哈爾濱居住建筑南向窗尺寸優(yōu)化遮陽效果分析

張一飛，趙天宇，李光皓

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，150001哈爾濱)

哈爾濱市位于北緯 44°04＇～ 46°40＇、東經(jīng)125°41＇～130°13＇之間，屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長寒冷，夏季短暫炎熱，春秋季氣溫升降快.通過分析 2012年哈爾濱全年溫度數(shù)據(jù)(http://www.tianqihoubao.com/lishi/haerbin.html)(圖1)可以看出18～25℃的舒適室溫所占時段較短，因此在10月15日至次年4月15日采暖期與6月20日至8月10日制冷期采取人為干預(yù)措施來提高室內(nèi)舒適度.在冬夏溫差極大的氣候條件下，對太陽輻射接受量最大的南向窗進(jìn)行研究是哈爾濱居住建筑節(jié)能設(shè)計的關(guān)鍵.以往節(jié)能研究中，采用百葉窗可以起到較理想的遮陽效果，不過卻犧牲了通風(fēng)、觀景功能.因此，在不影響通風(fēng)、觀景前提下通過對南向窗尺寸進(jìn)行優(yōu)化來實現(xiàn)遮陽效果為居住建筑節(jié)能設(shè)計提供了另一種研究思路.

圖1 哈爾濱2012年全年氣溫變化趨勢

1 南向窗形制優(yōu)化依據(jù)

依據(jù)上述溫度數(shù)據(jù)分析，可以確定寒地居住建筑南向窗的節(jié)能設(shè)計目標(biāo)是盡量滿足冬季保溫與夏季遮陽的使用要求.文獻(xiàn)［1-3］的研究數(shù)據(jù)表明隨南向開窗面積變大，建筑保溫性能呈線性下降趨勢，也就是說沒有窗戶的建筑保溫節(jié)能效果最好.但實際上居民有剛性室內(nèi)采光要求，所以權(quán)衡結(jié)果是在節(jié)能與采光的矛盾間尋找合適的窗地面積比.

《住宅建筑規(guī)范》7.2.2條規(guī)定臥室、起居室(廳)、廚房應(yīng)設(shè)置外窗，窗地面積比不應(yīng)小于1/7.為減少冬季室內(nèi)熱量散失，窗地比盡量接近1/7才能盡可能地達(dá)到保溫節(jié)能效果.

與遮陽效果關(guān)系最為密切的參數(shù)是太陽高度角.根據(jù)文獻(xiàn)［4］中夏半年(3月21日—9月23日)的太陽高度角計算公式

與冬半年(9月23日—12月22日)的太陽高度角計算公式

以及春季時段(12月22日—次年3月21日)的太陽高度角計算公式

式中n為天數(shù)，φ為地理緯度．可以計算得出哈爾濱全年正午太陽高度角變化趨勢(圖2).由圖2可知哈爾濱的正午太陽高度角在6月22日達(dá)到全年最大值68°04＇，12月22日達(dá)到全年最小值21°12＇.

圖1中需制冷時段為6月20日—8月10日，將此期間確定為需遮陽時段，因此與該時段對應(yīng)的太陽高度角范圍為 60°17＇～68°04＇.由于此時段并不相對于6月22日中軸對稱，因此60°17＇～68°04＇的實際涵蓋時段為5月4日—8月10日.根據(jù)哈爾濱歷年氣溫記錄顯示5月初是全年第一次高溫時段，而上述遮陽角度范圍能夠滿足避免全年高溫時段太陽直射的目的.

圖2 哈爾濱全年正午太陽高度角變化狀態(tài)

由以上論述可以得出哈爾濱居住建筑南向開窗方式應(yīng)當(dāng)遵循的原則:1)南向窗能夠?qū)μ柛叨冉菫?0°17＇以上的太陽光線進(jìn)行遮擋;2)南向窗設(shè)置的窗地面積比盡量接近1/7.在后續(xù)的優(yōu)化策略模擬分析中，將依據(jù)以上兩條原則對哈爾濱居住建筑南向窗進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化.

2 南向窗優(yōu)化模擬分析

2.1 南向窗節(jié)能形制原理

模擬分析方案是通過既定尺寸的房間面積來推算開窗尺寸，進(jìn)而推導(dǎo)出能應(yīng)用于任意面積的開窗尺寸公式.為便于計算，選擇進(jìn)深4.0 m、開間3.5 m的矩形房間為研究對象.根據(jù)上述窗地比標(biāo)準(zhǔn)1/7，確定南向開窗面積為(4.0×3.5)/7=2.0 m2.確定開窗面積后，南向窗的高度、寬度、位置就成為進(jìn)一步研究的對象.

在南向窗優(yōu)化模型中，采取外墻安置遮陽板、保證外墻厚度、控制窗體高度幾種手段來實現(xiàn)對太陽高度角大于60°17＇的太陽光線進(jìn)行遮擋的效果(圖3).

圖3 南向窗遮陽示意

圖3臨界太陽高度角為8月10日的60°17＇，通過厚度370 mm的外墻墻體與寬度200 mm的遮陽板來共同完成遮陽作用，此時窗體高度也有所限制，取為999 mm.

根據(jù)圖3的遮陽原理，可以得出南向窗開設(shè)高度H=cot 60°17'(T+S)，式中T為外墻厚度，S為遮陽板出挑寬度，兩者的總和決定了南向窗的高度.文獻(xiàn)［5-8］表明當(dāng)外墻厚度較小時，則遮陽板寬度較大;反之，遮陽板寬度較小.

確定南向窗自身高度后，還需確定南向窗窗臺高度.規(guī)范規(guī)定窗臺距地面高度在 900～1100 mm范圍內(nèi)較為適宜.如何在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)確定合理數(shù)值需要尋求合理依據(jù)，那么就歸結(jié)到南向窗的使用要求上.南向窗作用是采光、觀景，因此人眼高度是決定窗體高度的關(guān)鍵，文獻(xiàn)［9-11］中指出人眼高度有賴于居民平均身高來確定.

男性平均身高大于女性，根據(jù)木桶效應(yīng)，應(yīng)當(dāng)以女性平均身高(1 600 mm)作為窗體垂直高度中心計算依據(jù).女性平均人眼高度可依據(jù)平均身高減去100 mm進(jìn)行計算，因此可確定1 500 mm為南向窗中心高度.根據(jù)窗體中心高度C=1 500 mm可以計算出窗臺高度P=C-0.5H=1 500-0.5×999=1 000.5 mm.出于施工模數(shù)的考慮，采用最為接近的模數(shù)窗臺高度P=1 000 mm，在此基礎(chǔ)上反推出窗體中心高度C=P+0.5H=1 000+0.5×999=1 499 mm.在得到南向窗自身高度數(shù)值后，也可以相應(yīng)地計算出南向窗開設(shè)寬度W=A/7H=(4×3.5)/(7×999)=2 000 mm(A為房間面積).

根據(jù)以上節(jié)能原則計算得出的南向窗總開設(shè)面積相對于傳統(tǒng)窗體并沒有變化，但是其高度相對較低，寬度相對較寬.

上述系列公式中除了參數(shù)“7”是根據(jù)規(guī)范所規(guī)定的哈爾濱的窗地比確定以外，其他參數(shù)均具有不同地域適應(yīng)性，因此如果將參數(shù)“7”替換為其他地域?qū)?yīng)的窗地比數(shù)值，將可以使公式適應(yīng)各種地域氣候特點(diǎn)，成為各地通用的南向節(jié)能窗計算公式.

2.2 仿真模擬分析與節(jié)能效果計算

根據(jù)6月22日的白晝時長，運(yùn)用Tracepro軟件選取04:00—20:00的有效照射時段對南向窗投影進(jìn)行模擬分析(圖4).圖4分析結(jié)果顯示節(jié)能南向窗對夏季太陽直射光進(jìn)行了有效遮擋.

根據(jù)12月22日的白晝時長，運(yùn)用Tracepro軟件選取08:00—16:00的有效照射時段對南向窗投影進(jìn)行模擬分析(圖5).在圖5中，節(jié)能南向窗的太陽光投射區(qū)域形狀雖然與方形窗有所不同，但投射總面積相等，因此能夠在冬季與方形窗相同程度地吸納太陽光線，保證熱量輻射不受損失.

圖4 6月22日節(jié)能南向窗與方形窗投射陰影疊加分析(04:00—20:00)

圖5 12月22日節(jié)能南向窗與方形窗投射陰影疊加分析(08:00—16:00)

驗證節(jié)能南向窗效用后，仍需計算尺寸優(yōu)化所帶來的節(jié)能效果.節(jié)能效果數(shù)值需要不同時段下方形窗的地面投射面積與該時間的太陽輻射強(qiáng)度兩個參數(shù)來進(jìn)行計算.依據(jù)太陽幾何學(xué)，可推理得出方形窗的地面投射面積為Bcot δ(B為方形窗面積，δ為太陽高度角)，因此可依據(jù)此公式與公式(1)計算得出6月22日不同時段方形窗的地面投射面積(圖6).

圖6 6月22日不同時段方形窗的地面投射面積

為驗證理論分析與軟件模擬分析的準(zhǔn)確性，于7月14日在哈爾濱市居住區(qū)選取高1.42 m、寬1.42 m的南向窗與高1.0 m、寬1.4 m的南向窗作為對比實驗對象，對其地面投射面積進(jìn)行全天觀測.觀測結(jié)果表明高1.0 m的南向窗能夠避免夏季太陽光直射入室內(nèi)，將高1.42 m、寬1.42 m的南向窗地面投射面積觀測數(shù)據(jù)與模擬分析結(jié)果進(jìn)行對比(圖7)，誤差控制在較小范圍內(nèi)，可以驗證理論分析與模擬分析結(jié)果具有現(xiàn)實可行性.

圖7 7月14日南向窗投射面積觀測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比

太陽輻射強(qiáng)度由太陽入射角所決定，因此確定不同時段的太陽入射角成為計算太陽輻射強(qiáng)度的前置工作.依據(jù)太陽幾何學(xué)整理出南向窗太陽入射角計算公式為

式中:i為太陽入射角，φ為地理緯度，δ為太陽高度角，ω為太陽時角．

一天中太陽高度角與太陽時角處于變化過程中，為便于分析節(jié)能效果，以小時為單位選取整點(diǎn)時刻進(jìn)行計算，最終得出6月22日全天太陽輻射強(qiáng)度變化趨勢(圖8).

圖8 6月22日全天太陽輻射強(qiáng)度變化趨勢

依據(jù)圖6、7中的地面投射面積與太陽輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可以用文獻(xiàn)［12］的公式對透過玻璃的太陽輻射得熱量進(jìn)行計算.

其中

式中:SHGC(θ)為太陽直接輻射的玻璃太陽得熱系數(shù)，λ為波長，＜SHGC＞D為太陽散射輻射的玻璃太陽得熱系數(shù)，ⅠDV為垂直面接收的太陽直射輻射強(qiáng)度，ⅠdV為垂直面接收的太陽散射輻射強(qiáng)度，Ⅰo為太陽常數(shù)，pm為大氣透明度，δ為太陽高度角，ε為垂直面太陽方向角，ⅠdS為垂直面接受的天空散射輻射強(qiáng)度，ⅠRV為垂直面接受的地面散射輻射強(qiáng)度，ⅠB為垂直面接受的大氣長波散射輻射強(qiáng)度，τ為太陽直射輻射透過率，N為太陽直射輻射吸收的熱量向房間放熱的比例，α為太陽直射輻射吸收率．

通過上述公式的計算，可以得出透過窗體投射至地面的每小時累積得熱(表1).

表1 節(jié)能南向窗相對于方形窗所減少的室內(nèi)投射熱量kJ

表1數(shù)據(jù)表明通過尺寸優(yōu)化的節(jié)能南向窗相對于方形窗每天能夠減少投射進(jìn)室內(nèi)熱量7 789.6 kJ.由此可見，經(jīng)過節(jié)能公式計算得出的優(yōu)化尺寸的南向窗能夠相對于相同面積的南向方形窗產(chǎn)生較為明顯的節(jié)能效果，如果對比對象是面積更大的其他南向窗形式，那么這種節(jié)能效果將更加顯著.

3 結(jié)論

1)哈爾濱居住建筑南向窗是建筑保溫節(jié)能的重要構(gòu)件，為了使冬季保溫與夏季遮陽效果最優(yōu)化，需要對南向窗的面積、尺寸等要素進(jìn)行優(yōu)化研究.

2)隨著南向窗面積增大，建筑保溫性能呈線性下降趨勢，因此應(yīng)將《住宅建筑規(guī)范》的窗地比規(guī)定下限1/7作為哈爾濱居住建筑的窗地比，以達(dá)到在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)取得最好的建筑保溫效果的目的.

3)在1/7的窗地比前提下，優(yōu)化的節(jié)能南向窗開設(shè)高度為H=cot 60°17'(T+S)，南向窗窗臺高度P=1 000 mm，南向窗中心高度C=P+0.5H，南向窗開設(shè)寬度W=A/7H．

4)上述公式得出了一套依據(jù)房間面積等已知條件計算節(jié)能南向窗尺寸的方法，能夠精確指導(dǎo)實際建筑設(shè)計環(huán)節(jié).通過對透過方形窗的地面接收熱量的定量計算，驗證了節(jié)能南向窗能夠在維持原有冬季采光效果的前提下對夏季高溫時段的太陽直射光線進(jìn)行遮擋，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能效果.

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