浅谈机电自控技术在智能大厦墙体的应用

黄剑春

关键词：学科发展；机电自控；智能建筑；外墙

一、引言

教育要体现时代的气息，而学科的发展更需根据杜会的需求不断进步。随着中国进入WTO以后，我们的视野极大拓展了，同时也深感面临着巨大的机遇与对传统的挑战。机电自控领域正在迅速地与其他学科领域相互交融，谋求自我发展。本文就机电自控技术在外墙行业中的应用，希望能获得一些学科教育及发展方面的经验，以供借鉴和参考。

二、传统大厦外墙的不足

自20世纪60年代以来，人们逐渐意识到了环保的重要性。1989年联合国环境署理事会通迁了迁可持续发展的声明”。自1996年以来，我国建筑界开始进行多方面的探讨。目前，就节约土地而言，发展高层建筑对中国这个人口多、土地紧张的国家仍是一种手段。这也是国内许多大城市高层建筑林立的原因之一。但高层建筑所带来的负面效应也是明显的，建筑物运行所需的大量能耗；光污染等对城市环境的破坏；救灾工作的隐患；以及使人远离自然而影响健康的问题等等。据美国科学家估计，发达国家目前50%的能耗是建筑消耗。而高层建筑的耗能又是一般建筑的6-8倍。能源的大量消耗不但使资源枯竭的局面日趋严重，更产生大量二氧化碳，使生态环境进一步恶化。目前，我国建筑耗能占全国总能量的25.6%，而外门窗外墙又是建筑能耗散失最薄弱的部分，其耗能量占建筑外围结构的40%~50%。因此，杜会需要一种新型的外墙，能使建筑能耗大大下降，同时提供更大的可见光区域，并尽量采用高透射率玻璃以使光污染对城市的环境破坏降至最小，从而达到人与自然的协调发展。

三、针对外墙机理的分析

由于建筑外墙中的见光部分是能量流失的主要环节，而只有大透光面积及高透光率才能使室内的舒适程度得以提高。故如何满足以上要求即成为新型外墙的关键。而对见光部分的能量交换有着决定性影响作用的是太阳光。可知，阳光中主要能量携带者为可见光和红外线。同时，当外墙见光部分的透光率达到50%的时候，若考虑热吸收和重新辐射，则其对太阳能量的吸收将至少达到26%。在夏季，人们为了抵御烈日，一种常用的手段是百叶遮阳。即利用百叶片的开启和闭合来达到对光线的调节。但从能量消耗的角度分析，常见的百叶窗仅仅挡住了刺眼的光线，并没有减少多少太阳能量的吸收。因为玻璃的特性决定了其允许可见光和红外线等短波辐射透迁，但对长波辐射却有阻碍作用。当阳光透迁玻璃，其热量也随之进入了室内，并被室内各种物件吸收，成为“热源”，而这些“热源”所散发出来的长波辐射并不能透过玻璃反射出去，故导致室温升高形成了温室效应。加重了空调系统的能耗。而解决此问题的方法即是：将百叶系统外移，使百叶系统位于内外二层玻璃之间。如此可使短波辐射在进入内层玻璃前，己被转化为能被玻璃阻碍的长波辐射，并将热能聚集在内层玻璃外，不至于马上影响室内温度。然后通过排热装置将热量排出墙体。同时通过调节百叶的升启以最大限度的利用太阳光能，达到节能的目的。

四、具体的机电技术构架

对于己拥有最佳透光率性能的外墙，考虑到使其能跟随外部光线及天气季节的交替而变化，以控制外墙的透光率，能量的流失程度以及噪音程度等指标，关键是对外墙“百叶”进行动态调控。具体的构思将整体外墙分为：控制系统，机械系统（铝合金外墙），机电执行机构（百叶系统）以及检测系统（传感器）四大部分。机械系统（铝合金外墙）既支撑机电执行机构，又将室内与室外风雨隔离开。但对光和热等的调控，则由机电执行机构，控制系统和检测系统共同完成。检测系统收集室内及外墙上信息并传送至控制系统，再由控制系统对机电执行机构进行调控，通过执行机构的动作最终达到室内环境的满意效果。

1控制系统：

针对新型外墙需对大厦整体百叶进行动态调控的特点，提出了控制系统的一般要求：首先应明确其可集成入大厦整体的中央管理系统。所以其应为开放式可兼容系统。其次此系统应该便于扩充和修改。最后系统应有人机对话界面。对于外墙百叶系统，考虑仅要求百叶翻转至几个固定的角度，以及关闭、开启、上升、下降等几个动作。所以控制系统常用指标并不高。可采用开环控制。外墙的面积对一般高层建筑而言都不小，因此其百叶系统的单元数量也较多，估计都在千个左右，所以对于这些百叶单元考虑必须采取多级路由控制。由主控制室内的计算机选择控制对象，经选择路由后进入下一级，第二级路由控制以几个楼层为单位。又因为建筑立面的朝向不同，其所受的日照等情况也不相同，故在二级路由控制的基础上又划分出了第三级路由控制，或再下一级路由控制，以最终能具体控制相近条件的数片百叶同时动作。

2机械系统（玻璃幕墙）

因为外墙的主要作用为将室内外空间隔绝，提供一个安全的室内环境，并提供充足的自然光线。因此将常规的玻璃幕墙归为机械系统，既有外墙功能又是机电执行机构的支撑体。玻璃幕墙（机械系统）主要由玻璃、花岗石等饰面材料；铝合金型材；支撑铁件；硅胶材料及紧固件五大部分构成。铝合金型材，支撑铁件及紧固件构成一个结构上坚固的框架，与主体混凝土结构相接，并通过硅胶等材料的粘接作用，使玻璃等饰面材料固定于此框架上，而构成建筑物的外墙。

3机电执行机构

机电执行机构，即具体实现百叶片各种动作的机构，起到调节光线，充分利用光能的作用。考虑将其固定于机械系统之上。机电执行机构将主要由D/A模块，电动马达、调速器、卷绳器以及百叶片，框架等构成。D/A模块将中央控制系统的信号转换成电动马达接受模拟信号，经调速器带动提升绳使百叶翻转。或将电机的扭矩由轴传至卷绳器，以控制百叶片的收起和放下。对电动马达，因为固定在外墙上，必须轻小。其次由于驱动对象主要为百叶片，所以选用小功率马达，一般每分钟50转左右，但必须低噪音。而其余装置，如机械限位，卷绳器以及百叶片，框架，都应该连接牢固，外表美观，耐用。并有抗紫外线侵蚀的能力。

4检测系统

检测系统将具体的信息检测出，并反馈给中央管理系统，由中央管理系统进行判断后决定百叶片的具体翻转角度及排热装置是否开启。传感器为检测系统的主要部件，针对新型外墙特点考虑采用温度传感器和光敏传感器，用于检测温度和光线强度。其具体的安装位置较为灵活。可安装于室内，也可安装于室外。

五、结论

机电自控技术是一门集计算机、微电子、机械、电力等于一身的交叉学科，在农业、工业等有着非常重要的作用，为了进一步促进机电自控技术的发展，本文主要就机电自控技术在智能大厦墙体中的应用展开相关论述。通过上述分析可知，机电自控技术在外墙中的应用对建筑事业的发展做出了巨大的贡献，了解杜会需求一一深入分析一一一拓展视野，找寻措施一一一实施实践应是一种有效的教育研究模式，并将有助于推动机电自控技术的发展。

参考文献：

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