一种具有优化室内光环境非视觉效应功能的建筑自适应表皮系统及控制方法

本发明属于建筑，特别是涉及一种具有优化室内光环境非视觉效应功能的建筑自适应表皮系统及控制方法。

背景技术：

1、室内光环境会对人体产生视觉效应与非视觉效应，在视觉效应方面，充足的日光照度与室内灯光照度满足人们的日常工作与居住需求，同时人们一直在通过合理的方式调控室内光环境，在规避眩光风险和满足基本照度需求的同时节约能源。但是随着健康建筑标准的逐步提升，光的非视觉效应的重要性逐步显现，由于人们在室内或工作空间中花费的时间比在室外花费的时间多，光的非视觉效应更加会影响人的昼夜节律、警觉性、情绪和工作效率，很多情况下，光的非视觉效应与建筑采光照明之间的矛盾仍未解决。

2、建筑表皮具有着促进室内外环境交互的重要作用，对室内光环境质量与健康水平的提升至关重要。现有的光环境调节表皮在使用不透明构件实现光环境调节的同时，对室内视野造成了很大程度上的遮挡，且均未考虑光的非视觉效应对人体健康造成的影响。采用具有照度连续调节、动态聚光功能的表皮系统，不仅考虑了光的非视觉效应对人体昼夜节律的刺激问题，还完成了最大化视野的同时动态优化室内光环境的任务，可以提升室内光环境的质量与健康水平。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种具有优化室内光环境非视觉效应功能的建筑自适应表皮系统及控制方法。实测各光气候区非视觉效应照度阈值并提出一种通过自适应连续调控双层表皮透光、聚光程度来实现优化室内光环境非视觉效应的建筑表皮系统。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种具有优化室内光环境非视觉效应功能的建筑自适应表皮系统，所述系统包括：

3、设置模块：根据用户输入建筑空间信息，分别对室内平面与表皮做网格划分，依据每个表皮单元在不同雾化等级下照射所述平面网格的关系确定表皮编号、网格编号及雾化等级的对应关系；

4、非视觉效应照度阈值建立模块：在五个光气候区内，分别以全光谱光源照度为自变量，照射受试者一小时，通过观察受试者褪黑素变化量以及问卷填写得出其昼夜节律刺激足量时的照度值en1—en5，重复大量实验得出五个光气候区的非视觉效应照度阈值；

5、使用全天空扫描仪和全天空成像仪实测各光气候区多个地点光环境气候数据，将其接入人工天穹对缩尺模型进行模拟，通过检测室内光谱功率分布spd并以此计算相应昼夜节律刺激cs，得出昼夜节律刺激足量时的照度值，重复大量实验得出五个光气候区的非视觉效应照度阈值en1’—en5’，用以验证en1—en5准确性；

6、光环境检测模块：使用双目红外热成像仪记录瞬态条件下室内人员热图，使用yolo算法识别人员面部朝向及标定其空间坐标，确定人员视域范围s，使用照度计和光谱仪分别检测各工作面及眼部垂直照度e、眼部的光谱功率分布spd；

7、光环境风险识别模块：以照度为指标将室内光环境划分为光环境舒适区间和多种光环境风险区间；根据测试点照度与光谱信息识别处于照度不足风险区间、昼夜节律中断风险区间或眩光风险区间的风险网格，借助其网格编号进一步确定需调节的表皮单元、表皮类型及调节幅度，并生成光环境调节指令；

8、光环境调节模块：双层表皮协同响应调节指令，在变色玻璃表皮中，由电致变色玻璃ec改变雾化等级调节所需透光量，在动态聚光表皮中，由水基玻璃格栅改变角度调节聚光量，实现自适应调节室内光环境；

9、其中，所述设置模块中，表皮编号、网格编号及雾化等级之间的对应关系以如下方式确定：

10、依据用户输入的建筑空间边界条件与材质数据建立仿真模拟模型；

11、依次单独调节透光量调节表皮单元的雾化等级进行日光照射的仿真模拟计算，循环全年时间，记录该表皮单元在不同雾化等级下，日光照射到的各所述网格的网格编号、不同等级的照度信息及相应的照射到的时间信息；

12、建立表皮编号、网格编号、雾化等级和时间的对应关系表。

13、进一步地，变色玻璃表皮由多个电致变色玻璃单元按网格形式组合而成，每个单元可独立控制雾化等级，不同雾化等级透光量不同。

14、进一步地，动态聚光表皮由玻璃、水基腔体和端部带有电敏记忆金属的可动玻璃格栅构成的单元以网格形式组合而成，每个单元可独立控制聚光量。

15、本发明提出一种根据所述的具有优化室内光环境非视觉效应功能的建筑自适应表皮系统的控制方法，所述方法具体为：

16、s1、安装建筑自适应表皮系统及用户输入参数；

17、s2、在五个光气候区内，分别实测光的非视觉效应达到健康标准时对应的照度值，划分各区光环境风险照度区间；

18、s3、运行系统，拍摄室内红外热图并检测光环境，确定存在光环境风险的网格编号；

19、s4、使用yolo算法处理红外热图确定人员视域，进一步结合所测光环境信息确定光环境风险网格编号及相应需调节的表皮单元、表皮类型及调节幅度，发送调节指令；

20、s5、双层表皮协同响应调节指令，电致变色玻璃改变雾化等级调节所需透光量，电敏记忆合金控制水基玻璃格栅改变其角度，通过菲涅尔透镜原理实现聚光。

21、进一步地，所述步骤s1中，安装所述建筑自适应表皮系统时，根据采光窗口形式和尺寸确定所述光环境调节模块中的双层表皮各个单元的排列形式。

22、进一步地，所述步骤s1中，用户参数包括判定循环周期t；

23、所述步骤s3中，每间隔判定循环周期t，根据测试点照度与光谱信息确定一次存在照度不足风险、昼夜节律中断风险或眩光风险的风险网格的网格编号。

24、进一步地，使用双目红外成像仪拍摄室内热图，传输至后端，按照双目视差定位原理，使用yolo算法对图像中人脸进行识别并计算对应的空间坐标，即得到人员在房间中的位置及其视域范围s；使用照度计和光谱仪分别检测垂直眼照度和眼部的光谱功率分布；光谱仪测出的眼部光谱功率分布spd用以计算对应的昼夜节律刺激指标cs值与等效视黑素勒克斯eml值，从而判断光环境质量。

25、进一步地，所述步骤s1中，用户参数包括光的视觉效应下最低照度标准ea、非视觉效应最低照度标准en和眩光照度阈值ed；

26、所述步骤s4中，确定双层表皮中的各单元所需调节的动作时，若存在照度不足风险，即ex<ea的情况，则确定该风险网格对应的变色玻璃表皮单元的雾化等级m需要调节，且需调节雾化程度为负值，若变色玻璃表皮雾化等级调至0仍未达到标准，则确定该风险网格对应的动态聚光表皮单元需要调节，且需调节聚光量为正值；

27、若存在昼夜节律中断风险，即ea≤ex≤en且eml和cs中任有其一未达到各自最低标准的情况，则确定该风险网格对应的变色玻璃表皮单元的雾化等级m需要调节，且需调节雾化程度为负值，若变色玻璃表皮雾化等级调至0仍未达到标准，则确定该风险网格对应的动态聚光表皮单元需要调节，且需调节聚光量为正值；

28、若照度指标不存在光环境风险，即en＜ex＜ed且eml和cs均达标，则认为没有存在光环境风险的风险网格；

29、若存在眩光风险，即用户视域范围的垂直眼照度ex高于眩光照度阈值ed的情况，则确定该风险网格对应的变色玻璃表皮单元需调节，且需调节雾化程度为正值。

30、本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现一种根据所述的具有优化室内光环境非视觉效应功能的建筑自适应表皮系统的控制方法的步骤。

31、本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现一种根据所述的具有优化室内光环境非视觉效应功能的建筑自适应表皮系统的控制方法的步骤。

32、本发明具有以下有益效果：

33、本发明提供了一种具有优化室内光环境非视觉效应功能的建筑自适应表皮系统，实测五个光气候区光的非视觉效应照度阈值指标，使用非侵入式的方式识别室内人员情况，充分考虑了室内非中性表面对光的漫射、散射以及光谱改变情况，通过检测眼部光谱功率分布来精准监测人员所受昼夜节律刺激量值，双表皮协同响应室内光的视觉与非视觉需求，实现实时动态优化室内光环境，以满足预设的视觉照度指标、非视觉效应照度指标、防眩光指标、等效视黑素勒克斯以及昼夜节律刺激指标要求，不仅在遮阳的同时最大化减少了视野遮挡，还从生理角度保证人体昼夜节律健康，有助于提升室内光环境的健康水平。

34、在非视觉效应评估指标的选择方面，cea是由konis等人提出,而昼夜节律刺激cs指标相较于cea、cf指标，虽然都描述了光源对光的非视觉效应的影响，但是仅cs考虑视网膜的神经解剖结构和大脑中的信号通道，由照明研究所(lrc)开发的昼夜节律刺激(cs)结合了神经解剖学、神经生理学和昼夜节律系统的特征。cs代表cla的有效性或光照一小时后夜间褪黑激素抑制的量。cs从0到0.7饱和度不等，在白天至少连续两个小时至少cs保持0.3。