大规模应用。至于遮阳构件，主要存在以下问题：1、遮阳构件可见光透射比为0，对视线造成遮挡；2、整窗的可见光透过率大幅降低，造成室内照明能耗增大；3、建筑立面的美观性受到负面影响；4、可调遮阳构件的成本较高；5、现有的遮阳构件无法实现实时自动调节，智能程度低。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种外窗与幕墙可调遮阳装置。此外窗与幕墙可调遮阳装置可保障建筑室内的热舒适与采光效果，且可实时自动调节，智能程度高。
同时，本发明的另一目的是提供了一种基于外窗与幕墙可调遮阳装置的控制方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：本外窗与幕墙可调遮阳装置，包括玻璃、窗框、监控机构和遮阳机构，所述玻璃固定于窗框；
所述监控机构包括照度传感器、温湿度传感器、黑球温度传感器和中央处理器，所述照度传感器、温湿度传感器和黑球温度传感器均安装于玻璃的内侧，且所述照度传感器、温湿度传感器和黑球温度传感器均与中央处理器连接；
所述遮阳机构包括电动转轴、卷帘盒、卷膜、导轨和封口，所述电动转轴安装于卷帘盒内，且所述电动转轴与中央处理器连接，所述卷膜的两侧分别与相应的导轨连接，所述卷膜的上端与电动转轴连接，所述卷膜的下端与封口的一端连接，所述封口的另一端与玻璃连接；当卷膜展开时，所述卷膜与玻璃之间形成空气间层。
优选的，所述封口的另一端与玻璃之间设有密封胶条。
优选的，所述玻璃为中空玻璃。
优选的，所述中央处理器安装于卷帘盒内。
优选的，所述照度传感器、温湿度传感器和黑球温度传感器距离室内楼地面的高度均与室内人员的活动高度相等。
优选的，所述窗框包括横梁、第一铝合金扣盖、第二铝合金扣盖和铝合金压板，所述玻璃与横梁固定连接，所述第一铝合金扣盖、第二铝合金扣盖和铝合金压板均通过螺栓与横梁连接，以将横梁包覆；所述第一铝合金扣盖的一端与玻璃的外侧连接，而所述第二铝合金扣盖和铝合金压板均与玻璃的内侧连接。
优选的，所述卷帘盒固定于第二铝合金扣盖的侧面。
一种基于上述的外窗与幕墙可调遮阳装置的控制方法，包括以下步骤：
S1、中央处理器根据计时器确定工作时间；
S2、中央处理器接收来自照度传感器、温湿度传感器和黑球温度传感器的信号，并根据温湿度传感器和黑球温度传感器检测的数值计算对应时刻室内的热舒适指标；
S3、将热舒适指标与设定的上阈值A和下阈值B进行对比：
若热舒适指标≤A，则不论室内照度是否小于设定照度I0，中央处理器均输出信号至电机转轴，控制卷膜向上收起，使更多太阳辐射进入室内；
若A≤热舒适指标≤B，则进一步判断室内照度是否小于设定照度I0，若判断结果为是，则控制卷膜收起；若判断结果为否，则说明卷膜此时的遮挡比例满足要求，无需动作；
若热舒适指标＞B，则不论室内照度是否小于设定照度I0，中央处理器均输出信号至电机转轴，控制卷膜向下展开，令卷膜与玻璃之间形成稳定的空气单层，并阻挡部分太阳辐射进入室内；
S4、经过设定步长后，重复步骤S1～S3。
优选的，步骤S4中，所述设定步长的时间为大于30min。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
1、本发明的外窗与幕墙可调遮阳装置主要采用玻璃、窗框、监控机构和遮阳机构构成，在监控机构和遮阳机构共同作用下，以控制遮阳机构中的卷膜展开或收卷，使展开的卷膜与玻璃之间形成稳定的空气间层，这可满足冬夏季整窗隔热、遮阳及采光性能的可调需求，保障建筑室内的热舒适与采光效果。
2、本发明的外窗与幕墙可调遮阳装置主要采用玻璃、窗框、监控机构和遮阳机构构成，其中遮阳机构包括电动转轴、卷帘盒、卷膜、导轨和封口，卷膜通过电动转轴收卷或展开，且收卷的卷盒存放在卷帘盒内，而卷膜展开时通过导轨与玻璃保持平衡，这既避免对视线造成遮挡，而不会影响建筑立面的美观性。
3、本发明中的遮阳机构包括电动转轴、卷帘盒、卷膜、导轨和封口，各部件之间的连接结构简单，方便安装，成本低。
4、本发明的控制方法以室内热舒适与室内照度作为综合指示，对外窗与幕墙可调遮阳装置进行全天与全年的智能调节，从而改善室内的热环境与光环境，降低了建筑空调采暖能耗与照明能耗。
附图说明
图1是本发明的外窗与幕墙可调遮阳装置的结构示意图。
图2是本发明的外窗与幕墙可调遮阳装置的控制流程图。
图3是本发明的外窗与幕墙可调遮阳装置在不同遮挡率下的整窗热工性能变化图。
其中，1为玻璃，2为窗框，3为监控机构，4为遮阳机构，5为照度传感器，6为温湿度传感器，7为黑球温度传感器，8为中央处理器，9为电动转轴，10为卷帘盒，11为卷膜，12为导轨，13为封口，14为密封胶条，15为空气间层，16为横梁，17为第一铝合金扣盖，18为第二铝合金扣盖，19为铝合金压板，20为螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示的外窗与幕墙可调遮阳装置，包括玻璃、窗框、监控机构和遮阳机构，所述玻璃固定于窗框；所述监控机构包括照度传感器、温湿度传感器、黑球温度传感器和中央处理器，所述照度传感器、温湿度传感器和黑球温度传感器均安装于玻璃的内侧，且所述照度传感器、温湿度传感器和黑球温度传感器均与中央处理器连接；所述遮阳机构包括电动转轴、卷帘盒、卷膜、导轨和封口，所述电动转轴安装于卷帘盒内，且所述电动转轴与中央处理器连接，所述卷膜的两侧分别与相应的导轨连接，所述卷膜的上端与电动转轴连接，所述卷膜的下端与封口的一端连接，所述封口的另一端与玻璃连接；当卷膜展开时，所述卷膜与玻璃之间形成空气间层。具体的，中央处理器采用STC15L2K6，照度传感器采用WL-ZSSWBPW-AL-01，温湿度传感器采用HD4917TV，黑球温度计采用TP3276TC2，从而可确保监控机构有效、可靠的工作。照度传感器、温湿度传感器和黑球温度传感器均通过有线或无线与中央处理器连接，则照度传感器、温湿度传感器和黑球温度传感器可将实时检测的数据输送给中央处理器。
其中卷帘盒固定窗框的第二铝合金扣盖，以确保结构的紧凑性。而导轨可安装于幕墙，则卷膜的左右两侧与导轨连接。在卷膜展开时，受导轨的作用，卷膜不发生变形，以卷膜与玻璃之间平行，且保证卷膜与玻璃之间之间或形成稳定的空气间层，从而增强保温隔热效果。而为进一步提高空气间层的稳定性，卷膜的下端连接有封口，且此封口的另一端与玻璃之间设有密封胶条。
所述玻璃为中空玻璃。中空玻璃一方面可保证具有较高的可见光透射率，另一方面具有较低的传热系数，从而满足在冬夏委的保温隔热要求。
所述中央处理器安装于卷帘盒内。此结构紧凑，进一步提高了建筑立面的美观效果。
所述照度传感器、温湿度传感器和黑球温度传感器距离室内楼地面的高度均与室内人员的活动高度相等。所述活动高度，是指人在室内躺、坐和站时的高度范围，从而保证照度传感器、温湿度传感器和黑球温度传感器采集数据有效性，保证中央处理器发现控制指令的可靠性。
所述窗框包括横梁、第一铝合金扣盖、第二铝合金扣盖和铝合金压板，所述玻璃与横梁固定连接，所述第一铝合金扣盖、第二铝合金扣盖和铝合金压板均通过螺栓与横梁连接，以将横梁包覆；所述第一铝合金扣盖的一端与玻璃的外侧连接，而所述第二铝合金扣盖和铝合金压板均与玻璃的内侧连接。此结构简单，安装方便，避免横梁直接暴露在室内外空气中而产生冷热桥现象。而第一铝合金扣盖的一端与玻璃之间及铝合金压板与玻璃之间均设置有密封胶条，以进一步对横梁起到保护作用。
以某机场航站楼幕墙为例，定量对比原方案与本发明所提出的新方案的整窗热工性能，并定性分析两种方案的建筑立面效果与经济性。原方案的玻璃为10+12A+8+1.9PVB+8mm中空夹胶玻璃，窗框为普通铝合金窗框，遮阳系统为电动遮阳百叶。根据JGJ/T 151-2008《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》的规定，选取该幕墙的计算单元尺寸为3.0×1.5m，包含4个窗框节点，由于左右与上下节点的传热表现一致，因此只需1个横框与1个竖框节点的传热系数。通过模拟软件MQMC2012计算得到10+12A+8+1.9PVB+8mm中空夹胶玻璃的传热系数K为1.64W/(m2·K)，太阳辐射得热系数SHGC为0.41，可见光透过率为51.6％，窗框节点的传热系数则分别为4.42W/(m2·K)与6.13W/(m2·K)。因此，整窗的传热系数K为2.60W/(m2·K)，太阳辐射得热系数SHGC为0.31，可见光透过率为37.1％。原方案的缺点在于，可见光透过率过低，影响室内天然采光效果并增加建筑照明能耗；其性能不可随全年室外太阳辐射强度变化而进行智能调节；建筑立面艺术较差且电动遮阳百叶的初投资较高。
而本发明的外窗与幕墙可调遮阳装置则将玻璃改为6+12A+6mm超白中空玻璃，窗框依然为普通铝合金窗框，遮阳系统则采用本发明提出的可调遮阳机构，卷膜距离玻璃内表面100mm。根据计算，卷膜全部展开(即全关)时整窗与空气层的整体传热系数K为1.83W/(m2·K)，太阳辐射得热系数SHGC为0.19，可见光透过率为10.2％；卷膜全部收起(即全开)时整窗与空气层的整体传热系数K为2.82W/(m2·K)，太阳辐射得热系数SHGC为0.54，可见光透过率为57.6％。此外，卷膜在不同位置时(即不同遮挡率)，整窗与空气层的整体传热系数可随之变化，如图3所示，并可满足夏热冬暖地区公共建筑权衡判断的基本要求，即K≤3.0W/(m2·K)，SHGC≤0.44。
本发明的外窗与幕墙可调遮阳装置可满足冬夏季整窗隔热、遮阳及采光性能的可调需求，保障建筑室内的热舒适与采光效果，并改善建筑立面艺术效果且降低遮阳构件的初投资。
如图2所示，一种基于上述的外窗与幕墙可调遮阳装置的控制方法，包括以下步骤：
S1、中央处理器根据计时器确定工作时间；本实施例中的工作时间为正常的上班时间8：00-18：00；若不处于上班时间，则直接结束过程，系统不进行动作；若处于上班时间，则进入下一步；
S2、中央处理器接收来自照度传感器、温湿度传感器和黑球温度传感器的信号，并根据温湿度传感器和黑球温度传感器检测的数值计算对应时刻室内的热舒适指标；此热热舒适指标采用新有效温度ET*，新有效温度ET*可综合评价室内空气温度、相对湿度、辐射、人员运动状态和服装对舒适感觉的影响效果。其定义为：在相对湿度为50％，空气流速为0.15m/s的环境下，人体静坐姿态且服装衣阻为0.6clo时具有基准冷热感觉，如另一环境中服装热阻为0.6clo的坐姿人员也具相同的基准热感觉，则此环境的干球温度即为新有效温度。
S3、将热舒适指标与设定的上阈值A和下阈值B进行对比：其中的上阈值A和下阈值可根据所属地区和房间类型确定；
若热舒适指标≤A，则不论室内照度是否小于设定照度I0，中央处理器均输出信号至电机转轴，控制卷膜向上收起，使更多太阳辐射进入室内；设定照度根据所属地区和房间类型确定；
若A≤热舒适指标≤B，则进一步判断室内照度是否小于设定照度I0，若判断结果为是，则控制卷膜收起；若判断结果为否，则说明卷膜此时的遮挡比例满足要求，无需动作；
若热舒适指标＞B，则不论室内照度是否小于设定照度I0，中央处理器均输出信号至电机转轴，控制卷膜向下展开，令卷膜与玻璃之间形成稳定的空气单层，并阻挡部分太阳辐射进入室内；
S4、经过设定步长后，即过了30min钟后，重复步骤S1～S3。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种外窗与幕墙可调遮阳装置，其特征在于：包括玻璃、窗框、监控机构和遮阳机构，所述玻璃固定于窗框；
所述监控机构包括照度传感器、温湿度传感器、黑球温度传感器和中央处理器，所述照度传感器、温湿度传感器和黑球温度传感器均安装于玻璃的内侧，且所述照度传感器、温湿度传感器和黑球温度传感器均与中央处理器连接；
所述遮阳机构包括电动转轴、卷帘盒、卷膜、导轨和封口，所述电动转轴安装于卷帘盒内，且所述电动转轴与中央处理器连接，所述卷膜的两侧分别与相应的导轨连接，所述卷膜的上端与电动转轴连接，所述卷膜的下端与封口的一端连接，所述封口的另一端与玻璃连接；当卷膜展开时，所述卷膜与玻璃之间形成空气间层。
2.根据权利要求1所述的外窗与幕墙可调遮阳装置，其特征在于：所述封口的另一端与玻璃之间设有密封胶条。
3.根据权利要求1所述的外窗与幕墙可调遮阳装置，其特征在于：所述玻璃为中空玻璃。
4.根据权利要求1所述的外窗与幕墙可调遮阳装置，其特征在于：所述中央处理器安装于卷帘盒内。
5.根据权利要求1所述的外窗与幕墙可调遮阳装置，其特征在于：所述照度传感器、温湿度传感器和黑球温度传感器距离室内楼地面的高度均与室内人员的活动高度相等。
6.根据权利要求1所述的外窗与幕墙可调遮阳装置，其特征在于：所述窗框包括横梁、第一铝合金扣盖、第二铝合金扣盖和铝合金压板，所述玻璃与横梁固定连接，所述第一铝合金扣盖、第二铝合金扣盖和铝合金压板均通过螺栓与横梁连接，以将横梁包覆；所述第一铝合金扣盖的一端与玻璃的外侧连接，而所述第二铝合金扣盖和铝合金压板均与玻璃的内侧连接。
7.根据权利要求6所述的外窗与幕墙可调遮阳装置，其特征在于：所述卷帘盒固定于第二铝合金扣盖的侧面。
8.一种基于权利要求1～7任意一项所述的外窗与幕墙可调遮阳装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、中央处理器根据计时器确定工作时间；
S2、中央处理器接收来自照度传感器、温湿度传感器和黑球温度传感器的信号，并根据温湿度传感器和黑球温度传感器检测的数值计算对应时刻室内的热舒适指标；
S3、将热舒适指标与设定的上阈值A和下阈值B进行对比：
若热舒适指标≤A，则不论室内照度是否小于设定照度I0，中央处理器均输出信号至电机转轴，控制卷膜向上收起，使更多太阳辐射进入室内；
若A≤热舒适指标≤B，则进一步判断室内照度是否小于设定照度I0，若判断结果为是，则控制卷膜收起；若判断结果为否，则说明卷膜此时的遮挡比例满足要求，无需动作；
若热舒适指标＞B，则不论室内照度是否小于设定照度I0，中央处理器均输出信号至电机转轴，控制卷膜向下展开，令卷膜与玻璃之间形成稳定的空气单层，并阻挡部分太阳辐射进入室内；
S4、经过设定步长后，重复步骤S1～S3。
9.根据权利要求1所述的外窗与幕墙可调遮阳装置，其特征在于：步骤S4中，所述设定步长的时间为大于30min。
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