机械创新设计大赛-新型智能‘百叶’窗”说明书.docx

机械创新设计大赛说明书作品名称：“新型智能百叶窗”设计团队：xxxxxxxxxxxxx指导老师: xxxxxxxxx联系人：xxxxxxxxxxx电话：xxxxxxxxxxxxx摘 要：教室里人口密度这么大，缺乏流通的空气会影响学生的健康和学习。尤其是冬季，学生怕冷，教室长时间封闭，空气质量容易下降，特别是CO2浓度和微生物含量容易超标。教室空气质量的下降影响学生健康，对呼吸系统的影响尤为明显，学生极易疲劳也是受教室空气质量下降的影响。关键字：窗户，自动控制，空气质量，“百叶”一.研制背景：1.1.通风问题在窗户紧闭的有限空间里，将导致空气污浊，细菌数增加，温湿度上升。教室空气污染主要污染物有：校舍改建装潢的装饰材料中的挥发性有机物甲醛等，建筑材料中的氡，粉笔灰等可吸入颗粒物，悬浮于空气中的致病微生物，过高浓度的二氧化碳等等。在新鲜空气中，二氧化碳的含量约为003004，人能承受的二氧化碳浓度是15以下。关于二氧化碳的室内空气中最大允许含量，目前，尚无统一规定，一般公认室内空气中二氧化碳浓度达01以上时为污染。 上海市奉贤区中小学教室空气质量调查结果：寒冷季节教室内CO2体积分数由课前的0.081%逐节上升,至上午第4节课后达到0.197%。空气细菌总数课前为0.2个/cm2,第4节课后上升至1.8个/cm2;教室内可吸入颗粒物课前0.45mg/m3,第4节课后为0.46mg/m3;教室内温度课前为5.0,第4节课后保持为6.8;湿度课前为66.2%,第4节课后上升到75.0%。CO2体积分数、细菌总数课前与第1,2,3,4节课后的差异有统计学意义。医学专家表示：室内通风与不通风情况下的学生记忆力、反应速度、注意力集中程度及动作稳定程度都不同。教室空气二氧化碳浓度增大与学生疲劳有直接关系，学生正处于生长发育期，呼吸量按体重比比成人高许多，各种生理代谢十分旺盛，在教室内学习的时间又较长，长时间处于低氧高二氧化碳环境，严重的会有胸闷、气短、头晕、头疼等现象，并使机体免疫能力下降。增加了传染感冒的机会，也会使已有的感冒症状加重而难以治愈。容易患上哮喘等各种病症。中小学校教室换气卫生标准 GB/T172261998规定了中小学生的必要换气量、中小学教室的换气次数、室内空气二氧化碳 （ CO2）容许浓度、换气方式及换气制度。每换气一次，可清除室内空气中60的有害气体。但由于大风，寒冷等原因，教室并不能做到及时换气。1.2.采光问题传统教室窗户存在采光问题。夏日户外光线强而且温度高，教室必须里里外外拉严窗帘，如此教室里必须开灯，打电扇。这样做既不有利于通风，也不节能环保，窗帘也容易被风刮起扰乱课堂秩序。冬季外界环境寒冷，学生通常不喜开窗，造成室内空气污浊，且光线透过玻璃后强度削弱，造成采光不足。另外，现代教学方式加入了ppt,word,网络等工具，所以常常需要用的投影仪，这样老师上课时经常要拉窗帘开窗帘，不方便且麻烦，容易打乱教师的教学顺序。针对上述问题，我们设计了一种“新型智能百叶窗”。它传感器感应，控制电路控制，伺服电动机驱动及螺旋丝杠传动（具有自锁性能）等。使得窗户采光适应不同时间的太阳高度角，且不但能够在人工的轻巧控制下随意开关及调整开口的大小，更可以在天气达到设定的风雨级别时自动关闭，并可在一定程度上控制室内温度保持才人体感觉舒适的温度。二设计方案21通风创意本设计结合百叶窗的设计，将传统玻璃设计成“百叶”样式下如图。室外空气流速快，气压低；室内空气流速慢，气压较之高，所以室内外将产生空气流动循环，外界环境中的空气可以源源不断的向室内补充，同时室内污浊的空气得以排出到外界。结果使教室内的空气得到了净化。对于冬季而言，我队设计在窗户上添加热电阻丝，温度控制在（4045）可以加热由室外进入的冷空气，使室内外可以形成一个热循环。结果可以使室内空气得以净化的同时稍稍加热了室内温度。22 采光设计由电风扇转页得到灵感，我队设计的新型窗户可以通过旋转控制“百叶”的倾斜角度，以适应不同季节不同的太阳高度角，保证教室可以得到足够的适宜的光照。下图为传动示意图。 如下图，为满足采光需求与遮阳需求下“百叶”不同的展开方式。采光遮阳23遥控控制为了方便教师学生上课的需要，我队对新型窗户的转动，“百叶”的张开闭合，热电阻丝的开关等设计成遥控控制，用统一的开关，分路开关以及遥控器控制。24节能设计在对与玻璃的设计上，我队选取新颖材料“半透明光伏发电玻璃”。不透明的太阳能电池像二明治一样加在两块玻璃面板中间,形成“玻璃-太阳能电池-玻璃”,是一种常见的结构（如右图）。这种类型的光伏组件可以被用在窗体系统中,例如,可以被用作窗体系统的外层,在允许自然采光的同时,又可以产生电能。通过调整太阳能电池间的间隙和距离,以控制建筑的透光率和遮阳效果,并且能够平衡建筑的自然光需求和发电量。只需要转换传统玻璃即可,可以有效减少安装费用,因此这种半透明光伏发电玻璃可以说是一种性价比极高的建筑材料。光伏玻璃产生的电，可以用于新型玻璃窗的旋转，“百叶”的展开闭合，热电阻丝的发热等，在自给自足的同时，多余的电能还可以提供给教室其他用电器材或作为储蓄电能以备不时之需。2. 5传感控制系统1.风速传感器风速传感器可连续监测室外的风速、风量（风量=风速x横截面积）大小。利用超声波时差法来实现风速的测量。声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，若超声波的传播方向若与风向相反，它的速度会变慢。因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应。通过计算即可得到精确的风速和风向。 在流动方向上设置一个固定的障碍物（孔板、喷嘴等），这样根据流速不同便会产生一个压差。通过测量压差，可以转换成流速的测量。当户外风速超过设定值时，传感器产生信号，此信号经控制电路放大后可使电磁继电器产生动作，继而使窗页启闭系统工作，使窗户实现自动关闭。2.雨水检测利用雨水导电原理，我们设计了雨水检测片。该检测片的表面刻有纵横多道凹槽的塑料片，其中一个方向的凹槽内镶嵌有导电性能良好且不易腐蚀的石墨条。当有雨水落到此片上时，便会导致电路导通。从而可使使电磁继电器产生动作，继而使窗页启闭系统工作，使窗户实现自动关闭。3.电磁继电器电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流。较低的电压去控制较大电流。较高的电压的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。三创新点及应用摆脱传统窗户单一的平面结构，窗面设计为“百叶”状。适用于不同季节不同时候的太阳高度角，采光效果更加适应教室教学需求。通风效果更佳，热电阻丝的设计可以起热空调的作用。操作和控制简便，把人工控制变为方便快捷的电子机械控制。选材用了“半透明光伏发电玻璃”，绿色节能环保。可在室外风速超过设定值时自动关闭窗户。可在室外下雨时自动关闭窗户。四应用前景由于本作品具有采光通风效果好，安装使用方便，成本低廉，安全可靠，可集中控制，并且便于根据用户提出的各种窗户启闭条件增添更换控制模块等优点，本作品可作为传统窗户的更新替代应用于公用建筑与普通居民住宅中，相信在批量生产投入使用后一定会产生良好的社会效益和经济效益。五. 成本 。12 让我们一起关注教室空气质量傅立娟3 教室环境污染不容忽视中国环境报，记者王娅，2002：09-194 办公空间双玻复合半透明PV_光伏发电_通风窗热工及采光性能研究_赵腾飞_2_3_5 杭州市20092011年中小学校教室采光照明卫生状况中国学校卫生2013年1月第34卷第1期