南外窗百葉遮陽對(duì)冬季建筑能耗影響的數(shù)值模擬

劉劍剛 李攀 刁永發(fā) 宋菲嫣

南外窗百葉遮陽對(duì)冬季建筑能耗影響的數(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畲蟆Ｓ捎诂F(xiàn)代建筑追求美觀和欣賞功能，玻璃窗占?jí)Φ拿娣e也是越來越大。所以建筑南向窗戶的節(jié)能變的不容忽視，既要考慮夏季遮陽，也要考慮冬季保溫。本文就通過Ecotect軟件模擬，分析南向外窗在設(shè)置水平百葉固定外遮陽的情況下，百葉角度對(duì)冬季南向外窗的節(jié)能影響。

建筑能耗數(shù)值模擬百葉遮陽

0引言

當(dāng)今能源問題舉世矚目，我國在大力發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，也一直把建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)和環(huán)境友好型社會(huì)作為建設(shè)發(fā)展追求的重要目標(biāo)。在我國所有能源消費(fèi)總量中，公共建筑能耗占很大一部分，而建筑能耗中建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)門窗又占主要因素。本文針對(duì)公共建筑南向較大面積的玻璃外窗,當(dāng)外遮陽設(shè)置為固定水平百葉時(shí)，使用Ecoteet軟件模擬冬季的建筑能耗，將百葉的角度分別設(shè)定在不同數(shù)值的情況下，對(duì)室內(nèi)接收到的太陽能輻射值進(jìn)行模擬[1]。

表1冬季1月4日太陽在天空中的位置

1太陽位置

由Ecotect軟件氣象數(shù)據(jù)庫，選取上海地區(qū)作為模擬地區(qū)。上海地理坐標(biāo)為北緯天空中的位置如表1所示[2]。該軟件中表示北緯31.2°，東經(jīng)121.4°，冬季1月4日太陽在不同時(shí)刻的方位角，是太陽光線在地面上投影與指北針方向的夾角，負(fù)號(hào)表示太陽偏西方向。

2建筑模型的建立

1）Ecotect軟件自身功能可為外窗在夏季優(yōu)化產(chǎn)生一個(gè)水平格柵外遮陽板，建筑模型東西向長度為9200mm，南北向?qū)挾葹?200mm，距離頂部窗沿100mm。模型示意圖1所示，其中南向外窗外側(cè)為軟件遮陽材料庫中選擇的水平格柵外遮陽板，Y軸指向與指北針相同，X軸指向?yàn)闁|[3]。

圖1模型A—水平格柵板外遮陽模型示意圖

2）外窗布置固定水平百葉外遮陽木板，百葉板兩端距離窗兩側(cè)邊距離都為200mm，最上層百葉緊靠窗頂，葉片寬度300mm，葉片厚度為10mm，上下葉片間距也為300mm，總片數(shù)為10片，葉片可自由旋轉(zhuǎn)。圖2為百葉遮陽板水平位置示意圖，其中南向外窗外側(cè)為水平百葉外遮陽板，Y軸指向與指北針相同，X軸指向?yàn)闁|。

圖2模型B——固定百葉外遮陽模型示意圖

3冬季百葉外遮陽系統(tǒng)的模擬結(jié)果及分析

冬季考慮模型B的百葉位置有水平、上傾30°、上傾60°三種情況，對(duì)當(dāng)百葉分別處于這三種位置以及模型A外遮陽形式時(shí)，外窗接收到的太陽能量、建筑能耗等進(jìn)行模擬，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析比較[4]。

3.1外遮陽情況

1月4日及全年外窗平均遮陽情況模擬結(jié)果見圖1和表2。

圖3 1月4日外遮陽模擬結(jié)果

表2 1月份平均外遮陽情況模擬結(jié)果

1）單日模擬結(jié)果分析：外窗受遮陽較少的是百葉上傾30°和60°的情況，而在13:00左右水平格柵、百葉水平、上傾30°都比其它時(shí)刻遮住了較多陽光。根據(jù)冬季太陽在天空中的位置，9:00以后南向外窗開始有太陽光直射輻射，并在9:00～13:00時(shí)間段內(nèi)隨太陽高度角逐漸變大，這期間上傾30°的百葉越來越阻擋陽光照射到外窗上，而上傾60°時(shí)可以讓外窗接收到更多陽光，而9:00以前和13:00以后隨太陽高度角較小時(shí)，上傾30"位置比其它遮陽可以接收到更多陽光。在這一天當(dāng)中，百葉上傾30°和60°時(shí)外窗分別接收較多陽光直射輻射的時(shí)間，大約各占一天太陽總的直射輻射時(shí)間的一半。

2）全年每月平均遮陽比較：百葉上傾60°遮陽比例總是小于其它遮陽方式；水平格柵和百葉水平時(shí)在2月至11月之間，遮陽比例較高，都在70%以上；百葉上傾30°是在2月至10月之間遮陽比例在70%以上；而百葉上傾60°只在5月至7月之間遮陽比例達(dá)到70%以上，其它月份平均在20%～70%之間分布。

3.2外窗與太陽能輻射

1月4日外窗上所接收到的太陽輻射能模擬見圖4～6和表3。

圖4 1月4日照射到外窗上的太陽能輻射

圖5 1月4日外窗吸收的太陽能輻射

圖6 1月4日外窗透過的太陽能輻射

表3 1月份外窗接收到的總太陽輻射能（W）

1）單日模擬結(jié)果分析：外窗接收到的太陽輻射能量與外窗遮陽比例模擬結(jié)果表達(dá)一致，都是在13:00左右太陽高度角最大時(shí)外窗的太陽得熱效果最差，都是當(dāng)外遮陽百葉上傾30°和60°時(shí)外窗受陽光直射多于其它；在9:00～13:00時(shí)間段內(nèi)，百葉上傾60°外窗的太陽直射輻射得熱最多，且在12:00左右達(dá)到一天當(dāng)中太陽直射輻射得熱的峰值；在9:00以前和13:00以后百葉上傾30°時(shí)最多，且12:00和14:00左右是百葉上傾30°時(shí)外窗的太陽直射輻射得熱的兩個(gè)峰值點(diǎn)。

2）整個(gè)1月份的模擬結(jié)果顯示，模型B中百葉上傾60°時(shí)外窗接收到的太陽直射輻射得熱量最多。

3.3建筑結(jié)構(gòu)得熱與熱損失

在這4種遮陽形式下，1月4日和整個(gè)1月份建筑的太陽直射輻射得熱和結(jié)構(gòu)熱損失的模擬結(jié)果如圖7～9和表4所示。

1）從整個(gè)1月份建筑太陽直射輻射得熱的模擬結(jié)果看，百葉水平、上傾30°和60°時(shí)太陽直射輻射得熱幾乎都相同，優(yōu)于模型A水平格柵的情況。不管哪種遮陽形式，太陽直射輻射得熱總的大致變化趨勢(shì)都是先升高后降低，11:00～12:00之間達(dá)到峰值。

2）建筑結(jié)構(gòu)熱損失指由于內(nèi)外界溫差的存在，發(fā)生通過建筑結(jié)構(gòu)本身向外傳熱量，冬季傳熱方向由室內(nèi)向室外。變化趨勢(shì)是先減少后增大，在14:00～15:00時(shí)間段內(nèi)熱損失達(dá)到谷值，這比太陽輻射得熱滯后3h左右發(fā)生。模型A中水平格柵作外遮陽時(shí)，總體變化上熱損失大于模型B百葉的情況，相差最大時(shí)比模型B大9%左右，而百葉板位置不同時(shí)對(duì)熱損失影響不大。

圖7 1月份平均太陽能直射輻射得熱

圖8 1月4日建筑結(jié)構(gòu)熱損失

圖9 1月份平均建筑結(jié)構(gòu)熱損失

4結(jié)論

本文針對(duì)南向外窗，當(dāng)遮陽設(shè)施為固定水平百葉時(shí)，在冬季分別改變百葉向上傾斜的角度，并通過和Ecoteet軟件優(yōu)化產(chǎn)生的水平格柵遮陽進(jìn)行模擬結(jié)果對(duì)比，分析有利于南向外窗節(jié)能的百葉角度和遮陽方式有以下結(jié)論：

1）外窗太陽直射輻射：百葉上傾60°在9:00～13:00時(shí)間段內(nèi)，外窗的太陽直射輻射得熱最多，且在12:00左右達(dá)到一天當(dāng)中太陽直射輻射得熱的峰值；百葉上傾30°是在9:00以前和13:00以后最多，且12:00和14:00左右是百葉上傾30°時(shí)外窗的太陽直射輻射得熱的兩個(gè)峰值點(diǎn)[5]。

2）建筑結(jié)構(gòu)得熱和室溫：建筑熱損失是先降低后升高，太陽輻射得熱和室溫都是先升高后降低的變化趨勢(shì)，熱損失的谷值和室溫的峰值都是在14:00～15:00之間發(fā)生；模型A由于水平格柵較大的水平遮陽面積，使得建筑受太陽直射輻射的面積小于模型B百葉的情況，總的得熱小于模型B，熱損失又大于B，所以室溫也受影響，同樣也低于模型B百葉遮陽時(shí)；百葉的角度改變對(duì)冬季建筑熱特性影響很小，即使這樣，固定百葉的角度在冬季大多數(shù)時(shí)候仍要保持在上傾30°到60°間，能使外窗透過更多陽光，提高室內(nèi)舒適度。

[1]建筑門窗環(huán)境工學(xué)概論編寫組.建筑門窗環(huán)境工學(xué)概論試用本[Z].北京:中國建筑金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì),1986

[2]中國建筑協(xié)會(huì)建筑師分會(huì)建筑技術(shù)專業(yè)委員會(huì),東南大學(xué)建筑學(xué)院.綠色建筑與建筑技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2006

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

[4]張歡,楊斌.遮陽板在建筑節(jié)能中的應(yīng)用研究[J].太陽能學(xué)報(bào), 2005,(6):72-73

[5]崔新明,廖春波.外遮陽系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)住宅建筑中的應(yīng)用[J].住宅科技,2006,(4):85-87

Num e ric a l Sim ula tion of Southe rn Window-s ha de s’Influe nc e on Winte 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 window 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 analyze the horizontal fixed window-shades’angle influence on winter building energy consumption by ecological building great master software named Ecotect.

building energy consumption,numerical simulation,window-shade

1003-0344（2014）05-027-4

2013-8-12

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