研究者：中国人民大学附属中学遇辰昊
指导教师：姜凤敏李作林
【摘要】 现代都市中，建筑遮阳方式的简单、落后带来了大量的能源消耗，成为城市里不容忽视的“能源黑洞”。一些公用服务性建筑（如候车亭、汽车站、火车站）在满足建筑外观美观的时候，几乎全部忽视了太阳能循环利用的问题，往往带来更大的电能和冷却或保温设备的浪费。太阳能是一种取之不尽、用之不竭、洁净安全的可再生资源。对此，本研究从家庭居室遮阳入手，设计制作了“双轴驱动下的追踪式太阳能遮阳系统”，它能够将遮阳装置从单纯的固定式、手动式遮阳板改进为自动调节角度、全向追踪太阳日照轨迹、利用太阳能实现能源自给、“自发自用”的智能系统。该系统的设计原理同样适用于公共服务设施的遮阳。
【关键词】 双轴驱动；自控式遮阳；太阳能；能源自给
一、引言
今日的都市，拥有着多种多样的建筑物，在尽情展现建筑艺术和创新设计的同时，潜藏着巨大的建筑能源消耗问题。根据2013年5月的统计，建筑能耗占了整个城市能源消耗的40%以上，而跟天气和日照直接关联的空调能耗，几乎是建筑能耗的全部。[1]巨大的太阳光辐射量，不仅成了能耗的根源，也大大降低了建筑物室内的舒适度。
（一）建筑遮阳方式的不足
现有的建筑遮阳方式一般有以下几种：
（1）利用绿化遮阳。低层建筑往往利用路边植树来遮阳，这是最为环保的方式，但仅限于老旧小区和平房。
（2）利用建筑构件遮阳。在两层楼之间的外立面上，有明显突出窗的挑檐或阳台，像帽檐一样，能够起到一定的遮阳作用，通常也较为美观，但遮阳效果极为有限（见图1）。
（3）外装遮阳装置。在窗户内（外）安装横向（纵向）百叶帘，或者在窗户外安装水平（垂直）遮阳板等。常见于普通民用建筑、写字楼。但其不足是明显的：百叶帘需要手工控制，无法自动调节；户外遮阳板角度固定，遮阳作用有限（见图2）。部分新建楼房安装了电动遮阳帘（见图3、图4）。但其调节方式是人工设定，没有季节和楼层的差别，只能人工操控，智能化不足，并且严重影响室内采光。
图1 利用建筑构件遮阳
图2 简陋的外遮阳
图3 电动遮阳帘（外观）
图4 电动遮阳帘（内部）
（4）太阳能遮阳板。目前，国内利用太阳能遮阳的例子也不少。清华大学的“节能楼”拥有目前国内最先进的自动遮阳装置（见图5），楼南侧墙上是宽宽长长的遮光板，安装在楼两侧的导轨上，就像飞机的机翼。导轨随着阳光的变化伸缩，调节遮阳范围，保证大楼从早6点到晚6点的12小时内避免阳光直射。但它的造价极高，占用建筑外部空间较大，同时，支撑构件因为体积和重量过大，每次伸缩都耗费大量电力，据工作人员讲，按照它节约的照明成本计算，要收回成本，需要上百年。但不可否认的是，整个“节能楼”是一座融绿色、生态、环保、节能理念于一体的先锋试验建筑，使用了近百项国内外最先进的建筑节能技术，不愧为一件“科技展示品”。[2]
图5 清华大学“节能楼”的伸缩遮阳系统[2]
（5）新型建筑的高端材料遮阳。2003年，美国率先推行绿色建筑的LEED认证系统，[3]作为评鉴绿色建筑的重要标准，至今已经有遍及103个国家的超过4万个项目接受了美国LEED绿色建筑评价和认证。位于北京朝阳门东大桥的侨福芳草地中心就是其中之一（见图6）。它是国内第一个通过LEED铂金级认证的综合性商业项目。整体建筑大面积使用呼吸式双层玻璃幕墙，外层覆盖的ETFE透明膜，是与北京奥林匹克国家游泳中心（水立方）采用的相同的膜材料，具有强韧、自清洁、可回收等特性，但成本极高，仅限于高端商业建筑使用。
图6 北京侨福芳草地中心
（二）公共设施遮阳的不足
如图7至图10所示，公共服务设施在提高城市环境质量、改善政府服务方面具有极为重要的价值。这里的公共服务设施包括公交车候车亭、社区图书借阅亭、垃圾箱房等小型设施，也包括展览厅、火车站候车室、体育场馆等大型设施。它们的共同特点是：
（1）美观性要求高，在设计中被作为城市景观的重要构成部分；
（2）顶部多利用大面积玻璃采光，营造通透明亮的环境；
（3）无论是开放式空间（如车站候车亭）还是封闭式空间（如展览厅、体育场馆）都比较注重遮阳，但忽略了太阳能能源的再利用和智能化管理。单纯的遮阳一方面需要补充照明，一方面需要大量使用空调，反而带来了巨大的能源浪费。
图7 某商业建筑
图8 北京南站候车厅
图9 杭州灵隐寺景区候车厅
图10 杭州街边公交候车亭
从以上内容可以看出，今日的建筑设计行业，早已提出了智能建筑、绿色建筑、可持续发展建筑的理念，并且在建筑中得到了越来越多的实践应用。我国于2005年7月1日施行了《公共建筑节能设计标准》（GB50189—2005），该标准中明确地提出了50%的公共建筑节能目标。新型建筑、商业建筑越来越不惜成本，实现有效遮阳。但民用建筑和一般写字楼的遮阳仍然存在很大空缺。
因此，如何设计一个简洁实用，智能化程度高，既可有效控制造价，又能实现“自发自用”的低能耗甚至零能耗遮阳装置，是这次研究的主要目的。
二、研究工具和步骤
考虑到居室、办公空间设计一般建筑风格一致，格局相对规范，因此，本项目的研究从居室建筑的智能遮阳系统入手，这样有助于进行遮阳系统的模型构造和实物制作。在此基础上，本研究从居室遮阳系统的研究，拓展到公共服务设施的遮阳系统改良应用。
（一）测量工具
包括卷尺、笔、纸、激光测距仪，用于实地测量房间面积、窗户尺寸。
（二）分析工具
1.Autodesk Ecotect Analysis软件
这是一款建筑环境模拟和分析工具，能够可视化模拟真实环境中的建筑性能，利用三维表现功能进行交互式分析，利用Tregenza公式（即散射天空照度公式），根据日期和时间范围，计算出任意时间的天空照度。研究中，用于对获得数据进行分析，模拟出日照、阴影、辐射和采光等因素对环境的影响（见图11研究流程图）。
2.Sketchup软件
这是一款非常实用的三维建筑设计建模工具，能够让我们自由地创建3D模型。研究中，用于创建遮阳系统安装效果图，并为Ecotect软件提供3D分析模型。
3.Solidworks软件
这是一款机械设计软件，主要用于遮阳系统的三维设计及运动模拟，为遮阳系统物理样机的制作提供依据。
（三）模型制作工具
包括太阳能板、蓄电池、直流电机推杆、可编程控制器、铝合金型材，以及用于制作整体系统的外边框、支架。
（四）研究步骤
本研究采用以下步骤：
1）进行实地测量
获取研究对象的基本数据，包括房间的长度、进深、净高，以及窗户类型、尺寸、朝向、面积等，初步观察研究对象现有的日照条件。
2）搜集北京基本地理数据
使用Autodesk Ecotect Analysis软件的Weatool工具，连接地理资料库，提取北京相关地理资料，包括北京太阳高度角、全年日照轨迹、单日日照轨迹、太阳辐射量强度等。
3）测算辐射量和辐射分布
“太阳光照角度”、“室内采光效果”是设计遮阳系统的基本数据，也是研究成功与否、如何改进的重要依据。利用以上数据资料，在Sketchup中进行三维建模，借助Ecotect软件，模拟研究对象在采用不同遮阳方式下的效果，得出对选定的建筑单元日照的改善状况和存在的问题。通过比较模拟结果，得出遮阳系统的控制数据和最佳朝向，以及各类遮阳装置的效果优劣和适用范围。
4）设计并制作实物模型
根据测算结果，用Sketchup软件设计实物模型。采购太阳能板、直流电机推杆、可编程控制器、铝合金型材等，制作实物模型，进行测试。
5）深化与改进
根据测试结果及实验数据，对设计的遮阳系统进行改进和修正。
图11 研究流程图
三、基本概念及参数
（一）采光系数
采光系数的定义为：在室内给定平面上的一点，由直接或间接地接收来自假定和已知亮度分布的天空漫射光而产生的照度与同一时刻在室外无遮挡水平面上产生的天空漫射光照度之比。
（二）光舒适度
光舒适度的定义为：普通日光照射下，光线在300～750lx之间，最适宜人眼阅读，超过800以上均对视线有一定刺激。[4]
（三）地理资料（以北京为例）
公开数据显示，北京地理坐标为北纬39.8度，东经116.5度。以Tregenza公式计算，北京市区在全阴天模型下，室外光照强度为8559lx。[5]
北京市全年日轨情况如图12所示。图中北京地区太阳全年运行轨迹在蓝色区域。每个城市的运行轨迹区域均不相同，这个数据是设定遮阳系统追踪参数的重要数据。该遮阳系统的可编程控制器就是依据这个参数控制朝向角度的。
图12 北京市全年日轨图
北京市一年每周各时段温度情况（见图13）。由图中可看出，一年52周温度最高的范围为第20～40周，本研究选定的测量时间就处于这一范围。
图13 北京市一年每周各时段温度图
北京市夏季城市气候指标见图14。从图中可看出，测量日（6月5日）温度、风速、太阳辐射强度逐时变化。其中6：00～19：00有光照，13：00～15：00光照最强。
图14 北京市夏季城市气候指标示意图
北京市最佳朝向（见图15）。北京市房屋的最佳朝向是南向，所以本设计基于南向房间。
图15 北京市建筑最佳朝向图
四、建立光环境模型和分析
（一）研究对象
表1 研究对象基本测量数据
以上数据显示，研究对象从窗地比、进深情况来看，都属于需要强遮光的类型，图16为研究对象的采光系数分析图，可见，室内各点采光系数基本相同，受光面分布较集中，较适于做室内太阳辐射分析，可以继续用Ecotect软件进行辐射分析，这个辐射分析的结果是设计遮阳板的最根本依据。
图16 研究对象采光系数分析图
将以上测量结果在Sketchup软件中建模，建模结果（见图17）：
图17 研究对象光环境建模
（二）光辐射数据分析
选取6月5日为测量日，天气状况为晴，微云，玻璃为双面中空Low-E玻璃窗，较为洁净。透光系数为0.9。从辐射分析图（见图18）可见，太阳辐射基本全部集中在窗户周围，在室内形成了严重的热量集中区，并且极易形成大面积眩光。
图18 研究对象日均辐射分析图
（三）遮阳方式模拟与改进
接下来的问题是：遮阳板采用什么样的安装方式，横向？竖向？还是斜向？哪个遮阳效果更好？为此，需要借助Ecotect软件进行了模拟。
1）900mm横向遮阳
这是最常见的安装方式，即外加900mm的横向遮阳板（见图19）。可看出室内眩光范围明显减小，但仍有一定面积的集中眩光区。
图19 900mm横向遮阳辐射分析图
2）1500mm横向遮阳
模拟加大遮阳板面积，将横向板加长到1500mm宽（见图20），可以看出，室内热量集中区进一步缩小，说明大面积的横向遮阳能有效降低室内辐射强度，但是同时带来的是室内受光面整体的减小，从集中受光变为光照度严重不足，并且横向遮阳出挑距离对结构受力和立面造型会造成一定影响。
图20 1500mm横向遮阳辐射分析图
3）900mm竖向遮阳
基于上述原因，将横向的遮阳板改为900mm宽的竖向遮阳板（见图21），可以看出，在竖向遮阳的条件下，可一定程度降低室内辐射强度，并保证受光面面积并不过分缩小。但仍有相对集中的辐射区，眩光情况并未明显改善。
图21 900mm竖向遮阳辐射分析图
4）900mm斜向遮阳
将遮阳板根据太阳入射角度进行一定程度的扭转（见图22），可以看出室内辐射集中区有了明显改善，有效降低了光照强度，并且基本保障了受光面面积。
图22 900mm斜向遮阳辐射分析图
通过比较可以看出，带一定角度的竖向安装方式，其遮阳效果和房间的光舒适性均要强于单纯的横向、竖向。所以，该系统应该通过遮阳板的全角度转动，始终保持一个最佳的斜向遮阳角，以确保室内光辐射的最佳舒适度。
五、遮阳系统的原理与结构
（一）核心要素
该系统需具备几个要素：
（1）采用常见机械结构，实现遮阳板全向转动和定位。
（2）能够自动驱动，以减少人工控制的繁琐和误差。
（3）能源需绿色环保，最理想的能源是太阳能。
（4）构件需简洁，以避免使用过于复杂的装置，增加成本和后期维护难度。
（二）工作原理
基于上述设想，本系统的基本工作原理是：利用高度共享的世界地理资料库和建筑朝向数据，计算每一时段遮阳板需转动的角度，载入可编程控制器中，可编程控制器定时驱动两套推杆伸缩，完成全角度旋转。整个系统的能量来自于太阳能板的能量转化。
（三）基本构件及功能
本研究之所以称之为“系统”，是因为它是由以下几个部分协同工作的（见图23）。具体包括：
（1）驱动系统：驱动装置由可编程控制器、两套电机推杆构成。第一套固定安装在支撑装置中的三角支架上，为遮阳板提供上下转动的驱动力；第二套安装在遮阳板外边框上，为遮阳板提供左右转动的驱动力。两套电机推杆由可编程控制器驱动，同时启动，能够使遮阳板定位到最佳遮阳位置。
（2）能源转换系统：能源转换装置包括太阳能板、充电保护器、逆变器、蓄电池。遮阳板的输出导线连接到充电保护器上的输入端，蓄电池的正负极分别连接到充电保护器的相应的电池输入端；逆变器的输入端连接到蓄电池的正负极，逆变器的输出端连接到可编程控制器的电源接口；可编程控制器的两路输出分别连接到两套电机推杆上。太阳能被转化为电能，给蓄电池充电，并通过充电保护器确保蓄电池不被过度充电而减少寿命，蓄电池给逆变器供电，把直流电转换成交流电，以供可编程控制器正常工作。
图23 遮阳系统效果图
（3）支撑系统：支撑装置可选用三角支架。使用中，根据窗体宽度，可选择多个单元组件，各组件用三角支架固定在一根长度与窗体宽度相等的钢制横梁上。
（四）实物模型装配
实物模型装配如表2和图24所示。
表2 实物模型零件清单表
图24 整体装配图
（五）安装效果图
安装效果如图25至图28所示。
图25 单层安装效果图（左）
图26 单层安装效果图（右）
图27 多层安装效果图
图28 安装效果图（近）
（六）移动智能应用
近年来，网络技术、嵌入式技术、无线通信技术正在深刻地改变世界，智能新概念与智能化社会都逐步地得到人们的肯定，“智慧地球”将是未来的大趋势[6]。无论对于商业建筑，还是民用建筑，本系统在日常使用中，都可以借助移动互联网实现更加智能化、便捷化。服务于该遮阳系统的APP可包括以下功能：
注册与登录
（1）参数查询：根据输入的地理位置（或自动获取的位置信息），用户可获取所在地的经纬度、太阳运行轨迹（日轨图）、不同时间的太阳入射角度、温度、风速、太阳辐射强度（经Tregenza公式计算），还可根据楼层的高度、面积、窗户大小、玻璃透光度等模拟出室内光照分布图。
（2）储存电量：该系统能够实现能源自给，多余的电能可储存在蓄电池中， APP可实时显示当前时间下已经储存的电量，以及可供不同用电器使用的剩余时长，方便用户实时掌握电量，以便于有效规划使用。
（3）故障修理：APP可提供各零部件的维修方法，如用户无法自行排除故障，可提供各部件的生产商家或联系遮阳板生产厂家。
（4）账户设置：提供用户基本信息的录入、密码设置、修改信息。
（5）意见反馈：用户可向生产厂商提出产品改进意见。
用户只需要打开浏览器访问，或者点击下载安装好的APP应用图标即可，系统设计可在Mac OSX系统，选择Java Script语言，在Meteor框架的帮助下进行编程。
六、遮阳系统性能测试
（一）追踪效果
图29是遮阳系统在35个时点根据太阳轨迹转动的角度图，可以看出，遮阳板转动情况明显，角度与太阳照射角垂直，达到了自动追踪太阳的设计要求。
图29 太阳轨迹追踪示意图
（二）遮阳效果
测试点为研究对象距离窗正中1.5米，高度1.2米处，得到以下数据（见表3）。
表3 光照强度测试表
（三）节能效果
选择8月18日至8月28日进行测试（见图30）。蓝色代表晴天吸收太阳能的能量，红色代表全阴天天气吸收太阳能的能量，绿色则为经过调试后该装置太阳能板实际吸收并转化的太阳能能量。可以看出，该装置可以有效地吸收太阳能，并将多余能量储存在蓄电池中，在光照不足、需要补光的情况下，还可释放能量。
图30 太阳能遮阳板吸收能量示意图
（四）适用性效果
适用性测试，即测试该系统在不同经纬度地区、不同楼层高度的适用性。这在一地是很难做到的。但是由于本设计最大的创新点在于“全角度追踪”，所谓“全角度”，就是无论太阳的入射角如何，太阳能板都能通过横向转动、纵向转动，达到与太阳入射角垂直的最佳位置，以便遮阳效果最佳，为此，只要测试它的横向、纵向转动是否有效，适用性功能就能实现（见图31）。经实地测试，效果良好。
图31 适应性测试流程
七、在公共服务设施上的应用
（一）顶面式
以上主要是针对建筑“侧立面”的安装和使用进行设计的。针对前文中发现的大量公共服务设施无遮阳、遮阳不足、仅遮阳而无太阳能再利用的问题，本研究进行了创造性的改进。
本遮阳系统可通过结构的局部改动，拓展为“顶面式”遮阳系统，如图32所示。这种改进，大大地拓展了本遮阳系统的可应用范围，前文中提出的小型设施（公交车候车亭、社区图书借阅亭、垃圾箱房等）、大型设施（展览厅、火车站候车室、体育场馆等），都可以通过多个单元的组合使用，达到智能遮阳、能源再利用的目的。
图32 “顶面式”运转图
（二）中置式
在现有建筑外立面保持相对固定的前提下，本项目研究的遮阳系统可以作为一个灵活的建筑要素，置于双层玻璃的中间，和窗框及玻璃组合成为整扇窗户，有着较强的整体性。这种方式也被称为“双层皮”结构，是目前欧洲办公建筑的一种发展趋势。中置式的优点是，它位于两层玻璃幕墙的中间层，除实现智能遮阳外，还与内外两层幕墙形成了一个通风系统，之间的空气间层可以通过自然通风带走多余的热量，减少室内空调负荷（见图32）。
图33 “中置式”效能原理图
八、创新与不足
（一）创新之处
1）自动全向追踪
区别于现在市面上的普通遮阳板，该系统将不再是一个手动控制的简单挡板或百叶，而是一个可以根据太阳全天运行轨迹自动调节的智能系统。具体来说，通过对当地日轨数据的计算，得出每天每一时段太阳高度和角度的变化，输入到可编程控制器里，由可编程控制器驱动电机，推动遮阳板每时段变化角度。这个变化不再是单轴单向的，而是有两套联动的推杆，一套负责竖轴，一套负责横轴，保证遮阳效果的最优化。
2）适用性
第一，本系统可以根据不同的城市各自的气象指标，得出有针对性的日轨变化数据，进而得出不同城市的不同遮阳变化控制参数，驱动遮阳系统根据不同的城市的具体需要，进行有针对性的最优化遮阳。
第二，能够满足个性化需要，即“自动遮阳+手动遮阳”的一体化。两套推杆可通过一个“一拖二”的遥控器进行控制，使用者可以自定角度，“随心所欲”，这样就保证了阴天、雾霾天、雨天等日照不足时，不至于造成遮挡。
第三，“侧面式”、“顶面式”、“中置式”的不同设计，大大提高了该系统的适用性，不过局部的改进，可以广泛适用于一般居室、办公楼、各种公共设施等。
3）节能性
遮阳的一大目的是为了节能，如果为了遮阳而专门消耗本来已经十分宝贵的能源，是我们不希望看到的，所以，本系统用太阳能板转化能量，供给整个系统使用，多余的电能储存在蓄电池中，可提供家庭其他用电器使用，这样既可以实现能源的自给，最大限度利用清洁能源。
4）智能性
智能终端和移动互联已经直接改变了人们的生活方式，该系统设计方案中，通过APP的应用，可实现了解系统参数查询、光照度分析、电量储存和预期使用时限。生产厂家可通过APP提供故障维修指南、意见反馈和客户服务。
（二）不足与展望
本阶段的设计取得了一定的成果，但是仍然存在着一些问题，有待进一步去改进，对此，我已经有了一些初步的想法：
（1）整体的构件仍稍显复杂。未来，可以考虑使用万向旋转结构，代替现在的推杆，实现更方便，更顺畅的控制。
（2）对不规则建筑和窗户需要专门考虑。这种情况对遮阳系统的考验，在于双推杆确定角度更加复杂，对此，我设想未来用太阳能传感装置代替现有的系统控制器，市面上已有的太阳能传感装置，可以感知太阳能较为集中的区域，如果和本遮阳装置相结合，则可以通过感知太阳能热量最大的区域，将遮阳装置受光面转向太阳，使得整个设计更为智能化。
但是目前所知，这种传感装置造价普遍较为昂贵，并且敏感度有待进一步验证，所以我将继续关注和研究。
致谢
经过整整5个月的努力，我的研究终于做完了，从资料检索、材料采购、工程建模，到实物制作，走过的每一步，都使我学到了太多学校里学不到的知识。从发现问题、咨询专家、陷入困惑，到实现突破，我得到了一次完整的科学研究的锻炼，受益匪浅。
本项目在研究过程中，得到了清华大学建筑学院程晓青老师，同济大学建筑学院贾东方老师，北京市建筑设计研究院有限公司建筑师陈寅，联壹筑景事务所高级建筑师刘伯宇的精心指导和帮助，在此表示衷心的感谢！非常感谢姜凤敏老师在研究中，特别是在我深陷迷茫，想要放弃的时候给我鼓励，为我加油！ 感谢爸爸、妈妈全力支持和无私奉献，陪伴我度过科学研究之路上的日日夜夜！没有他们的帮助我不可能完成如此复杂的科学研究！
带着你们的期待和祝福，我将坚定的沿着科学研究与探索的路走下去！ 在路上，我将永远心怀感激！
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