主动式自然导光方法及装置 【技术领域】
本发明属于建筑技术，具体地说是一种适用于建筑物中庭或天井的主动式自然导光方法及装置。
背景技术
建筑自然采光是建筑可持续设计的一个重要组成部分。建筑中引入自然采光，不仅可以减少建筑照明能耗，还具有人工照明所难以实现的优点：它可以使人们感受太阳和天空形成的微妙变化，减轻季节性情感错乱和慢性疲劳；它也可以使建筑物富有光影变化，使空间变得更加趣味和人性化。
目前建筑中通常采用被动式自然采光方法，即利用采光口进行采光，典型的如侧窗采光，天窗采光，采光罩采光等。采用被动式的天然采光方法，采光质量会受到采光口的位置、面积、大小、朝向等的限制。对于平面进深大、高度高、采光口面积不宜过大的建筑，被动式采光方法往往不能满足其采光需求。因此，发明一种能够主动导入太阳光、改善建筑物中庭或天井采光环境的主动式自然导光装置是十分必要的。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种能够主动将太阳光导入大型建筑物内，改善建筑物中庭或天井采光环境的主动式自然导光方法；
本发明的另一目的是提供一种能够主动将太阳光导入大型建筑物内，改善建筑物中庭或天井采光环境的主动式自然导光装置。
本发明的目的是这样实现的：
主动式自然导光方法如下：
(1)由设在建筑物屋顶的前后两个能够自动跟踪太阳入射角的定日镜采集天然光，聚焦并入射到反射镜；反射镜将光线射入天窗，经漫射板散射进入建筑物中庭或天井；
(2)后排定日镜、前排定日镜、反射镜、天窗下侧漫射板为一组光学系统，可在同一建筑物屋顶上设置一组或多组光学系统；
(3)主动式自然导光系统经过采集、反射、透射、散射方式，将太阳光导入室内。
主动式自然导光装置，包括定日镜、反射镜、天窗和漫射板。定日镜包括后排定日镜、前排定日镜，设置在建筑物屋顶上；定日镜正北侧上方或正南侧上方设有反射镜，反射镜正下方设有天窗和漫射板。
后排定日镜和前排定日镜为超环面定日镜。
两组定日镜与一组反射镜组合。
本发明的要点是：
前、后排两个定日镜采集到的太阳光射至同一面反射镜，进一步提升本发明采光效率。
定日镜具有聚光作用，聚焦点位于反射镜与天窗之间，利于反射镜散热。
反射镜反射的光经过天窗及漫射板进入室内，光线经漫射板散射后形成均匀的入射光，避免不舒适眩光。
本发明前、后排定日镜、反射镜、天窗下侧漫射板为一组光学系统，根据建筑物采光需求，同一建筑物可采用多组该系统引入天然采光。
漫射板通过支架与天窗连接在一起。
本发明针对现代大型建筑的采光需求，引入主动式自然导光系统，通过主动采集太阳光的方式，将太阳光引入室内改善光环境。与传统的顶部采光口直接引入自然光的方式相比，主动式自然导光系统可以使有限面积的采光口获得尽可能多的自然光，从而提高室内照度，延长室内自然光照明时间，并且对光线进行散射，避免眩光的产生，改善照度的均匀性，获得更舒适的照明效果。
本发明主要包括三部分：定日镜组件、平面反射镜组件、天窗和漫射板组件，经过收集、反射、透射、散射等方式，将太阳光导入室内。除了定日镜组件，其它组件都是固定不动的。
定日镜的作用是自动跟踪太阳的运动，采集太阳光，并将太阳光反射汇聚到平面反射镜上。
平面反射镜的作用是接收定日镜采集的太阳光，并将其反射进天窗。从天窗射入的光经过漫射板的散射作用变成比较均匀的光对室内进行照明。
在工作过程中，定日镜的镜面朝向需要及时调整，以便实时捕捉入射的太阳光，并将其会聚反射至平面反射镜上。定日镜的镜面即时朝向，需结合当地即时日照轨迹及平面反射镜安装位置确定，以保证全年采集的天然光均可反射落入平面反射镜内。当地即时日照轨迹由当地经纬度、当日赤纬角及日照即时时角等数据计算得到。
定日镜的结构包括：定日镜面、支架和传动装置。定日镜的运动原理为已有技术，步进电机带动减速器，驱动主动轴自转，主动轴带动镜架使定日镜旋转，从而实现定日镜的方位角调整。步进电机带动减速器驱动定日镜摆杆轴运动，进而使拉杆带动定日镜摆动，实现定日镜俯仰角的调整。为了确定出定日镜镜面的及时朝向，根据太阳位置数据和主光线的方向，采用软件编程方式，精确计算出定日镜顶点法线在每个时刻的位置。
本发明的定日镜面采用超环面反射镜而非球面反射镜。球面反射镜的缺陷是当入射角较大时，相面的象散很严重，在一个方向上光斑会拉得很长，而超环面平面反射镜则避免了这个问题。超环面是一种非轴对称曲面，它在两个相互垂直的方向上曲率半径有差别。通过调整两个曲率半径，可恰当地控制光斑形状，较好适应定日镜上太阳光入射角的改变，投射到平面反射镜和天窗上的光斑较球面反射镜有很大的改善。
自然光经定日镜聚光后反射至平面反射镜，经二次反射射入天窗。为使室内获得照度均匀的照明，本发明采用天窗与漫射板相组合地结构。太阳光经天窗照射到漫射板上，出射光照度比较均匀，可避免形成局部亮斑，造成眩光污染。天窗和漫射板通过支架连接。
本发明方法及装置适用于各种建筑物，尤其是适用于大型建筑物的中庭或天井采光。
本发明方法及装置同时适用于新建筑和改建建筑。
本发明和建筑物的位置无关，世界各地的建筑物均可使用本发明方法及装置。
本发明和建筑物的用途无关，各种用途的建筑物，如办公、商场、酒店、展馆、住宅等都可使用本发明方法及装置。
本发明在世界上首次将超环面定日镜引入主动式自然导光系统，并通过两组定日镜与一组反射镜组合的方式，提升系统采光效率。
本发明延长了建筑物室内日照时间，提高了建筑中庭或天井的采光水平，改善了建筑物内部光环境；节省能源、减少照明用电。本发明具有明显的新颖性、创造性和实用性。
本发明的优点是：
1、延长建筑室内日照时间，太阳的斜射光和直射光都可射入建筑室内。
2、提高建筑室内采光照度，提高单位采光口面积的入射光量。
3、提升建筑室内光环境舒适度；并为室内中庭及天井区域的绿化植物生长提供条件。
【附图说明】
图1为本发明主动式自然导光装置结构图。
图2为本发明天窗与漫射板组合结构图。
图中：1为后定日镜；2为前定日镜；3为反射镜；4为天窗；5为漫射板；6为中庭；7为屋顶；8为建筑物；9为漫射板支架。
【具体实施方式】
下面结合附图通过具体实施方式对本发明做进一步说明。
本实施例为上海某展览建筑8，建筑进深大，侧窗面积小，且楼层高。位于建筑物中部的休闲区域及绿化植被无法通过中庭天窗获得足够的采光，采用本发明主动式自然导光装置可加强采光。建筑物8的屋顶7上设有后排定日镜1、前排定日镜2，在后排定日镜1和前排定日镜2的北侧上方设有反射镜3，在反射镜2的正下方设有天窗4和漫射板5。漫射板5通过支架9与天窗4组合在一起。定日镜1和2的高度位于反射镜3与天窗4之间。后排定日镜1和前排定日镜2为一组超环面定日镜。建筑物屋顶设有5组定日镜，分别对应上部的5个反射镜；反射镜反射的光线，通过天窗玻璃和漫射板照射进中庭6。
本实施例使用的定日镜1和2以及传动装置、控制系统、反射镜3为已有技术；天窗4、漫射板5、支架9为现场安装。
本实施例导光系统为10个定日镜、5个平面反射镜及天窗和漫射板组成，其中除了定日镜，其它组件都是固定不动的。定日镜跟踪太阳并将太阳光聚光投射到平面反射镜，平面反射镜接收定日镜收集的太阳光，并将其反射进天窗；从天窗射入的光经过漫射板的散射作用变成比较均匀的光对室内进行照明。本实例实施后，建筑物内部中庭采光增加，人工照明减少，用电量减少；中庭内部光环境宜人，成为一处人性化的休闲场所。
上述实施例仅为本发明的实施例之一，并不用来限制本发明。凡在本发明的原则之内，所做的任何修改和变化，均在本发明的保护范围之内。