新型建筑门窗采光性能检测系统设计原理和特点解析

葛大中，郑谣谣

（安徽省产品质量监督检验研究院，安徽 合肥 230601）

1 概 述

门窗是太阳光进入室内的通道，采光性能直接影响室内光环境质量。如果建筑物门窗具有良好的采光性能，人们白天在其中活动时就不需开灯，这样既对建筑节能有利，也增加居住舒适度；否则，如果建筑物门窗的采光性能不好，可能即使是晴天，人们在其中工作、学习、生活都要通过照明来满足视觉要求，这与节能建筑、生态建筑及国家的可持续发展的整体方针是相悖的。因此，为了保证室内具有良好的视觉条件，节约能源，就要求建筑门窗具有良好的采光性能。我国是一个自然光资源充足的国家，充分利用自然光资源，降低照明能耗，是节约建筑用能、提高建筑能源效率非常有效的途径；建筑门窗的采光性能是绿色建筑的重要控制指标之一。

新型建筑门窗采光系能检测系统由光源室、接收室、光源、照度计量装置、电源稳压调压装置、计算机监测系统等六部分组成。满足《建筑外窗采光性能分级及检测方法》（GB/T 11976—2002）标准的要求。专门设计开发的全自动测试系统，是国内首次开发出的高精度多通道照度测试系统。

2 新型建筑门窗采光性能检测系统原理、构造和特点

2.1 设计的理论依据

现行国家标准《建筑外窗采光性能分级及检测方法》（GB/T 11976-2002）对采光性能的定义：建筑外窗在漫射光照射下透过光的能力[1]。外窗的采光性能用透光折减系数表示，分为1～5级[2]，外窗采光性能分级见表1。

透光折减系数Tr计算公式[1]：

外窗采光性能分级 表1

式中：Tr——窗的透光折减系数

Ew——安装窗试件后光接收器的漫射光照度

E0——窗试件卸下后光接受器的漫射光照度

i——光接受器序号

j——数据采集次数序号

n——光接收器个数

m——数据采集次数

2.2 系统总体构造设计

建筑门窗采光性能检测系统，主要包括光源室、接收室、数据采集仪、照度计、电源稳压调压装置、计算机监测系统、试件、试件框、灯架、白炽灯、墙体、手持式照度仪，试件框四周内嵌灯架，灯架上均布安装白炽灯，与电源稳压调压装置构成光源系统；接收室内配置照度计、连接数据采集仪、计算机监测系统软件构成自动照度计量系统。

2.3 特点分析

2.3.1 试验室结构特点

实验室结构采用人工天穹的开发经验，极好地解决了采光性能实验室的照度不均现象，使得测试更精确稳定。实验室采用高漫反射率的涂层使得漫反射率达0.85以上，远大于国家标准要求的0.8。光源室内部使用空间为3200×3200×2400（mm），表面是主要成分为硫酸钡的漫反射涂层。

实验室可采用固定式和可移动式两种，方便了用户的使用，达到节约实验室和多功能使用目的。对于固定式实验室结构见图1，采用活动灯光源支架系统和无线接收传输及校准系统，光源支架系统可以设计为固定式和可移动式两种，作为拆除的可移动式光源支架系统在试验改建和搬迁中可以重复使用，避免重新建造，节约社会资源；对于活动式实验室，接收室和光源室放在导轨上，带有滑轮，采用75mm厚的聚胺酯彩钢板拼接而成。活动式实验室结构见图2。

2.3.2 灯架系统特点

试件框四周内嵌灯架，灯架上均布安装白炽灯构成的光源，使得光源系统照度均匀，反射在门窗每点照度误差最小，确保了采用白炽灯模拟太阳光进行测试的数据可靠性。光源组件采用特制灯架，每个灯架上安装有合适的进口连续谱光源(金卤灯)，更换维修极其方便，整个光源系统配有稳压系统，使得光源更加稳定。在灯架处设置可调扩散膜，以达到均匀照度的效果同时避免直射光的影响。

图1 固定式实验室

图2 可移动实验室设计结构[3]

2.3.3 计算机控制采集系统和数据处理软件系统一体化

采用计算机控制采集系统和数据处理软件系统一体化，可实现建筑门窗的快速测量，消除了人工采集对检测影响，去除了人为误差，消除了人工采集时实验人员本身对系统的影响，具有高精度的重复性。计算机监测系统软件具备实时对漫射光照度和透射漫射光照度等数据进行采集、计算、记录、保存的功能，检测项目全部结束后，计算机可自动计算出试件的透光折减系数和进行评定等级。

采用电参数控制的光源产生和接受系统、自动采集和一体化数据处理软件，实行精确、稳定的测试[4]。

2.3.4 试件的自动装夹功能

极大地方便了试件的安装和固定，减少了土木的施工不便，提高了安全性和可操作性。试件架设置照度传感器插口，便于无线传输测试传感器的布置，不影响实验室的光密性。

2.3.5 可靠的光源系统

光源室最大开口面积应小于室内表面积的10%；试件表面上的照度宜不小于1000lx，各点的照度差不应超过1%；光源应采用具有连续光谱的电光源，且应对称布置，并应有控光装置；光源应由稳压装置供电，其电压波动应不大于0.5%；光源安装位置应保证不得有直射光落到试件表面。设计满足《建筑外窗采光性能分级及检测方法》（GB/T 11976—2002）的规定要求、光源应按《总光通量标准白炽灯》（JJG247—2008）附录1规定方法进行稳定性检查符合要求、光接收器应按照《光照度计》（JJG245—2005）规定的一级照度计要求。系统检定综合性能：要求计量检定是对整个采光系统进行检定，而不是仅对4个接收器进行检定，提高了整个系统的准确性、稳定性和可靠性。

3 解决照度不均问题

3.1 照度不均形成的原因分析

依据光源室的几何尺寸和几何光学的反射定律可知(如图3，单位mm)，由于存在少量的镜面反射，使得试件洞口中心处出现了两边灯槽发出的光线经光源室背面反射后的汇聚光，导致此范围内的照度较大。其次由于试件框四周均凹入墙面，墙面对试件框上的入射光线有一定的遮挡，使得试件洞口处四周的照度较小。根据标准要求照度差不应超过1%是最大的控制难点。为了解决照度不均问题，该系统从试验室内部结构设计、可调节式光源悬架系统、可控光源设计方案和自动采集系统的综合设计，达到理想均匀照度。

图3 光源室几何构造及光线反射示意图[5]

3.2 实验室系统内部结构设计

采用人工天穹的设计开发理念，反射墙面采用独特曲面设计方案，解决了试件洞口处四周的照度较小、中间偏大的现象，避免了光照不均的情况的发生，设计详见图4。

图4 新型曲面设计光源室几何构造

3.3 可调节式光源悬架系统

同时采用新型4个独立可移动灯架系统，方便移动和拆装，上部灯架系统采用上下方向位置可调，在出现试件上部和下部光照度明显偏差是，通过摇动手柄可以调节上部灯架的高度达到试件上下部位光照度分部不均现象。

3.4 可控光源设计方案

光源的控制采用稳定的稳压电源控制方式，由于供电网的实用用户的变化，直接使用电网电压有波动的的情况，采用了稳压电源的设计，使供给光源系统的的电压始终稳定在220V，在电压上避免了电压的波动带来精度的偏差和关照度的不均匀型和前后检测的差别。同时采用综合交错的灯带分部，实现各个方向的光照强度均匀，通过三种交错灯光源调压器分别控制，利用灯光的交错分部，来控制发光强度的均匀，三相电压调控实现无级连续调压，实现高精度控制。在四边独立的灯架分别安装3个转向大灯，分别由三相控制调压器控制，根据光照度在试件的分布情况，调整3个大灯的角度，实现光照度分布场的微调。

3.5 自动采集系统

设计采用自动照度计量装置与计算机监测系统组成的测试系统，采用计算机控制采集系统和数据处理软件系统一体化，对数据进行采集、计算、记录、保存。采集传感器采用数字式照度传感器，采用自动采集系统，克服了人工手持式测量引起的光照度不均匀，同时避免了强光对检测、校准和计量检定人员的眼晴的伤害。

4 结 语

新型建筑门窗采光性能检测系统采用试验室内表面反光设计原理，用白色乳胶漆形成一定粗糙度的漫反射系统；研制出独特的灯光源系统，使得光源系统照度均匀，反射在窗户每点照度误差最小；研制出布局合理的接收系统，接受精度高于标准要求；采用计算机控制采集系统和数据处理软件系统一体化，消除了人工采集对检测影响，使得具有高精度的重复性，去除了人为误差，消除了人工采集时试验人员本身对系统影响。同时对建筑外窗采光检测系统进行整体调试及性能研究，开发出的新设备能更好的服务各建筑外窗的生产企业。建筑外窗采光性能检测系统的开发将完善建筑外窗的已有的检测项目，满足国家建筑节能产品质量监督检验中心建筑外窗的采光性能检测，促使国家建筑节能中心率先成为国内门窗节能检验项目齐全，检测能力较强的技术机构。新型建筑门窗采光性能检测系统系统装置设计独特、新颖，自动采集、控制准确；运行稳定、可靠，满足标准的要求，在性价比和检测效率、功能方面处于国内领先水平。

[1]GB/T 11976-2002，建筑外窗采光性能分级及检测方法[S].北京：中国标准出版社，2002.

[2]GB/T 8478-2008，铝合金门窗[S].北京：中国标准出版社，2009.

[3]葛大中，方明.一种建筑门窗采光性能检测系统［P］.申请专利号：201210226498.4，2012.

[4]皖科鉴字[2012]第317号,《建筑外窗采光性能检测系统》科学技术成果鉴定证书[Z].2012.

[5]戴天兴,杨红霞,张树燕.建筑外窗采光性能检测实验室试件表面上照度不均匀性的分析[J].门窗,2007(1).