新型建筑門窗采光性能檢測系統設計原理和特點解析

葛大中，鄭謠謠

（安徽省產品質量監督檢驗研究院，安徽 合肥 230601）

1 概 述

門窗是太陽光進入室內的通道，采光性能直接影響室內光環境質量。如果建筑物門窗具有良好的采光性能，人們白天在其中活動時就不需開燈，這樣既對建筑節能有利，也增加居住舒適度；否則，如果建筑物門窗的采光性能不好，可能即使是晴天，人們在其中工作、學習、生活都要通過照明來滿足視覺要求，這與節能建筑、生態建筑及國家的可持續發展的整體方針是相悖的。因此，為了保證室內具有良好的視覺條件，節約能源，就要求建筑門窗具有良好的采光性能。我國是一個自然光資源充足的國家，充分利用自然光資源，降低照明能耗，是節約建筑用能、提高建筑能源效率非常有效的途徑；建筑門窗的采光性能是綠色建筑的重要控制指標之一。

新型建筑門窗采光系能檢測系統由光源室、接收室、光源、照度計量裝置、電源穩壓調壓裝置、計算機監測系統等六部分組成。滿足《建筑外窗采光性能分級及檢測方法》（GB/T 11976—2002）標準的要求。專門設計開發的全自動測試系統，是國內首次開發出的高精度多通道照度測試系統。

2 新型建筑門窗采光性能檢測系統原理、構造和特點

2.1 設計的理論依據

現行國家標準《建筑外窗采光性能分級及檢測方法》（GB/T 11976-2002）對采光性能的定義：建筑外窗在漫射光照射下透過光的能力[1]。外窗的采光性能用透光折減系數表示，分為1～5級[2]，外窗采光性能分級見表1。

透光折減系數Tr計算公式[1]：

外窗采光性能分級 表1

式中：Tr——窗的透光折減系數

Ew——安裝窗試件后光接收器的漫射光照度

E0——窗試件卸下后光接受器的漫射光照度

i——光接受器序號

j——數據采集次數序號

n——光接收器個數

m——數據采集次數

2.2 系統總體構造設計

建筑門窗采光性能檢測系統，主要包括光源室、接收室、數據采集儀、照度計、電源穩壓調壓裝置、計算機監測系統、試件、試件框、燈架、白熾燈、墻體、手持式照度儀，試件框四周內嵌燈架，燈架上均布安裝白熾燈，與電源穩壓調壓裝置構成光源系統；接收室內配置照度計、連接數據采集儀、計算機監測系統軟件構成自動照度計量系統。

2.3 特點分析

2.3.1 試驗室結構特點

實驗室結構采用人工天穹的開發經驗，極好地解決了采光性能實驗室的照度不均現象，使得測試更精確穩定。實驗室采用高漫反射率的涂層使得漫反射率達0.85以上，遠大于國家標準要求的0.8。光源室內部使用空間為3200×3200×2400（mm），表面是主要成分為硫酸鋇的漫反射涂層。

實驗室可采用固定式和可移動式兩種，方便了用戶的使用，達到節約實驗室和多功能使用目的。對于固定式實驗室結構見圖1，采用活動燈光源支架系統和無線接收傳輸及校準系統，光源支架系統可以設計為固定式和可移動式兩種，作為拆除的可移動式光源支架系統在試驗改建和搬遷中可以重復使用，避免重新建造，節約社會資源；對于活動式實驗室，接收室和光源室放在導軌上，帶有滑輪，采用75mm厚的聚胺酯彩鋼板拼接而成。活動式實驗室結構見圖2。

2.3.2 燈架系統特點

試件框四周內嵌燈架，燈架上均布安裝白熾燈構成的光源，使得光源系統照度均勻，反射在門窗每點照度誤差最小，確保了采用白熾燈模擬太陽光進行測試的數據可靠性。光源組件采用特制燈架，每個燈架上安裝有合適的進口連續譜光源(金鹵燈)，更換維修極其方便，整個光源系統配有穩壓系統，使得光源更加穩定。在燈架處設置可調擴散膜，以達到均勻照度的效果同時避免直射光的影響。

圖1 固定式實驗室

圖2 可移動實驗室設計結構[3]

2.3.3 計算機控制采集系統和數據處理軟件系統一體化

采用計算機控制采集系統和數據處理軟件系統一體化，可實現建筑門窗的快速測量，消除了人工采集對檢測影響，去除了人為誤差，消除了人工采集時實驗人員本身對系統的影響，具有高精度的重復性。計算機監測系統軟件具備實時對漫射光照度和透射漫射光照度等數據進行采集、計算、記錄、保存的功能，檢測項目全部結束后，計算機可自動計算出試件的透光折減系數和進行評定等級。

采用電參數控制的光源產生和接受系統、自動采集和一體化數據處理軟件，實行精確、穩定的測試[4]。

2.3.4 試件的自動裝夾功能

極大地方便了試件的安裝和固定，減少了土木的施工不便，提高了安全性和可操作性。試件架設置照度傳感器插口，便于無線傳輸測試傳感器的布置，不影響實驗室的光密性。

2.3.5 可靠的光源系統

光源室最大開口面積應小于室內表面積的10%；試件表面上的照度宜不小于1000lx，各點的照度差不應超過1%；光源應采用具有連續光譜的電光源，且應對稱布置，并應有控光裝置；光源應由穩壓裝置供電，其電壓波動應不大于0.5%；光源安裝位置應保證不得有直射光落到試件表面。設計滿足《建筑外窗采光性能分級及檢測方法》（GB/T 11976—2002）的規定要求、光源應按《總光通量標準白熾燈》（JJG247—2008）附錄1規定方法進行穩定性檢查符合要求、光接收器應按照《光照度計》（JJG245—2005）規定的一級照度計要求。系統檢定綜合性能：要求計量檢定是對整個采光系統進行檢定，而不是僅對4個接收器進行檢定，提高了整個系統的準確性、穩定性和可靠性。

3 解決照度不均問題

3.1 照度不均形成的原因分析

依據光源室的幾何尺寸和幾何光學的反射定律可知(如圖3，單位mm)，由于存在少量的鏡面反射，使得試件洞口中心處出現了兩邊燈槽發出的光線經光源室背面反射后的匯聚光，導致此范圍內的照度較大。其次由于試件框四周均凹入墻面，墻面對試件框上的入射光線有一定的遮擋，使得試件洞口處四周的照度較小。根據標準要求照度差不應超過1%是最大的控制難點。為了解決照度不均問題，該系統從試驗室內部結構設計、可調節式光源懸架系統、可控光源設計方案和自動采集系統的綜合設計，達到理想均勻照度。

圖3 光源室幾何構造及光線反射示意圖[5]

3.2 實驗室系統內部結構設計

采用人工天穹的設計開發理念，反射墻面采用獨特曲面設計方案，解決了試件洞口處四周的照度較小、中間偏大的現象，避免了光照不均的情況的發生，設計詳見圖4。

圖4 新型曲面設計光源室幾何構造

3.3 可調節式光源懸架系統

同時采用新型4個獨立可移動燈架系統，方便移動和拆裝，上部燈架系統采用上下方向位置可調，在出現試件上部和下部光照度明顯偏差是，通過搖動手柄可以調節上部燈架的高度達到試件上下部位光照度分部不均現象。

3.4 可控光源設計方案

光源的控制采用穩定的穩壓電源控制方式，由于供電網的實用用戶的變化，直接使用電網電壓有波動的的情況，采用了穩壓電源的設計，使供給光源系統的的電壓始終穩定在220V，在電壓上避免了電壓的波動帶來精度的偏差和關照度的不均勻型和前后檢測的差別。同時采用綜合交錯的燈帶分部，實現各個方向的光照強度均勻，通過三種交錯燈光源調壓器分別控制，利用燈光的交錯分部，來控制發光強度的均勻，三相電壓調控實現無級連續調壓，實現高精度控制。在四邊獨立的燈架分別安裝3個轉向大燈，分別由三相控制調壓器控制，根據光照度在試件的分布情況，調整3個大燈的角度，實現光照度分布場的微調。

3.5 自動采集系統

設計采用自動照度計量裝置與計算機監測系統組成的測試系統，采用計算機控制采集系統和數據處理軟件系統一體化，對數據進行采集、計算、記錄、保存。采集傳感器采用數字式照度傳感器，采用自動采集系統，克服了人工手持式測量引起的光照度不均勻，同時避免了強光對檢測、校準和計量檢定人員的眼晴的傷害。

4 結 語

新型建筑門窗采光性能檢測系統采用試驗室內表面反光設計原理，用白色乳膠漆形成一定粗糙度的漫反射系統；研制出獨特的燈光源系統，使得光源系統照度均勻，反射在窗戶每點照度誤差最小；研制出布局合理的接收系統，接受精度高于標準要求；采用計算機控制采集系統和數據處理軟件系統一體化，消除了人工采集對檢測影響，使得具有高精度的重復性，去除了人為誤差，消除了人工采集時試驗人員本身對系統影響。同時對建筑外窗采光檢測系統進行整體調試及性能研究，開發出的新設備能更好的服務各建筑外窗的生產企業。建筑外窗采光性能檢測系統的開發將完善建筑外窗的已有的檢測項目，滿足國家建筑節能產品質量監督檢驗中心建筑外窗的采光性能檢測，促使國家建筑節能中心率先成為國內門窗節能檢驗項目齊全，檢測能力較強的技術機構。新型建筑門窗采光性能檢測系統系統裝置設計獨特、新穎，自動采集、控制準確；運行穩定、可靠，滿足標準的要求，在性價比和檢測效率、功能方面處于國內領先水平。

[1]GB/T 11976-2002，建筑外窗采光性能分級及檢測方法[S].北京：中國標準出版社，2002.

[2]GB/T 8478-2008，鋁合金門窗[S].北京：中國標準出版社，2009.

[3]葛大中，方明.一種建筑門窗采光性能檢測系統［P］.申請專利號：201210226498.4，2012.

[4]皖科鑒字[2012]第317號,《建筑外窗采光性能檢測系統》科學技術成果鑒定證書[Z].2012.

[5]戴天興,楊紅霞,張樹燕.建筑外窗采光性能檢測實驗室試件表面上照度不均勻性的分析[J].門窗,2007(1).