歐陽金龍,莫文生,王春苑
(四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610065)
縮尺模型以相似原理為理論基礎(chǔ)[1],其實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅準(zhǔn)確、形象、重復(fù)性好,且可以節(jié)省大量的材料、資金和時(shí)間等,還能實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)方案的比較和優(yōu)化。因此,縮尺模型被廣泛應(yīng)用于熱力學(xué)、工程結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)、氣象等領(lǐng)域[2-3]。在建筑光學(xué)領(lǐng)域中,也常利用縮尺模型在人工天穹或自然光環(huán)境下開展建筑自然采光的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[4-5]。
導(dǎo)光管采光系統(tǒng)是一種新型的建筑自然采光技術(shù),通常由集光器、導(dǎo)光管和漫射器組成(見圖1),有時(shí)根據(jù)需要也安裝一些彎頭用以連接室內(nèi)外。雖然與傳統(tǒng)的門窗等洞口采光有一些區(qū)別[6],但如果將集光器和漫射器視為完全透明材料,則至少直管式導(dǎo)光管采光系統(tǒng)可視為一種小型采光天井。因此,國(guó)外一些研究者也應(yīng)用縮尺模型分析各種特殊的導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的采光性能[7-9]。然而,縮尺模型究竟可否用于評(píng)價(jià)導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的采光效果,至今沒有文獻(xiàn)從理論或?qū)嶒?yàn)方面給予證明。為此,本文設(shè)計(jì)制作縮尺模型的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置,并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法,驗(yàn)證縮尺模型方法評(píng)價(jià)導(dǎo)光管采光系統(tǒng)采光效果的可行性,為今后將導(dǎo)光管采光系統(tǒng)縮尺模型實(shí)驗(yàn)引入建筑光學(xué)的教學(xué)中奠定實(shí)踐基礎(chǔ)。
圖1 導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的構(gòu)造示意圖
導(dǎo)光管采光系統(tǒng)一般安裝在無窗或地下空間,導(dǎo)光管需要一定的長(zhǎng)度,便于將室外天然光引導(dǎo)入室內(nèi)。為了避免彎頭產(chǎn)生光損失,通常導(dǎo)光管是圓筒狀的直管。如果漫射器是普通的透明材料,則被照射房間地面的照度分布也是呈圓形,由大而小逐漸向外散開。根據(jù)導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的工作原理,設(shè)計(jì)縮尺模型的原型如下:
(1)被照房間的尺寸設(shè)為3 m(長(zhǎng))×3 m(寬)×3 m(高),導(dǎo)光管采光系統(tǒng)安裝在房間頂部正中心,底部與被照房間頂面齊平。
(2)由于圓筒狀導(dǎo)光管在實(shí)驗(yàn)室制作較困難,化圓為方,且為了方便制作、安裝和實(shí)驗(yàn),導(dǎo)光管改設(shè)為3 m 高的方形筒體,即圖1 中圓形導(dǎo)光管直徑D改為方形邊長(zhǎng)D。
(3)為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)論的普遍性,設(shè)計(jì)了兩種規(guī)格的導(dǎo)光管采光系統(tǒng),分別為D1000(即導(dǎo)光管截面為邊長(zhǎng)1 000 mm 的方形筒體)和D600(即導(dǎo)光管截面為邊長(zhǎng)600 mm 的方形筒體)。如果可以從不同規(guī)格導(dǎo)光管采光系統(tǒng)縮尺模型實(shí)驗(yàn)中得到基本相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,那么至少可以證明這種結(jié)論具有一定的普遍性。
(4)為了制作簡(jiǎn)便,擬采用同一材料制作被照房間和導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的模型。
與原型相比,縮尺模型唯一的不同之處在于:導(dǎo)光管采光系統(tǒng)與被照房間的所有物理尺寸“同時(shí)等比例縮小”,而兩者的相對(duì)位置、導(dǎo)光管內(nèi)壁面的光反射比、集光器與漫射器的光透射比等都保持不變。
因?qū)嶒?yàn)場(chǎng)地的限制,同時(shí)綜合考慮實(shí)驗(yàn)裝置的制作代價(jià)和操作安全,沒有制作1∶1 比例的原型,而是分別為兩種不同規(guī)格導(dǎo)光管采光系統(tǒng)各制作了兩種不同縮尺比例的模型,編號(hào)依次為D10001∶5和D10001∶10及D6001∶5和D6001∶10,見圖2。與原型相比,兩種不同比例的縮尺模型分別縮小為1/5 和1/10,其相關(guān)尺寸見表1。如果可以從不同比例的實(shí)驗(yàn)?zāi)P椭械玫交鞠嗤臏y(cè)試結(jié)果,那就證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性好。
圖2 導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的縮尺模型實(shí)物和測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)
表1 導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的縮尺模型的相關(guān)尺寸 mm
模型(包括被照房間和導(dǎo)光管采光系統(tǒng))均采用材料10 mm 厚薄木板制成,可以保證表面平整度,內(nèi)表面均噴涂淺色涂料。經(jīng)測(cè)試這種板材的光反射比約為0.71;在導(dǎo)光管上、下各粘貼一張約2 mm 厚的無色透明有機(jī)玻璃,當(dāng)作漫射器和集光器,經(jīng)測(cè)試這種有機(jī)玻璃的光透射比約為0.85。
如果光學(xué)測(cè)試環(huán)境可控,就可保證測(cè)試數(shù)據(jù)的重復(fù)性,故最初的計(jì)劃是依照普通的人工天穹建筑自然采光實(shí)驗(yàn)要求[10],在室內(nèi)人工天穹下進(jìn)行導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的縮尺模型實(shí)驗(yàn)。然而,由于人工天穹內(nèi)亮度較低,被照房間外頂部的照度很難達(dá)到1 000 lx,若被測(cè)房間內(nèi)平均采光系數(shù)只有1%,那么有些測(cè)點(diǎn)的照度可能只有幾勒克斯,照度過小會(huì)導(dǎo)致照度測(cè)試數(shù)據(jù)的誤差過大。所以,選擇了一個(gè)全陰天,在我校室外開敞的空地安裝了被照房間和導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的縮尺模型。
選用了2 套多通道照度計(jì)(見圖2),各帶8 個(gè)測(cè)試探頭,即可同時(shí)測(cè)試8 個(gè)測(cè)點(diǎn)的照度;測(cè)試時(shí)間間隔設(shè)定為15 s,即每分鐘記錄4 次照度數(shù)據(jù)。測(cè)試前,由于校正后確定1 個(gè)探頭數(shù)據(jù)偏差較大,故只選擇了15 個(gè)探頭。
根據(jù)縮尺模型的大小,在被照房間的底板上用黑筆劃分出8×8 網(wǎng)格線,1∶5 模型的網(wǎng)格線間距為75 mm,而1∶10 模型的網(wǎng)格線間距為37.5 mm;將照度計(jì)的探頭放置在網(wǎng)格線的交叉點(diǎn)上;因探頭數(shù)量有限,只能測(cè)試室內(nèi)13 個(gè)有代表性的測(cè)點(diǎn),具體分布見圖3。為了數(shù)據(jù)整理比較方便,1∶5 模型的室內(nèi)13個(gè)測(cè)點(diǎn)分別命名為A00—A12,室外2 個(gè)測(cè)點(diǎn)為EA01和EA02;而1∶10 模型的室內(nèi)13 個(gè)測(cè)點(diǎn)分別命名為B00—B13,室外2 個(gè)測(cè)點(diǎn)為EB01 和EB02。
依次測(cè)試D6001∶5、D10001∶5、D10001∶10、D6001∶10模型的室內(nèi)外照度E,并保證每個(gè)縮尺模型測(cè)試時(shí)間在15 min 以上。由于需要更換模型和重新布置測(cè)試探頭,不同模型測(cè)試之間會(huì)有一定時(shí)間間斷,故測(cè)試共用時(shí)約1.5 h。測(cè)試結(jié)果見圖4 和5。
圖3 縮尺模型測(cè)試中照度測(cè)點(diǎn)的布置圖
圖4 D1000 的兩種縮尺比例模型內(nèi)、外照度的測(cè)試結(jié)果
考慮到測(cè)試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,掐頭去尾,截取每個(gè)模型測(cè)試期間中的10 min 數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù),即每個(gè)模型選取40 組照度數(shù)據(jù)。整理各模型的室內(nèi)外照度測(cè)試結(jié)果,并用圖4—5 表示各測(cè)點(diǎn)的照度變化情況。由于室外照度遠(yuǎn)大于室內(nèi)照度,為了在一張圖內(nèi)表示所有測(cè)點(diǎn)的照度變化情況,圖4—5 中室外測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值分別除以20 和50。
由圖4—5 中測(cè)試結(jié)果可以看出:
(1)室外兩測(cè)點(diǎn)照度之間的差距較小,基本上相近;在每個(gè)模型的測(cè)試期間內(nèi),室外照度的變化較小,基本上比較平穩(wěn),但也發(fā)生了一些小幅度的變化,導(dǎo)致模型內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的照度也會(huì)隨時(shí)間發(fā)生微小變化。但如表2 所示,各模型測(cè)試期間內(nèi),室內(nèi)外照度值相對(duì)比較穩(wěn)定,相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)并不大。室外照度的RSD 最大值為5.23%;室內(nèi)照度的RSD 最大值為8.23%,來自于D6001:5的測(cè)點(diǎn)A01。
(2)對(duì)于D1000 模型,測(cè)點(diǎn)00—04 均處于導(dǎo)光管正下方,照度數(shù)值高于測(cè)點(diǎn)05—12;與模型中心距離相同的測(cè)點(diǎn)的照度數(shù)據(jù)比較接近。
圖5 D600 的兩種縮尺比例模型內(nèi)、外照度的測(cè)試結(jié)果
表2 不同模型測(cè)試期間內(nèi)各測(cè)點(diǎn)照度值的RSD %
(3)對(duì)于D600 模型,只有測(cè)點(diǎn)00 處于導(dǎo)光管正下方,故照度數(shù)值最高,其次是測(cè)點(diǎn)01—04,最低是測(cè)點(diǎn)05—12。
由于測(cè)試不同模型時(shí)室外照度不同,故不能直接比較兩種不同縮尺比例模型的室內(nèi)照度。通常,評(píng)價(jià)傳統(tǒng)建筑自然采光效果的指標(biāo)是采光系數(shù)(DF);而評(píng)價(jià)導(dǎo)光管采光系統(tǒng)采光效果的指標(biāo)則是采光穿透系數(shù)(DPF),相當(dāng)于采光系數(shù)[11]。根據(jù)式(1)可計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的DPF,測(cè)試階段各測(cè)點(diǎn)平均DPF 的計(jì)算結(jié)果詳見表3,并利用圖6—7 詳細(xì)描繪各測(cè)點(diǎn)DPF 隨時(shí)間的變化情況。
式(1)中,DPFi(x,y,z)和Ei(x,y,z)分別為室內(nèi)某測(cè)點(diǎn)在某一時(shí)刻的采光穿透系數(shù)和照度,而Ew為室外同一時(shí)刻的照度(lx)。
由表3 可知,1∶5 模型內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的DPF 基本上與1∶10 模型內(nèi)相對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的DPF 相同,最大誤差來自于D10001∶5和D10001∶10的測(cè)點(diǎn)07,為9.95%。
由圖6—7 可以看出:(1)不同比例模型之間的平均DPF 相差較小,D10001∶5的平均DPF 為3.55%,D10001∶10的平均DPF 為3.43%,而D600 的兩個(gè)模型的平均DPF 相同,均為0.88%;(2)雖然各測(cè)點(diǎn)的DPF 隨時(shí)間有一定的起伏,沒有預(yù)想中的穩(wěn)定不變,但如表4 所示,各點(diǎn)DPF 在其測(cè)試期間的RSD 并不大,RSD 的最高值為4.17%,來自于D6001∶5的測(cè)點(diǎn)A01。
如果考慮到探頭放置時(shí)的微小偏移、模型制作的微小尺寸誤差,以及測(cè)試期間全陰天環(huán)境的變化,那么就可以肯定:縮尺模型可以再現(xiàn)直管式導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的采光效果,只是縮小版而已。
既然縮尺模型可以再現(xiàn)直管式導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的采光環(huán)境,那么這種方法也可用于導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究以及導(dǎo)光管采光設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化,因此值得進(jìn)一步深入研究。比如,夯實(shí)導(dǎo)光管采光系統(tǒng)縮尺模型的理論基礎(chǔ);或者聯(lián)合專業(yè)導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的生產(chǎn)企業(yè),制作高質(zhì)量的導(dǎo)光管采光系統(tǒng)縮尺模型;并可結(jié)合高清相機(jī)、動(dòng)態(tài)采光模擬軟件等,進(jìn)一步采用理論、模擬和實(shí)驗(yàn)等手段、全方面地比較和分析縮尺模型與原型的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)光學(xué)指標(biāo)(如 daylight autonomy、useful daylight illuminance 等[12])的區(qū)別與聯(lián)系,從而更有力地證明這個(gè)簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。
表3 采光穿透系數(shù)DPF 的計(jì)算結(jié)果及不同模型之間的相對(duì)差 %
圖6 D1000 模型內(nèi)各測(cè)點(diǎn)DPF 的變化情況
圖7 D600 模型內(nèi)各測(cè)點(diǎn)DPF 的變化情況
表4 不同模型測(cè)試期間內(nèi)各測(cè)點(diǎn)DPF 的RSD %
為了利用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證縮尺模型評(píng)價(jià)直管式導(dǎo)光管采光系統(tǒng)采光效果的可行性,設(shè)計(jì)制作了兩種不同規(guī)格方形直管式導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)裝置,共4 組縮尺模型。通過測(cè)試、計(jì)算、比較和分析,確定了同一裝置內(nèi)兩種不同縮尺比例模型內(nèi)采光穿透系數(shù)(DPF)分布及平均DPF 值基本相同,差別小于10%,從而證明了縮尺模型可用于評(píng)價(jià)直管式導(dǎo)光管采光系統(tǒng)的采光效果,為今后導(dǎo)光管采光系統(tǒng)縮尺模型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究等奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)。