夏季建筑能耗中南外窗傾斜度影響的數(shù)值模擬

劉劍剛 李攀 刁永發(fā) 宋菲嫣

夏季建筑能耗中南外窗傾斜度影響的數(shù)值模擬

劉劍剛1李攀2刁永發(fā)2宋菲嫣2

1沈陽(yáng)天一冷熱源技術(shù)有限公司
2東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

根據(jù)我國(guó)的地理位置和建筑朝向特點(diǎn)，一般建筑通常是南向窗戶占?jí)Φ谋壤畲?。由于現(xiàn)代建筑追求美觀和欣賞功能，玻璃窗占?jí)Φ拿娣e也是越來(lái)越大，所以建筑南向窗戶的節(jié)能變得不容忽視，既要考慮夏季遮陽(yáng)，也要考慮冬季保溫。本文就通過(guò)Ecotect軟件模擬，分析南向外窗的傾斜角度對(duì)夏季建筑能耗的影響。

建筑能耗數(shù)值模擬外窗角度

0 引言

在夏季的建筑能耗中，通過(guò)窗戶，尤其是南向的窗戶，消耗的冷負(fù)荷占據(jù)了很大的一部分。一般情況下通過(guò)安裝百葉外遮陽(yáng)系統(tǒng)來(lái)解決問(wèn)題。當(dāng)希望夏季起到很好的遮陽(yáng)效果，冬季不需要遮陽(yáng)的情況下，遮陽(yáng)的存在卻或多或少阻擋了一部分陽(yáng)光[1]?？梢酝ㄟ^(guò)改變外窗的安裝位置，省去安裝外遮陽(yáng)這道工序。根據(jù)太陽(yáng)在天空中的位置，在夏季時(shí)太陽(yáng)高度角較大，所以將外窗向外側(cè)傾斜一定角度。本文通過(guò)建立模型用Ecoteet軟件進(jìn)行模擬，分析傾斜的南向外窗對(duì)夏季建筑能耗的影響。

1 模型的建立

公共辦公建筑模型其它參數(shù)保持不變，南向外窗尺寸也保持不變，只將南向外窗分別向外傾斜10°、20°、30°（圖1～3），窗戶與建筑南向外墻連接處仍是墻體[2]。

圖1 南窗傾斜10°時(shí)建筑模型示意圖

圖2 南窗傾斜20°時(shí)建筑模型示意圖

圖3 南窗傾斜30°時(shí)建筑模型示意圖

2 模擬結(jié)果及分析

2.1外窗遮陽(yáng)情況

表1為7月20日南向外窗遮陽(yáng)情況的模擬結(jié)果，表2為整個(gè)夏季南向外窗遮陽(yáng)情況的模擬結(jié)果。

表1 7月20日南向外窗遮陽(yáng)百分比

表2 夏季南向外窗遮陽(yáng)百分比

1）單日的情況，除了外窗傾斜10°的位置時(shí)，不能保證全天都沒(méi)有太陽(yáng)光直射輻射進(jìn)入室內(nèi)，在12:00左右有部分太陽(yáng)直射輻射進(jìn)入室內(nèi)，13:00全部進(jìn)入室內(nèi)；傾斜20°和30°的位置時(shí)，太陽(yáng)直射輻射得熱沒(méi)有通過(guò)外窗進(jìn)入室內(nèi)，這兩個(gè)位置的外窗可省去了設(shè)置遮陽(yáng)設(shè)施的麻煩。

2）夏季，傾斜30°和傾斜20°卻發(fā)揮了很好的遮陽(yáng)效果，從全年的遮陽(yáng)模擬結(jié)果看，較熱的月份（6～8月）期間，外窗都沒(méi)有太陽(yáng)光直射輻射，而傾斜10°位置時(shí)，6月份沒(méi)有太陽(yáng)直射輻射，7月份有少部分太陽(yáng)直射輻射，8月份有大量的太陽(yáng)直射輻射，那么對(duì)于此位置的外窗便需要加設(shè)合理的遮陽(yáng)設(shè)施，以免通過(guò)外窗進(jìn)入室內(nèi)大量的太陽(yáng)直射輻射得熱[3]。

2.2外窗與太陽(yáng)輻射能的關(guān)系

7月20日照射到南向外窗、南向外窗吸收、透過(guò)南向外窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射能模擬結(jié)果分別如圖4～6，表3為7月份南外窗接收到總太陽(yáng)直射輻射能。

圖4 7月20日照射到南外窗上的太陽(yáng)直射輻射（W）

圖5 7月20日南外窗吸收的太陽(yáng)直射輻射能（W）

圖6 7月20日透過(guò)南外窗的太陽(yáng)直射輻射能（W）

表3 7月份南外窗接收到的總的太陽(yáng)直射輻射能（W）

從單日外窗與太陽(yáng)輻射能的關(guān)系看，正如遮陽(yáng)百分比所顯示的結(jié)果，只有當(dāng)南向外窗傾斜10°時(shí)有太陽(yáng)直射輻射，傾斜20°與30°時(shí)外窗沒(méi)有受到太陽(yáng)直射輻射；傾斜10°位置時(shí)，在7月20日這天12:00左右有部分太陽(yáng)直射輻射，在13:00左右沒(méi)有任何阻擋的接收太陽(yáng)直射輻射，但是雖有太陽(yáng)光直接照射到南向外窗上，這部分熱量卻沒(méi)有進(jìn)入室內(nèi)，形成室內(nèi)冷負(fù)荷。

2.3建筑結(jié)構(gòu)得熱

7月20日和7月份的建筑太陽(yáng)直射輻射得熱如圖7、8所示；7月20日和7月份平均建筑結(jié)構(gòu)總得熱量的如圖9、10所示。

建筑的太陽(yáng)直射輻射得熱和建筑結(jié)構(gòu)得熱量都是先增大后減小的變化趨勢(shì)，太陽(yáng)直射輻射得熱峰值發(fā)生在11:00～12:00之間，結(jié)構(gòu)得熱在14:00左右達(dá)到峰值。由于外窗傾斜30°建筑總的墻體結(jié)構(gòu)最大，建筑總得熱最多，其次是外窗傾斜20°，與傾斜10°時(shí)建筑總得熱相差較小。

圖7 7月20日建筑太陽(yáng)直射輻射得熱

圖8 7月份平均建筑太陽(yáng)直射輻射得熱

圖8 7月20日建筑結(jié)構(gòu)總得熱量

圖9 7月份平均建筑結(jié)構(gòu)得熱量

2.4建筑室溫

7月20日室溫變化模擬結(jié)果如下：

圖10 7月20日建筑室溫

對(duì)于三種不同位置的外窗來(lái)說(shuō)，室溫在這天也是先升高后降低的變化趨勢(shì)，14:00左右達(dá)到峰值，但三種不同位置比較并無(wú)明顯差異。

3 結(jié)論

1）南向外窗的太陽(yáng)輻射得熱：從6月到8月期間，傾斜20°與30°時(shí)沒(méi)有受到太陽(yáng)直射輻射，南向外窗傾斜10°時(shí)在7月份有少量的太陽(yáng)直射輻射，8月份則有大量的太陽(yáng)直射輻射通過(guò)外窗。

2）建筑得熱與室溫：夏季的建筑總得熱和室溫都是先升高后降低的變化趨勢(shì)；由于外窗傾斜30°時(shí)有較大的建筑墻體面積，總得熱較大一些，傾斜20°和10°相差很??；對(duì)室溫的影響差別幾乎沒(méi)有。

相較之下，冬季來(lái)說(shuō)，建筑太陽(yáng)輻射得熱和室溫都是先升高后降低的變化趨勢(shì)，熱損失是先降低后升高的變化趨勢(shì)；外窗傾斜10°時(shí)，建筑總的太陽(yáng)直射輻射得熱最多，熱損失最少，所以室溫最高；傾斜30°時(shí)，建筑總的太陽(yáng)直射輻射得熱最少，熱損失最大，室溫最低；傾斜20°居中，但是由于冬季太陽(yáng)的高度較低，各角度之間相差很小。

綜合各方面因素考慮，南窗戶向外側(cè)傾斜20°時(shí)是比較理想的位置。

[1]彥啟森.建筑熱過(guò)程[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1986

[2]朱穎心.模擬技術(shù)輔助綠色節(jié)能建筑設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué), 2006

[3]云朋.ECOTECT建筑環(huán)境設(shè)計(jì)教程[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007

Num e ric a l Sim ula tion of the Angle of Southe rn Window s’Influe nc e on Sum m e r Building Ene rgy Cons um ption

LIU Jian-gang1,LI Pan2,DIAO Yong-fa2,SONG Fei-yan2
1 Shenyang Tianyi Cold and Heat Source Technique Co.Ltd.
2 School of Environmental Science and Engineering,Donghua University

According to geographical location and building orientation in our country,it is a bigger percentage of south windows in a common building.Due to the modern architecture pursuit of aesthetics and appreciation functions,Glass Windows’area of the wall is also increasing.So energy saving of south window in building should not be ignored,we both want to consider the summer sunshade and the winter heat preservation.This article analyzed the southern windows’angle influence on summer building energy consumption by Ecotect software.

building energy consumption,numerical simulation,window angle

1003-0344（2014）06-066-3

2013-8-12

劉劍剛（1956～），男，工程師；沈陽(yáng)市皇姑區(qū)寧山中路5號(hào)6088室（110031）；E-mail:foxchang@163.com