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    基于太陽(yáng)輻射的水平外遮陽(yáng)調(diào)控策略

    2012-11-30 02:33:16丁勇戴輝自李百戰(zhàn)連大旗
    關(guān)鍵詞:太陽(yáng)輻射朝向遮陽(yáng)

    丁勇,戴輝自,李百戰(zhàn),連大旗

    (重慶大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400045)

    已有研究表明:采用固定式外遮陽(yáng)方法,建筑節(jié)能率最高達(dá)58.52%;而采用可調(diào)控的水平外遮陽(yáng)這一比例可達(dá)72.67%[1]。建筑外遮陽(yáng)在大幅度降低建筑能耗的同時(shí),還能有效改善室內(nèi)自然采光環(huán)境[2]。對(duì)于外遮陽(yáng)的設(shè)置,夏季需在白天時(shí)段盡可能降低進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射,以降低空調(diào)負(fù)荷,并營(yíng)造良好的室內(nèi)光環(huán)境;冬季需盡可能擴(kuò)大進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射[3]。而由于太陽(yáng)高度角和方位角的變化,在夏熱冬冷地區(qū),例如重慶,在建筑的不同朝向、形式和大小上都基本一致的固定式遮陽(yáng)無(wú)法滿(mǎn)足這一遮陽(yáng)需求[4]。因此,需要設(shè)置可以隨太陽(yáng)高度角和方位角進(jìn)行調(diào)節(jié)的活動(dòng)式外遮陽(yáng),以滿(mǎn)足對(duì)遮陽(yáng)效果的需求。本文通過(guò)研究夏季不同朝向、不同挑出長(zhǎng)度的水平外遮陽(yáng)的遮陽(yáng)效果,探索適應(yīng)重慶地區(qū)建筑活動(dòng)水平外遮陽(yáng)的調(diào)控策略,為更好地實(shí)現(xiàn)建筑外遮陽(yáng)的效果提供實(shí)際操作指導(dǎo)。

    1 水平外遮陽(yáng)作用

    1.1 室內(nèi)環(huán)境對(duì)水平外遮陽(yáng)的需求

    太陽(yáng)輻射照射到外窗表面后,一部分被反射,不成為房間的得熱;一部分直接透過(guò)外窗進(jìn)入室內(nèi),全部成為房間得熱;還有一部分先被外窗玻璃吸收使玻璃溫度升高,然后,其中的一部分以對(duì)流和輻射的形式進(jìn)入室內(nèi)成為房間的得熱[5]。室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷與室內(nèi)得熱有密切關(guān)系,太陽(yáng)輻射引起的室內(nèi)得熱增加將顯著提高室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷,因此,采用外遮陽(yáng)可減少透過(guò)外窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射,從而達(dá)到減少夏季空調(diào)負(fù)荷的目的。

    對(duì)于建筑垂直面圍護(hù)結(jié)構(gòu)即外窗,當(dāng)晴天無(wú)外遮陽(yáng)時(shí),其表面接收的太陽(yáng)輻射IZ主要為太陽(yáng)直射輻射IDV、太陽(yáng)散射輻射ISV和地面的反射輻射IRV3者之和。設(shè)置外遮陽(yáng)后,外窗上會(huì)形成陰影區(qū),該陰影區(qū)內(nèi)將不能接收太陽(yáng)直射輻射,因此,進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射量將減少。垂直面的太陽(yáng)直射輻射計(jì)算如下[6]:

    其中:IDN和IDV分別為地球法線(xiàn)平面和垂直面的太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度(W/m2);I0為太陽(yáng)常數(shù);β為太陽(yáng)高度角(°);P為大氣透明度等級(jí);γ為墻面法線(xiàn)和陽(yáng)光投影線(xiàn)的夾角(°);As為太陽(yáng)方位角(°),太陽(yáng)偏東為負(fù),偏西為正;Aw為垂直墻面方位角(°),以正南點(diǎn)為0°,順時(shí)針?lè)较颍ㄆ鳎A角為正,逆時(shí)針?lè)较颍ㄆ珫|)夾角為負(fù)。

    根據(jù)地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的運(yùn)行規(guī)律,太陽(yáng)高度角與太陽(yáng)方位角之間的關(guān)系可由式(4)和式(5)計(jì)算得到[5]。

    其中:φ 為地理緯度(°);δ為太陽(yáng)赤緯角(°);h為時(shí)角(°)。

    經(jīng)綜合可知:太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角的變化,將直接導(dǎo)致地球法線(xiàn)平面以及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的垂直面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化。太陽(yáng)高度角越大,地球法線(xiàn)平面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度也越大。而且某地接受的太陽(yáng)輻射量的大小,與大氣的透明度及云量有直接關(guān)系。例如,位于北半球的重慶地區(qū),夏季的太陽(yáng)高度角、大氣透明度等級(jí)較冬季高,但云量較冬季小[7]。因此,夏季(尤其是7、8月份)室外太陽(yáng)直射輻射比冬季大,見(jiàn)圖1。而各個(gè)垂直墻面由于方位角不同,垂直墻面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度也存在差異[8]。由圖1可見(jiàn):在7月份,西向墻面月平均輻射強(qiáng)度約為北向的2倍;西向墻面8月份的月平均輻射強(qiáng)度為1月份的3倍。由此可見(jiàn):一方面,夏季太陽(yáng)輻射值高,需要降低透過(guò)外窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射,而冬季則需要利用透過(guò)外窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射;另一方面,在同一季節(jié)同一天的不同時(shí)刻,在建筑的各個(gè)朝向上,太陽(yáng)輻射值具有明顯的差別,這對(duì)于外遮陽(yáng)的設(shè)置的合理性要求也不盡相同。因此,研究合理的外遮陽(yáng)設(shè)置及控制策略,以適應(yīng)變化的天氣狀況和資源狀態(tài),提高遮陽(yáng)性能,是有效利用外遮陽(yáng)降低室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷并營(yíng)造良好室內(nèi)環(huán)境的關(guān)鍵。

    圖1 重慶地區(qū)典型氣象年全年室外和各朝向墻面月平均輻射強(qiáng)度[9]Fig.1 Monthly average radiation intensity of outside and walls with different orientations in typical meteorological year of Chongqing area[9]

    1.2 水平外遮陽(yáng)效果

    水平外遮陽(yáng)是通過(guò)在外窗上形成陰影,減少進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)直射輻射達(dá)到遮陽(yáng)的效果,形成的陰影面積越大,遮擋的太陽(yáng)直射輻射也越多,遮陽(yáng)效果就越顯著[10]。影響陰影面積大小的因素眾多,主要有:水平遮陽(yáng)的外形、外窗朝向和太陽(yáng)的方位(即時(shí)刻)。而陰影的幾何參數(shù)可以根據(jù)計(jì)算時(shí)刻的太陽(yáng)高度角β和墻面法線(xiàn)和陽(yáng)光投影線(xiàn)的夾角γ計(jì)算得到,如圖2所示。假設(shè),水平外遮陽(yáng)的挑出長(zhǎng)度為X,則可由式(6)和(7)計(jì)算得到水平遮陽(yáng)陰影的深度T和陰影的偏移量M[11]:

    其中:T為水平遮陽(yáng)陰影的深度(m);X為水平外遮陽(yáng)的挑出長(zhǎng)度(m);M為水平遮陽(yáng)板陰影的偏移量(m)。

    由式(6)和(7)可知,陰影的深度T和偏移量M與水平外遮陽(yáng)的挑出長(zhǎng)度成正比,與太陽(yáng)高度角β成正相關(guān)。當(dāng)墻面方向一定時(shí),墻面方位角也就一定,1 d內(nèi)太陽(yáng)方位角As由負(fù)至正,進(jìn)而引起γ變化,陰影偏移量M先減小后反向增加,而陰影深度T變化不定。因此,水平外遮陽(yáng)由于挑出長(zhǎng)度、太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角參數(shù)的變化,作用效果將存在明顯的差別。評(píng)價(jià)水平外遮陽(yáng)效果,需要綜合考慮挑出長(zhǎng)度、遮陽(yáng)朝向、太陽(yáng)高度角、太陽(yáng)方位角參數(shù)的影響。根據(jù)研究測(cè)算表明:南向外遮陽(yáng)在10:00時(shí)刻,太陽(yáng)高度角為54°,太陽(yáng)方位角為?82.37°,窗陰影區(qū)域占窗戶(hù)面積比例為93.2%;在12:00時(shí)刻,這一比例變?yōu)?00%;在14:00時(shí)刻,這一比例又降低至 73.7%。由此可知:1 d中各時(shí)刻外遮陽(yáng)在窗上形成的陰影區(qū)域處于不斷變化的過(guò)程,其大小與外遮陽(yáng)長(zhǎng)寬、建筑朝向和太陽(yáng)方位等參數(shù)密切相關(guān)。

    圖2 水平外遮陽(yáng)形成的陰影區(qū)域分析Fig.2 Analysis of shadow region formed by horizontal external shading

    2 水平外遮陽(yáng)效果

    通過(guò)上述分析已得水平外遮陽(yáng)效果會(huì)受到外遮陽(yáng)長(zhǎng)寬、建筑朝向和太陽(yáng)方位角的影響。為尋找高效的外遮陽(yáng)設(shè)置參數(shù),使水平外遮陽(yáng)的設(shè)置既能最大限度地滿(mǎn)足遮陽(yáng)的需求,又能滿(mǎn)足自然采光的需求[12]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試并結(jié)合理論分析,在不同遮陽(yáng)、遮陽(yáng)朝向和太陽(yáng)方位角(隨時(shí)間變化)下進(jìn)行水平活動(dòng)外遮陽(yáng)設(shè)置策略研究。

    2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

    由于太陽(yáng)光不因模型比例的縮小而改變自身的特性,且室內(nèi)某點(diǎn)的太陽(yáng)輻射和照度也不會(huì)因?yàn)楸壤目s小而變化[13]。因此,實(shí)驗(yàn)利用幾何相似的原理,構(gòu)造幾何相似比例為1:3的房間模型,并且保證模型房間和實(shí)際房間的室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的顏色和反射率一致[14]。開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)試房間內(nèi)的太陽(yáng)輻射值和照度值,分析比較遮陽(yáng)前后的室內(nèi)太陽(yáng)輻射和室內(nèi)照度變化,以便反映水平外遮陽(yáng)的遮陽(yáng)效果。

    根據(jù)幾何相似原理并依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)3個(gè)房間模型,測(cè)試研究的水平外遮陽(yáng)朝向分別為東南、南和西南。參照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[15?17],確定室內(nèi)外太陽(yáng)輻射和照度的布點(diǎn)(1,2,3和4)和測(cè)試的方法(圖3)。

    圖3 室內(nèi)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度及室內(nèi)照度測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of points for measuring indoor sun radiation intensity and indoor illumination

    2.2 建筑水平外遮陽(yáng)效果分析

    為分析不同挑出長(zhǎng)度水平遮陽(yáng)的遮陽(yáng)效果,研究中給出 5種水平外遮陽(yáng)挑出長(zhǎng)度分別為 0(無(wú)遮陽(yáng)),0.3,0.6,0.9和1.2 m,并在重慶地區(qū)夏季典型的晴天天氣條件下,實(shí)測(cè)西南,南和東南3種朝向水平遮陽(yáng),并得到3種朝向5種水平遮陽(yáng)挑出長(zhǎng)度下8:00,10:00,12:00,14:00和16:00的室內(nèi)太陽(yáng)輻射值和室內(nèi)照度。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí),室內(nèi)太陽(yáng)輻射值取室內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)太陽(yáng)輻射值的平均值,室內(nèi)照度取室內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)照度的平均值,室內(nèi)太陽(yáng)輻射降低幅度以同時(shí)刻、同方向的水平遮陽(yáng)挑出長(zhǎng)度為 0(無(wú)遮陽(yáng))時(shí)室內(nèi)太陽(yáng)輻射為基準(zhǔn)。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)于同一時(shí)刻下的南向水平外遮陽(yáng),隨著挑出長(zhǎng)度的增加,室內(nèi)太陽(yáng)輻射降低但幅度逐漸變緩,其中由0 m增至0.3 m時(shí)降低幅度最大。在8:00時(shí)刻,外遮陽(yáng)挑出長(zhǎng)度分別為0(無(wú)遮陽(yáng)),0.3,0.6,0.9和1.2 m時(shí),水平遮陽(yáng)引起的室內(nèi)太陽(yáng)輻射降幅變化趨勢(shì)如圖4所示,每增加的0.3 m挑出長(zhǎng)度引起的室內(nèi)太陽(yáng)輻射降幅分別為 17.4%,15.7%,4.3%和 9.6%。由圖 4可知:當(dāng)水平外遮陽(yáng)挑出長(zhǎng)度達(dá)到0.6 m后,再增加外遮陽(yáng)的挑出長(zhǎng)度對(duì)降低室內(nèi)太陽(yáng)輻射幅度作用已不明顯,稱(chēng)此狀態(tài)點(diǎn)為外遮陽(yáng)效果的分界點(diǎn)。表1所示為南向遮陽(yáng)每增加0.3 m遮陽(yáng)室內(nèi)太陽(yáng)輻射降低百分比。類(lèi)似地,由表1可知:在10:00,12:00,14:00和 16:00時(shí)刻,外遮陽(yáng)效果分界點(diǎn)分別在0.6,0.6,0.6和0.3 m。此時(shí),在8:00—14:00時(shí)段和14:00—16:00時(shí)段分別按0.6和0.3 m設(shè)置水平外遮陽(yáng)后,8:00—14:00時(shí)段內(nèi) 8:00出現(xiàn)該時(shí)段室內(nèi)照度最低,為635.8 lx;而14:00—16:00時(shí)段室內(nèi)照度最低值為848.8 lx;這些數(shù)據(jù)均完全滿(mǎn)足《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中工作面的照度值大于300 lx的要求。因此,按上述設(shè)置外遮陽(yáng)可同時(shí)滿(mǎn)足遮擋太陽(yáng)輻射和采光的要求。

    圖4 8:00時(shí)刻南向不同水平外遮陽(yáng)室內(nèi)太陽(yáng)輻射變化Fig.4 Changing of indoor sun radiation shading at different horizontals external shading when 8:00 in South orientation

    除遮陽(yáng)尺寸產(chǎn)生的影響外建筑朝向也是影響遮陽(yáng)效果的重要因素。對(duì)于東南向和西南向的房間,由于朝向成 90°夾角,可知太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致室內(nèi)太陽(yáng)輻射變化趨勢(shì)相反。圖5所示為8:00和14:00東南向和西南向各遮陽(yáng)水平下室內(nèi)太陽(yáng)輻射變化趨勢(shì)。在8:00未遮陽(yáng)時(shí),西南向的太陽(yáng)輻射較低,僅為7.5 W/m2,而東南向的為129.6 W/m2。至14:00,西南向的太陽(yáng)輻射增加至 146.5 W/m2,而東南向則降低至 16.5 W/m2。2種朝向同一時(shí)刻需要遮擋的太陽(yáng)輻射量大不相同。若在同一時(shí)刻,各朝向設(shè)置同一遮陽(yáng),如表 2所示,例如8:00挑出長(zhǎng)度為0.3 m時(shí),西南向和東南向遮陽(yáng)下室內(nèi)太陽(yáng)輻射的降幅分別為13.0%和31.3%,相差較大。因此,為充分達(dá)到遮陽(yáng)效果,需針對(duì)不同朝向及時(shí)間設(shè)置水平遮陽(yáng)長(zhǎng)度。

    對(duì)于西南向和東南向水平遮陽(yáng),采用類(lèi)似于南向水平遮陽(yáng)的分析和研究方法,分別得到關(guān)于西南向和東南向的不同時(shí)段的水平外遮陽(yáng)控制策略。綜合上述分析,可給出如表3所示的水平外遮陽(yáng)控制策略。

    表1 南向遮陽(yáng)每增加0.3 m遮陽(yáng)室內(nèi)太陽(yáng)輻射降低百分比Table 1 Reducing of indoor sun radiation when the length of south horizontal external shading increasing every 0.3 m %

    圖5 8:00和14:00時(shí)刻?hào)|南向和西南向各遮陽(yáng)水平下室內(nèi)太陽(yáng)輻射變化Fig.5 Changing of indoor sun radiation in southwest and southeast orientations at different horizontals external shading when 8:00 and 14:00

    表2 西南向和東南向不同時(shí)刻不同遮陽(yáng)水平下的室內(nèi)太陽(yáng)輻射降幅(相對(duì)于無(wú)遮陽(yáng))Table 2 Declined indoor sun radiation in southwest and southeast orientations at different time and different horizontals external shading(compared with no-shading condition)%

    表3 不同朝向水平外遮陽(yáng)調(diào)控策略Table 3 Controlling strategy for horizontal external shading in different orientations

    3 結(jié)論

    (1)各個(gè)朝向下,隨著遮陽(yáng)挑出長(zhǎng)度的增加,室內(nèi)太陽(yáng)輻射值降低,但隨著遮陽(yáng)挑出長(zhǎng)度值的增大,遮陽(yáng)的作用效果不再明顯,出現(xiàn)明顯的作用效果分界點(diǎn)。對(duì)于南向的遮陽(yáng),挑出長(zhǎng)度由0.3 m增至1.2 m時(shí),室內(nèi)太陽(yáng)輻射降低幅度由 16.5%增至 40.7%,但到0.6 m后每增加的0.3 m遮陽(yáng)引起的室內(nèi)太陽(yáng)輻射降低值減至5.6%。

    (2)在相同朝向和遮陽(yáng)下,不同時(shí)刻遮陽(yáng)效果也存在較大差別:南向遮陽(yáng)水平為 0.3 m時(shí),10:00和12:00時(shí)刻室內(nèi)太陽(yáng)輻射降幅分別為21.6%和13.7%。

    (3)在相同時(shí)刻和遮陽(yáng)下,不同朝向時(shí),遮陽(yáng)效果也存在較大差別,例如西南向和東南向8:00時(shí)刻水平外遮陽(yáng)為13.0%和5.1%。

    (4)南向水平外遮陽(yáng)的最佳調(diào)控時(shí)段為 10:00—14:00;在8:00—14:00時(shí)段內(nèi)遮陽(yáng)最佳挑出長(zhǎng)度為0.6 m;在 14:00—16:00時(shí)段水平外遮陽(yáng)調(diào)至0.3 m;東南向水平外遮陽(yáng)的最佳調(diào)控時(shí)段為8:00—10:00;且該時(shí)段最佳挑出長(zhǎng)度為0.6 m;而在14:00—16:00時(shí)間段內(nèi)水平外遮陽(yáng)挑出長(zhǎng)度為0 m;西南向水平外遮陽(yáng)需求及趨勢(shì)與東南向外遮陽(yáng)相反,其最佳調(diào)控時(shí)段為14:00—16:00,此時(shí)段外遮陽(yáng)最佳挑出長(zhǎng)度為0.6 m,在8:00—12:00時(shí)段水平外遮陽(yáng)挑出長(zhǎng)度為0 m。

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