一種人體工效學(xué)智能窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)搭建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及人體工效學(xué)智能窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)搭建方法，屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽(yáng)是生命之源，它以無(wú)盡的光和熱哺育著地球上的所有生物?，F(xiàn)在，長(zhǎng)期生活在水泥建筑中人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到自然環(huán)境的重要性。為了追求高質(zhì)量的生活，大家開(kāi)始關(guān)心周圍環(huán)境對(duì)自身的影響，體感作為人體感覺(jué)的一種，是環(huán)境因素經(jīng)感覺(jué)器官傳遞到神經(jīng)中樞后認(rèn)為外界的實(shí)際冷熱及光亮程度，也是決定人體舒適度的最主要因素。近年來(lái)許多研究表明，適度的自然光輻射和開(kāi)闊的視野，是人們生理上和心理上長(zhǎng)期感到舒適滿意的關(guān)鍵因素。此外，與外界環(huán)境保持高度的聯(lián)系，讓人透過(guò)窗戶看見(jiàn)室外的景物，是保證人工作效率的高，身心舒暢的重要條件。因此，現(xiàn)代建筑中采用大面積玻璃窗和玻璃幕墻，天然光通過(guò)玻璃入射到室內(nèi)，不僅使室內(nèi)光線充足，創(chuàng)造出明亮的光環(huán)境，而且使室內(nèi)外空間取得了流通的效果。但是，這種帶來(lái)較好的視野和較大進(jìn)光量的同時(shí)，其缺點(diǎn)也是十分明顯的。由于，季節(jié)、地域、時(shí)間的不同，太陽(yáng)光輻射到地面的輻照有很大的區(qū)別，但目前玻璃對(duì)太陽(yáng)透射系數(shù)、遮陽(yáng)系數(shù)等固定，無(wú)法實(shí)現(xiàn)主觀動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)，從而不僅降低了室內(nèi)的采光質(zhì)量和舒適度，而且增加了為調(diào)節(jié)室內(nèi)亮度和溫度的所造成的巨大能耗，這與人們所追求的相差甚遠(yuǎn)。
[0003]因此，發(fā)展具有符合人體工效學(xué)高效智能的窗戶系統(tǒng)，對(duì)于堅(jiān)持以人為本的我國(guó)，既能充分滿足人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境的生理上和心理上長(zhǎng)期感到舒適滿意有效，也有利于減少建筑能耗，保護(hù)好環(huán)境。人體工效學(xué)是探討人與環(huán)境尺度之間關(guān)系的一門學(xué)科。從空間環(huán)境設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，人體工程學(xué)的主要功用在于通過(guò)對(duì)于生理和心理的正確認(rèn)識(shí)，使空間環(huán)境因素適應(yīng)人類生活活動(dòng)的需要，進(jìn)而達(dá)到提高空間環(huán)境質(zhì)量和人體舒適度的目標(biāo)。
[0004]電致變色器件(Electrochromic Device ,EC Device)在外加電場(chǎng)的作用下發(fā)生穩(wěn)定、可逆顏色變化的現(xiàn)象。由于其具有對(duì)透射光強(qiáng)度的連續(xù)可調(diào)性、能量損耗低、具有開(kāi)路記憶功能等特點(diǎn)，其可實(shí)現(xiàn)人為主動(dòng)控制太陽(yáng)光進(jìn)光量與光譜范圍，完全符合寒熱帶、四季變換與使用者個(gè)人意志下的所有需求，因此，將人體工效學(xué)與電致變色器件相結(jié)合，可以滿足人們?cè)诓煌竟?jié)、地域、時(shí)間下，對(duì)適度自然光照及生理上和心理上舒適度需求也有利于減少建筑能耗，保護(hù)好環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種人體工效學(xué)智能窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)搭建方法。其可以滿足人們?cè)诓煌竟?jié)、地域、時(shí)間下，對(duì)適度自然光照及生理上和心理上舒適度需求。其系統(tǒng)搭建科學(xué)，功能完善，適合于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明所提供的人體工效學(xué)智能窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)搭建方法，包括以下步驟:
[0007]l)W03/Ni0電致變色器件的制備
[0008]采用溶膠凝膠法制備W03、Ni0薄膜，將所制備薄膜用于器件的組裝，其中5層膜電致變色器件結(jié)構(gòu)為:玻璃/IT0/Ni0/LiC104+PC+PMMA/W03/IT0/玻璃;在含有LiClO4的PC溶液中加入PMMA，不斷攪拌并加熱至60?80°C，在60?80°C下連續(xù)攪拌得凝膠型固態(tài)電解質(zhì)LiCl(k+PC+PMMA;將鍍有N1薄膜的ITO玻璃和鍍有WO3薄膜的ITO用凝膠型固態(tài)電解質(zhì)LiC104+PC+PMMA相對(duì)粘合在一起，器件四周用環(huán)氧樹脂密封;將器件在90?120°C下干燥2小時(shí)后，使溶膠完全固化，制備得到電致變色器件。
[0009]2)人體工效學(xué)智能窗系統(tǒng)的搭建
[0010]人體工效學(xué)智能窗系統(tǒng)主要包括:電致變色器件、感應(yīng)器、中央處理單元、控制單元和電源，電致變色器件安裝在房屋體系上，將感應(yīng)器件和電致變色器件、房屋體系內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行整合搭建，感應(yīng)器和中央處理單元連接，中央處理單元通過(guò)控制單元和電致變色器件連接，電致變色器件、感應(yīng)器、中央處理單元、控制單元等均和電源連接;其中電致變色器件主要用于對(duì)進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)光調(diào)節(jié)，其可對(duì)光的強(qiáng)度和波段進(jìn)行調(diào)控從而調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度和亮度;感應(yīng)器分為光感應(yīng)器(用于測(cè)太陽(yáng)光)和溫度感應(yīng)器(用于測(cè)室內(nèi)溫度)；中央處理單元為系統(tǒng)的智能控制系統(tǒng)，通過(guò)建立的數(shù)學(xué)模型將所測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)際需求相結(jié)合，計(jì)算出最優(yōu)的值并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)傳輸給控制單元，控制單元通過(guò)給電致變色器件輸出不同的電壓來(lái)改變其不同的顏色狀態(tài)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能控制。
[0011](3)根據(jù)人體工效學(xué)計(jì)算出步驟(2)房屋體系內(nèi)人體所最適于的溫度、亮度，并將其與人體工效學(xué)智能窗系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)建立數(shù)學(xué)模型，建立自然陽(yáng)光、室內(nèi)人體所最適于的溫度、亮度以及電壓信號(hào)之間的數(shù)學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同光照而進(jìn)行相應(yīng)變化的人體工效學(xué)高效智能窗戶系統(tǒng)。
[0012]整個(gè)系統(tǒng)如附圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)以硬件的搭建為基礎(chǔ)，數(shù)學(xué)模型建立為核心。
[0013]數(shù)學(xué)模型的建立通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或/和數(shù)學(xué)計(jì)算建立模型。
[0014]進(jìn)一步優(yōu)選:建立數(shù)學(xué)模型:
[0015]以晝光眩光指數(shù)(DGI)作為人體感知光的舒適度為主要參考因素，
[0016]無(wú)炫光舒適度E:
[0017]E = 0.92exp(_l.66X10—4Ls) (I)
[0018]其中Ls為窗亮度(人眼觀察窗外時(shí)，窗的亮度)；
[0019]不適炫光指數(shù)DG1:
[0020]DGI = 27.0+3.171n(-ln(E/0.9)) (2)
[0021]Ls = [Es/(JiX φ))]ΧΤ(ν，λ) (3)
[0022]其中Es為窗外光照度，T(VA)為不同電壓、波長(zhǎng)下的透過(guò)率，φ為與窗高度、寬度以及離窗位置相關(guān)的系數(shù)；
[0023]另一方面，相對(duì)于傳統(tǒng)玻璃，此種變色玻璃的優(yōu)勢(shì)在于負(fù)載電壓的作用下對(duì)可見(jiàn)光部分能夠進(jìn)行較大的吸收，減少了太陽(yáng)光對(duì)室內(nèi)的輻射，從而降低室內(nèi)的溫度。這一點(diǎn)，對(duì)于夏天光照高層向陽(yáng)建筑極為有利。
[0024]其中，以太陽(yáng)光直射輻射模型作為第二個(gè)參考因數(shù)，(不考慮地面與天空的散射):
[0025]對(duì)于接受陽(yáng)光的傾角為Θ的某一平面，其所接受的太陽(yáng)光直射輻射強(qiáng)度IDe表示為
[0026]Idb = IdnXcosP= (1Xpm) X cosP (4)
[0027]β為太陽(yáng)光入射角，1太陽(yáng)初始直射輻照強(qiáng)度，P為大氣入射指數(shù)，與大氣層厚度、消光系數(shù)等多種不確定因素有關(guān)，m為大氣指數(shù)，Idn為太陽(yáng)直射輻照強(qiáng)度；
[0028]則通過(guò)玻璃的輻射量I表示為:
[0029]I = (1-R(V,A)-T(V,A))Id0 (5)
[0030]R(V，A)、T(V，A)為不同電壓、波長(zhǎng)下變色玻璃的反射系數(shù)與透射系數(shù);加入電壓之后，對(duì)紫外光與可見(jiàn)光具有較強(qiáng)的阻擋，降低室內(nèi)所受的輻射量。不同的電壓的數(shù)值(小于最大工作電壓)能夠不同程度的吸收太陽(yáng)輻射;在室內(nèi)安裝溫度感應(yīng)器，并與電致變色玻璃進(jìn)行智能連接，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控室溫。從而在一定程度上減少空調(diào)的電耗，從而達(dá)到綠色節(jié)能的效果。
[0031]集中將參考因數(shù)進(jìn)行整合，以感應(yīng)器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，如晝光眩光指數(shù)(DGI)、室內(nèi)溫度(t)等為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，建立算法，計(jì)算出室內(nèi)最優(yōu)的亮度及溫度值，結(jié)合所制備器件實(shí)測(cè)的光學(xué)特性(τ(ν，λ))，算出此時(shí)所需電致變色器件的透過(guò)率值，并轉(zhuǎn)化為器件所需響應(yīng)的電壓信號(hào);整個(gè)模型以感應(yīng)器件實(shí)時(shí)所測(cè)數(shù)據(jù)和器件性能數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合最優(yōu)環(huán)境數(shù)據(jù)值而搭建的數(shù)學(xué)模型。
[0032]所述數(shù)學(xué)模型如下:
[0033]AXFi(DGI，E，Ls，T)+BXF2(t，T)=G(V) (6)
[0034]其中A，B為兩個(gè)函數(shù)的耦合系數(shù)，T為透射率，F(xiàn)KDGI，E，Ls，T)是以炫光系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)的電壓控制函數(shù)，F(xiàn)2(t，T)是以室內(nèi)溫度t為參考的電壓控制函數(shù)，通過(guò)G(V)供給電壓函數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)適合人光熱舒適度環(huán)境。
[0035]步驟I)中n(LiC104):v(PC):m(PMMA) =0.6mol:20ml:8.5g。
[0036]步驟I)不斷攪拌并加熱至60?80°C(優(yōu)選80°C)，在60?80°C(優(yōu)選80°C)下連續(xù)攪拌得凝膠型固態(tài)電解質(zhì)。
[0037]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn):
[0038]1、本發(fā)明將人體工效學(xué)與電致變色器件相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)射入室內(nèi)的太陽(yáng)光進(jìn)行智能控制，根據(jù)個(gè)體的需要進(jìn)行調(diào)光從而獲得最適人體的自然光照。
[0039]2、根據(jù)變色器件和系統(tǒng)模型的建立，分別針對(duì)可見(jiàn)和近紅外兩個(gè)不同能量區(qū)域加以調(diào)控，實(shí)現(xiàn)不同光譜區(qū)域的光譜峰位和強(qiáng)度的調(diào)控，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集與分析。進(jìn)而可以調(diào)整室內(nèi)的亮度和溫度，減少了照明和控溫用電。
[0040]3、本發(fā)明，通過(guò)改變電壓對(duì)于太陽(yáng)光中能量較高的紫外可見(jiàn)光部分能夠進(jìn)行充分的吸收，能夠一定量的減少室內(nèi)所受太陽(yáng)光的高溫?zé)彷椛?，能夠寄到綠色節(jié)能的作用。
[0041]4、整體系統(tǒng)裝置易于操作，原料成本低，具有高效節(jié)能的用途且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，可重復(fù)性高，適合于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0042]圖1為人體工效學(xué)智能窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)搭建模型示意圖。
[0043]圖2為電致變色器件不同狀態(tài)下的光譜圖
【具體實(shí)施方式】
[0044]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】，進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明決非僅局限于以下實(shí)施例。
[0045]l)W03/Ni0電致變色器件的制備
[0046]采用溶膠凝膠法制備W03、Ni0