一种百叶窗遮阳导光百叶片的优化设计方法

摘要

本发明公开了一种百叶窗遮阳导光百叶片的优化设计方法，根据这种方法设计出来的遮阳导光百叶片应用到固定节距百叶窗时，不论太阳处于高处或低处时，照射到这种百叶片导光部的阳光都能被导入到室内纵深处，照射到这种百叶片反光部的阳光也都能被反射到室外而不再被反射到上一相邻的百叶片的背面，使得百叶片背面无需进行特殊处理就能消除眩光；而根据这种方法设计出来的遮阳导光百叶片应用到变节距百叶窗时，可以将百叶片的导光部占整个百叶片的横截面宽度的比例提高，使得百叶窗能够在夏天反射更多不需要的阳光，在冬天导入更多的用于取暖的阳光，获得更好的节能效果，另外，还能使变节距百叶窗都能保持最佳的透明度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种百叶片设计方法，更具体地说，它涉及一种百叶 窗遮阳导光百叶片的优化设计方法。

背景技术

众所周知，镜面定向反射百叶片由反光部和导光部组成，反光部 将照射其上的阳光定向反射到室外，导光部将照射其上的阳光定向导 入到室内，通常导光部为向上弯曲的镜面柱面，而反光部则有两种不 同横截面的柱面形式，一种是一次反射的向上弯曲的弧形柱面，另一 种是带有二次反射的横截面为锯齿形的柱面。例如德国专利 DE19503293A1，DE19543812A1，DE10260711A1公开了反光部和导光 部都只有一次反射的向上弯曲的弧面百叶片，这一类百叶片的缺陷是 抗风强度差、在百叶窗关闭时百叶片无法完全闭合，使得在太阳处于 低处时照射到百叶片导光部的阳光反射到上一片百叶片的背面而转 入到室内，从而未能达到室内完全黑暗的状态，为了克服这些缺陷， DE19828542A1，DE19929138A1，DE102010005054A1公布了一种Z形 镜面百叶片。然而，上述专利申请公布的镜面百叶片都有一个缺陷， 即在太阳处于低处时，照射到镜面百叶片反光部的阳光都会反射到上 一相邻百叶片的背面而造成眩光以及把太阳热量留在室内，同时相当 一部分阳光不被百叶片遮挡而直接进入室内，在太阳处于高处时，照 射到镜面百叶片导光部的阳光无法导入到室内纵深处。上述镜面百叶 片一般都只应用于传统的固定节距百叶窗上，一旦百叶片稍微往外翻 转，则照射到百叶片上的阳光将无法按照预设的光线路径反射与导 入。为了克服这种缺陷，中国发明专利CN102839909B、CN101818616B 先后公布了几种变节距百叶窗，通过百叶片间距的变化和百叶片的旋 转微调来适应动态的阳光，使得照射到百叶片上的阳光按照预设的光 线路径反射与导入。然而将上述Z形镜面百叶片应用到变节距百叶窗 时，同样会出现处于较低太阳高度角的阳光照射到镜面百叶片时，落 在百叶片反光部的阳光会反射到上一相邻百叶片的背面而造成眩光 以及把太阳热量留在室内，在太阳处于高处时，照射到镜面百叶片导 光部的阳光无法被导入到室内纵深处。

发明内容

本发明提供了一种百叶窗遮阳导光百叶片的优化设计方法，根据 这种优化方法设计出来的遮阳导光百叶片应用到固定节距百叶窗时， 不论太阳处于高处或低处时，照射到这种百叶片导光部的阳光都能被 导入到室内纵深处，照射到这种百叶片反光部的阳光也都能被反射到 室外而不再被反射到上一相邻的百叶片的背面，使得百叶片背面无需 进行特殊处理就能消除眩光；而根据这种方法设计出来的遮阳导光百 叶片应用到变节距百叶窗时，可以将百叶片的导光部占整个百叶片的 横截面宽度的比例提高到70％左右，使得百叶窗能够在夏天反射更多 不需要的阳光，在冬天导入更多的用于取暖的阳光，获得更好的节能 效果，另外，无论太阳处于高处还是低处，变节距百叶窗都能保持最 佳的透明度。

本发明的技术方案是：一种百叶窗遮阳导光百叶片的优化设计方 法，应用于具有高位百叶片和低位百叶片的遮阳导光百叶窗上，高位 百叶片和低位百叶片均具有靠室外侧的反光部和靠室内侧的导光部， 反光部和导光部均为弧形面，该方法包括下列步骤：

A.根据百叶窗轴向尺寸及百叶片间距要求确定一设计点，设定设计 点处太阳高度角为H_d、高位百叶片横截面上反光部外端反射光线与 水平面的夹角为γ_a、高位百叶片横截面上反光部顶点处反射光线与 水平面的夹角为γ_b、高位百叶片横截面上导光部的顶点处反射光线 与水平面的夹角为β_b、高位百叶片横截面上导光部的内端反射光线 与水平面的夹角为β_d1、低位百叶片横截面上反光部和导光部之间 的隔断平面与竖直面的夹角为δ₂，低位百叶片横截面上导光部底点 处反射光线与水平面的夹角为β_c、低位百叶片横截面上导光部内端 反射光线与水平面的夹角为β_d2；

B.选取百叶窗百叶片处于打开状态下的水平姿态，以高位百叶片横 截面上内端作为测量原点，设定实际高位百叶片横截面上顶点至高 位百叶片内端的水平距离为L_bd、测量原点至高位百叶片外端的水 平距离为L；

C.根据下列优化公式确定高位百叶片横截面上顶点和高位百叶片内 端间连线形成的弦平面与水平面的夹角α₁、高位百叶片横截面上顶 点和高位百叶片外端间连线形成的弦平面与垂直平面的夹角δ₁、反 光部弧面半径R_ab、导光部弧面半径R_bd：

${\alpha }_1=\frac{2H_d-({\beta }_b+{\beta }_{d1})}{4}$

${\delta }_1=\frac{2H_d+({\gamma }_a+{\gamma }_b)}{4}$

${\bar{R}}_{bd}=\frac{{\bar{L}}_{bd}}{2{\mathrm{cos\alpha }}_1\sin \frac{{\beta }_{d1}-{\beta }_b}{4}}$

${\bar{R}}_{ab}=\frac{1-{\bar{L}}_{bd}}{2{\mathrm{sin\delta }}_1\sin \frac{{\gamma }_a-{\gamma }_b}{4}}$

式中${\bar{R}}_{bd}=R_{bd}/L,{\bar{R}}_{ab}=R_{ab}/L,{\bar{L}}_{bd}=L_{bd}/L;$

D.同样方法，根据下列优化公式确定低位百叶片横截面上底点和低 位百叶片内端间连线形成的弦平面与水平面的夹角α₂、低位百叶 片横截面上导光部弧面半径R_cd：

${\alpha }_2=\frac{-2H_d+({\beta }_c+{\beta }_{d2})}{4}$

${\bar{R}}_{cd}=\frac{{\bar{L}}_{bd}(1-{\mathrm{tan\alpha }}_1{\mathrm{tan\delta }}_2)}{2(1+{\mathrm{tan\alpha }}_2{\mathrm{tan\delta }}_2){\mathrm{cos\alpha }}_2\sin \frac{{\beta }_{d2}-{\beta }_c}{4}}$

式中${\bar{R}}_{cd}=R_{cd}/L.$

百叶片的遮阳导光功能是通过反光部、导光部对阳光的反射来实 现的。高位百叶片和低位百叶片虽反光部形状相同，但整体结构有所 不同，高位百叶片一般为八字形，而低位百叶片一般为Z形，低位百 叶片上导光部一束反射光线与水平面的最小夹角比高位百叶片上导 光部一束反射光线与水平面的最小夹角更大，因此反光部、高位百叶 片的导光部和低位百叶片的导光部三处的弧面半径需要分别进行优 化设计，使得百叶窗能在不需要光热时最大程度地屏蔽光线并消除眩 光，而在需要光热时又最大程度地将光线导入室内并消除眩光，倘若 通过反复实验的方法逐步修正设计以达到最佳效果，无疑会耗费巨大 时间及费用，而使用本发明提供的方法，只需通过给定一些易测易控 的设计参数、就能准确、方便地确定三处的弧面半径，极大节约时间 和费用，降低设计成本，缩短产品开发周期。

作为优选，的取值范围为0.5～0.8，反映了百叶片光线导 入量的取舍，取值越大，光导入量越大。

作为优选，设计点处太阳高度角H_d的取值范围为35°～45°， 选取此值可以让所设计的百叶片更好地在高太阳高度角和低太阳高 度角两个范围内达到优化的反光和导光效果。

作为优选，γ_a的取值范围为70°～88°，γ_b的取值范围为 40°～50°。确定这些取值范围是为了百叶片更好地满足实际要求， 避免光线反射到上一相邻百叶片的背面。

作为优选，β_b的取值范围为0～20°，β_d1的取值范围为55°～ 85°。确定这些取值范围是为了百叶片更好地满足实际要求，避免光 线反射到上一相邻百叶片的背面。

作为优选，β_c的取值范围为45°～55°，β_d2的取值范围为 80°～88°。确定这些取值范围是为了百叶片更好地满足实际要求， 避免光线反射到上一相邻百叶片的背面。

作为优选，δ₂的取值范围为10°～45°。确定这些取值范围是 为了百叶片更好地满足实际要求，避免百叶片的隔断平面对光线产生 干涉。

作为优选，在完成步骤A-D后，将高位百叶片的导光部和低位百 叶片的导光部作垂直往下平移，增大导光部与反光部间的位置落差。 通过这一设计变动，可以根据需要调整高位百叶片的导光部和低位百 叶片的导光部的一束反射光与水平面的最小夹角，还可增强高位百叶 片的抗弯强度。

本发明的有益效果是：

本发明可使百叶片得到最优化设计，这样制作出的百叶片可把需 要的光线导入室内，而把多余的光线进行有效屏蔽，从而满足人们对 室内热舒适性和视觉舒适性的要求，取得更好的节能效果。

附图说明

图1百叶窗高位百叶片的横截面图与几何参数；

图2百叶窗低位百叶片的横截面图与几何参数；

图3单次二分变节距百叶窗高位百叶片单元横截面与几何参数；

图4单次二分变节距百叶窗低位百叶片单元横截面与几何参数；

图5单次二分变节距百叶窗处于间距D/2时高位百叶片单元在太 阳高度角设计点H_d＝45°处的反光与导光效果图；

图6单次二分变节距百叶窗处于间距D/2时低位百叶片单元在太 阳高度角设计点H_d＝45°处的反光与导光效果图。

图7a-7b单次二分变节距百叶窗在不同太阳高度角时改变节距 和百叶片旋转角的高位百叶片的反光与导光效果图。

图8a-8b单次二分变节距百叶窗在不同太阳高度角时改变节距 和百叶片旋转角的低位百叶片的反光与导光效果图。

图9固定节距百叶窗在不同太阳高度角时改变节距和百叶片旋 转角的高位百叶片的反光与导光效果图。

图10固定节距百叶窗在不同太阳高度角时改变节距和百叶片旋 转角的低位百叶片的反光与导光效果图；

图11高位百叶片的导光部垂直下移后的反光与导光效果图；

图12低位百叶片的导光部垂直下移后的反光与导光效果图。

具体实施方式

下面结合附图具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种百叶窗遮阳导光百叶片的优化设计方法，应用于具有离室内 地面1.7m以上的高位百叶片和离室内地面1m至1.7m之间的低位百 叶片的遮阳导光百叶窗上，高位百叶片横截面呈八字形，低位百叶片 横截面呈Z形，高位百叶片和低位百叶片均具有靠室外侧的反光部 11和靠室内侧的导光部，反光部11和导光部均为弧形面，该方法包 括下列步骤：

A.根据百叶窗轴向尺寸及百叶片间距要求确定一设计点，设定 设计点处太阳高度角为H_d、高位百叶片横截面上反光部11外端反射 光线与水平面的夹角为γ_a、高位百叶片横截面上反光部11顶点处反 射光线与水平面的夹角为γ_b、高位百叶片横截面上高位百叶片导光 部12的顶点处反射光线与水平面的夹角为β_b、高位百叶片横截面上 高位百叶片导光部12的内端反射光线与水平面的夹角为β_d1、低位百 叶片横截面上反光部11和低位百叶片导光部22之间的隔断平面24 与竖直面的夹角为δ₂，低位百叶片横截面上导光部12底点处反射光 线与水平面的夹角为β_c、低位百叶片横截面上导光部12内端反射光 线与水平面的夹角为β_d2；

B.选取百叶窗百叶片处于打开状态下的水平姿态，即各百叶片 间节距达到最大且未发生偏转时的姿态，以高位百叶片横截面上内端 作为测量原点，设定实际高位百叶片横截面上顶点至高位百叶片内端 的水平距离为L_bd、测量原点至高位百叶片外端的水平距离为L、测量 原点至顶点的垂直距离为h_ab；

C.根据下列优化公式确定高位百叶片横截面上顶点和高位百叶 片外端间连线形成的反光部弦平面11’与垂直平面的夹角δ₁、反光 部11弧面半径R_ab、高位百叶片导光部12弧面半径R_bd：

${\alpha }_1=\frac{2H_d-({\beta }_b+{\beta }_{d1})}{4},$

${\delta }_1=\frac{2H_d+({\gamma }_a+{\gamma }_b)}{4},$

${\bar{R}}_{bd}=\frac{{\bar{L}}_{bd}}{2{\mathrm{cos\alpha }}_1\sin \frac{{\beta }_{d1}-{\beta }_b}{4}},$

${\bar{R}}_{ab}=\frac{1-{\bar{L}}_{bd}}{2{\mathrm{sin\delta }}_1\sin \frac{{\gamma }_a-{\gamma }_b}{4}},$

式中${\bar{R}}_{bd}=R_{bd}/L,{\bar{R}}_{ab}=R_{ab}/L,{\bar{L}}_{bd}=L_{bd}/L;$

D.在确定了高位百叶片后，在高位百叶片的基础上设计低位百 叶片，由于低位百叶片的反光部与高位百叶片的反光部完全相同，只 需要确定低位百叶片导光部的几个参数α₂和R_cd。给定低位百叶片的 隔断平面24与垂直平面的夹角δ₂，则可根据下列优化公式确定低位 百叶片横截面上底点和低位百叶片内端间连线形成的低位百叶片导 光部弦平面22’与水平面的夹角α₂、低位百叶片横截面上导光部22 弧面半径R_cd：

${\alpha }_2=\frac{-2H_d+({\beta }_c+{\beta }_{d2})}{4},$

${\bar{R}}_{cd}=\frac{{\bar{L}}_{bd}(1-{\mathrm{tan\alpha }}_1{\mathrm{tan\delta }}_2)}{2(1+{\mathrm{tan\alpha }}_2{\mathrm{tan\delta }}_2){\mathrm{cos\alpha }}_2\sin \frac{{\beta }_{d2}-{\beta }_c}{4}},$

式中${\bar{R}}_{cd}=R_{cd}/L.$

图1显示了百叶窗高位百叶片的横截面图与几何参数，高位百叶 片由反光部11和高位百叶片导光部12两部分组成，反光部11和高 位百叶片导光部12为弧形面，图1中a为高位百叶片的外端，d₁为 高位百叶片的内端，高位百叶片顶点b为高位百叶片反光部11与导 光部12的交界处，L为高位百叶片外端a与内端d₁之间的横截面宽 度，L_bd为b至高位百叶片内端d的水平距离，α₁为高位百叶片顶点 b与内端d₁的连线形成的高位百叶片导光部弦平面12’与水平面的 夹角，δ₁为高位百叶片的反光部弦平面11’与垂直平面的夹角，R_ab为高位百叶片反光部11的半径，R_bd为高位百叶片导光部12的半径， h_ab为高位百叶片外端a至顶点b的垂直距离，称之为高位百叶片的 视野阻挡高度；图2显示了百叶窗低位百叶片和高位百叶片合在一起 的横截面图，低位百叶片由反光部11、低位百叶片导光部22和隔断 平面24三部分组成，低位百叶片的反光部11与高位百叶片的反光部 11相同，低位百叶片的隔断平面24为一与垂直平面夹角为δ₂的倾 斜平面，低位百叶片的导光部22为弧形面，低位百叶片的外端a、 顶点b与高位百叶片的重合，高位百叶片的内端d₁和低位百叶片的 内端d₂重合于d点，低位百叶片的底点c为低位百叶片导光部22与 隔断平面24的交接处，α₂为低位百叶片的底点c与内端d₂的连线形 成的低位百叶片导光部弦平面22’与水平面的夹角，R_cd为低位百叶 片导光部22的弧面半径。

图3显示了单次二分变节距百叶窗高位百叶片单元横截面图与 几何参数，其中组一主百叶片90、组二主百叶片90’为主百叶片， 91为组一次百叶片，两相邻主百叶片90、90’的节距为D，组一次 百叶片91可以在两相邻主百叶片之间上下移动直至两相邻主百叶片 组一主百叶片90、组二主百叶片90’中间位置，即D/2，各百叶片 的室外端依次为a、a’、a”，各百叶片的室内端依次为d、d’、d”， 设计点的入射光线依次为41、42、43，各光线分别照射到各百叶片 的外端上，设计点的太阳高度角为H_d，百叶片反光部11的a处反射 光线51与水平面的夹角为γ_a，百叶片反光部11的b处反射光线52 与水平面的夹角为γ_b，百叶片导光部12的b处反射光线61与水平 面的夹角为β_b，百叶片导光部12的d₁处反射光线62与水平面的夹 角为β_d1。

图4显示了单次二分变节距百叶窗低位百叶片单元横截面图与 几何参数，与图3一样，其中组一主百叶片90、组二主百叶片90’ 为主百叶片，组一次百叶片91为次百叶片，两相邻主百叶片90、90’ 的节距为D，组一次百叶片91可以在两相邻主百叶片90、90’之间 上下移动直至两相邻主百叶片90、90’中间位置，即D/2，各百叶片 的外端依次为a、a’、a”，各百叶片的内端依次为d₂、d₂’、d₂”， 设计点的入射光线依次为44、45，设计点的太阳高度角为H_d，百叶 片反光部11的各个参数与图3完全相同，百叶片导光部22的c处反 射光线63与水平面的夹角为β_c，百叶片导光部22的d₂处反射光线 64与水平面的夹角为β_d2。

百叶窗的透明度Г一般由下面公式确定：

$\Gamma =1-\frac{h_{ab}}{D}=1-\frac{1-{\bar{L}}_{bd}}{\bar{D}{\mathrm{tan\delta }}_1}$

式中为百叶窗节距比。

如果取定H_d＝45°，γ_a＝81.8°，γ_b＝43°，β_b＝9.5 °，β_d1＝61°，β_c＝52.6°，β_d2＝86.5°，δ₂＝41°，则有α₁＝4.88 °，α₂＝12.28°，δ₁＝53.7°，如 果取定D/L＝1.17，则有Г＝80％。图5-6显示了由上述数据确定的高 位百叶片和低位百叶片的横截面形状及在设计点处的太阳高度角 H_d＝45°情况下变节距百叶窗处于D/2节距时的反光与导光效果图， 其中4表示直射阳光，5表示反射光，6表示导入光，由图可见，高 位百叶片和低位百叶片的反光弧面11能够很好地将照射其上的阳光 反射至室外，照射至高位百叶片的高位百叶片导光部12的阳光被导 入至室内，该导入光线与水平面的最小夹角为10°左右，这表明高 位百叶片导光部12能够很好地将阳光导入到室内纵深处，照射至低 位百叶片导光部22的阳光被导入至室内，该导入光线与水平面的最 小夹角为54°，这表明低位百叶片导光部22能够很好地将阳光导入 到窗户附近至室内顶部中部。

图7a～图8b显示了由按上述方法设计得到的高位百叶片和低位 百叶片组成的单次二分变节距百叶窗在不同太阳高度角H_d情况下的 反光与导光效果图，此处D/L＝1.57，则有最大透明度Г＝86％，由图 可见，无论太阳处于高处还是低处，通过变节距百叶窗的百叶片的节 距的改变和百叶片旋转微调的手段，使得高位百叶片和低位百叶片的 反光部11都能够很好地将照射其上的阳光反射至室外，消除了以往 在太阳处于低处时低位Z形百叶片会将照射其上的阳光反射至上一 百叶片的背面上造成眩光和热量流入室内的缺陷，照射至高位百叶片 导光部12的阳光被导入至室内的光线与水平面的最小夹角为10°左 右，最大夹角为60°左右，这表明高位百叶片导光部12能够很好地 将阳光导入到室内天花板中部至纵深处，照射至低位百叶片导光部 22的阳光被导入至室内的光线与水平面的最小夹角为52°左右，最 大夹角小于90°，这表明低位百叶片导光部22能够很好地将阳光导 入到窗户附近至天花板中部，同时又不会反射到上一相邻百叶片的背 部而造成眩光，由图可见，百叶窗最小透明度Г＝63％左右，通过这种 变节距百叶窗人们可以消除眩光，获得均匀的日光照明，还可以获得 满意的室内外视觉交流。

将按上述方法设计得到的高位百叶片和低位百叶片应用于固定 节距百叶窗时，设定D/L＝0.85，则有最大透明度Г＝75％，图9-10显 示了这种节距的百叶窗在不同太阳高度角H情况下的反光与导光效 果图，由图可见，由上述高位百叶片和低位百叶片组成的固定节距百 叶窗也能达到与上述单次变节距百叶窗类似的效果。

实施例2：

如果取定H_d＝45°，γ_a＝82°，γ_b＝40°，β_b＝5°，β _d1＝62°，β_c＝50°，β_d2＝85°，δ₂＝40°，则有α₁＝5.75°，α₂＝11.25， δ₁＝53°，${\bar{R}}_{ab}=1.72,{\bar{R}}_{bd}=1.02,{\bar{R}}_{cd}=\mathrm{1.31.}$其余同实施例1。

实施例3：

同理，如果取定H_d＝45°，γ_a＝75°，γ_b＝40°，β_b＝10 °，β_d1＝62°，β_c＝52°，β_d2＝86.5°，δ₂＝40°，则有α₁＝4.5°， α₂＝12.13°，δ₁＝51.25°，${\bar{R}}_{ab}=0.84,{\bar{R}}_{bd}=1.78,{\bar{R}}_{cd}=\mathrm{2.16.}$其余 同实施例1。

实施例4：

同理，如果取定H_d＝35°，γ_a＝85.5°，γ_b＝46.5°， β_b＝6°，β_d1＝57.5°，β_c＝47.5°，β_d2＝82.5°，δ₂＝44°，则有 α₁＝1.63°，α₂＝15°，δ₁＝50.5°， 其余同实施例1。

改变遮阳导光百叶片的导光部占整个百叶片横截面宽度的比例， 利用上述公式可以得到所需的遮阳导光百叶片。

实施例5：

在完成优化设计的各步骤后，将高位百叶片的导光部和低位百叶 片的导光部作垂直往下移动，可以调整高位百叶片的导光部和低位百 叶片的导光部的一束反射光与水平面的最小夹角，图11和图12是将 图5和图6中的百叶片的导光部垂直下移后获得的，按图5和图6设 计中的高位百叶片导光部、低位百叶片导光部原位置分别用虚线12、 22表示，图11和图12的高位百叶片导光部、低位百叶片导光部分 别用实线12a、22a表示，由图可见，图5中的高位百叶片导光部12 的一束反射光线与水平面的最小夹角为9.52°，图6中的低位百叶 片导光部22的一束反射光线与水平面的最小夹角为53°，在图5和 图6的高位百叶片导光部12、低位百叶片导光部22垂直下移后分别 变成了图11的16.2°和图12的56.3°；另外，图5的高位百叶片 导光部12在下移后变成图11的高位百叶片导光部12a后出现了高位 百叶片隔断平面14，因而本实施例中的高位百叶片横截面也呈八字 形，此高位百叶片隔断平面14与垂直平面的夹角取值与图6的低位 百叶片的隔断平面24与垂直平面的夹角取值相同。其余同实施例1。