百叶角度优化与调光效果模拟研究

吴克跃，李 棕

(皖西学院 电气与光电工程学院，安徽 六安 237000)

随着社会经济的发展，人类对能源需求越来越大，节约能源成为时代主题。在能源需求中，电力能源占重要的部分。研究表明，建筑照明用电占我国总电力能源的16%左右[1]，因此，如何在建筑照明中节约使用电力能源是节能减排的重要课题。建筑室内照明光源主要有太阳光和人造光源，在室内照明中充分利用太阳光对节能具有重要的意义。然而，目前在利用太阳光进行室内照明还存在很多不足，比如：在办公室、学校教室中，由于太阳光照度太高(>105LX)，在没有遮阳的情况下会对人的视觉器官造成不良影响，甚至影响人的生理和心理。因此，人们经常在办公室和教室采用窗帘进行遮光。但是，采用窗帘遮光大大降低了太阳光的利用，不利电能的节约。因此，如何对室内太阳光进行控制引起了国内外研究者的关注。LEE等人利用百叶对太阳光进行控制[2，3]。研究表明，动态调节百叶的角度可以显著地实现节能效果，但他们对百叶窗只进行了3个角度的调节。Tzempelikos等人采用集成百叶对太阳光进行控制[4]，通过调节百叶角度在实现高效利用太阳光的同时，也解决了眩光问题。张飞等人使用自适应模糊控制调控百叶窗的角度[5]，并进而控制室内人工光源的亮度，得到了工作面照度的控制。潘攀采用基于照度反馈的百叶窗控制方法[6]，实现了室内照度的可控性。但是，不同时间下百叶窗角度对室内照度影响的详细研究尚未见报道。

本文利用DIALUX软件模拟了不同时间下不同百叶角度时日光在室内的照度，并详细研究了室内照度的变化规律，为进一步优化百叶窗角度和提高照明效果提供理论支持。

1 模型建立及仿真

1.1 系统模型

本文所研究的室内空间为朝南开窗采光，窗户宽为4.6米，高为1.4米，距离地面1.2米。百叶片数为28个，长为4.6米，宽为0.07米，间距为0.05米。工作面距离窗户1.0米，长为1.2米，宽为0.6米。所建模型如图1所示。房间各面反射系数分别为：墙壁为50%、天花板为70%、地面为20%、百叶为75%、玻璃为10%。

图1 DIALUX仿真模型

1.2 系统仿真

为了系统研究百叶角度对室内工作面照明的影响，本文仿真了不同月份、不同时刻以及不同百叶角度室内工作面(桌面)照度。仿真了2021年1月到12月，上午8:00至下午16:00,百叶角度从15度到90度的工作面照度(百叶水平时为90度)。

表1 1月份某晴天仿真数据

2 仿真结果与分析

2.1 仿真结果

图2模拟了1月份8:00时某晴天室内工作面照度随百叶角度变化的关系。从图中可以看出，随着角度从90度变化到-85度，工作面照度变化呈“S”状。

图2 工作面照度随百叶窗角度变化关系曲线

图3为1月份某晴天不同时刻和不同百叶角度工作面照度的变化曲线。从图中可以看出，当百叶角度一定时，随着时间从早晨8:00到下午16:00，工作面照度先升高后降低，其中中午12:00照度最高。从图1中还可以看出，随着百叶角度从15度增加到90度，工作面照度总体是先升高后降低。但是百叶角度从40度增加到85度时，出现严重的眩光现象。

图3 1月份某晴天不同时刻和不同百叶角度工作面照度变化曲线

根据《建筑照明设计标准》GB50034—2013，专业室内办公或学习照明标准为500 lx。图4(a)为不同月份和不同时刻工作面照度约为500 lx的百叶角度关系图。从图中可以看出，时间从8∶00到16∶00为了把工作面照度控制在500 lx附近，百叶角度先降低后增加。

从图中还可以看出，随着月份从1月到12月，为达到500 lx照度的要求，百叶角度先增加后降低，如图4(b)所示。

2.2 结果分析

影响室内照明的主要因素有工作面位置、窗户大小和位置、百叶角度以及太阳位置等[6]。本文所研究室内照明的工作面位置、窗户大小和位置已固定，因此影响室内照明的因素有百叶角度和太阳位置。

图5为太阳高度角γ示意图。

图4 百叶窗角度随时刻和月份变化曲线

图5 太阳高度角示意图

太阳高度角满足以下公式：[7-10]

sinγ=sinφ·sinδ+cosφ·cosδ·cosΩ

(1)

其中δ表示太阳赤纬角，满足以下公式：

(2)

对于北半球，δ最大值为+23° 27′，最小值为-23°27′。

φ为当地纬度，Ω为太阳时角。

Ω=(TT-12)×15

(3)

其中TT为真太阳时(TT=0,1,2……24)。

从上面公式可以看出，在特定纬度地理位置，太阳高度角遵循以下规律：从早上到傍晚，太阳高度角先增大后减小；从冬季到夏季，太阳高度角先增大后减小。根据太阳角随时刻和季节变化规律，要使工作面达到特定的照度，百叶窗角度随时刻增加先减小后增大，随月份增大先增大后减小。

3 结论

本文利用DIALUX照明设计软件研究了日光对室内照明效果的影响。通过改变不同百叶角度、不同月份以及不同时刻模拟了日光在室内的照明效果。结果表明通过规律性改变百叶角度可以在不同月份、不同时刻得到特定室内照明需求。这一结果为后期智能百叶调控提供了必要的理论支持。