雙層皮幕墻內(nèi)置遮陽(yáng)百葉傾角評(píng)價(jià)方法*

陳友明，王京南，王衍金

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082)

雙層皮幕墻內(nèi)置遮陽(yáng)百葉傾角評(píng)價(jià)方法*

陳友明?，王京南，王衍金

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082)

為了更加科學(xué)合理地動(dòng)態(tài)調(diào)整雙層皮幕墻(DSF)內(nèi)置遮陽(yáng)百葉的角度，滿足自然采光和節(jié)能的雙重需求，建立了受遮陽(yáng)百葉傾角影響的室內(nèi)綜合得熱量與平均采光系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)化處理和線性加權(quán)求和方法，建立了DSF內(nèi)置遮陽(yáng)百葉傾角評(píng)價(jià)模型.以長(zhǎng)沙地區(qū)某建筑南向DSF為例，詳細(xì)介紹了自然通風(fēng)工況下，8:00至18:00時(shí)間段內(nèi)，晴天及陰天典型日該雙層皮幕墻百葉傾角評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建過(guò)程.通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)沙夏季晴天DSF遮陽(yáng)百葉最佳傾角為82°，最佳傾角范圍為73°～90°；長(zhǎng)沙夏季陰天DSF系統(tǒng)遮陽(yáng)百葉最佳傾角為0°，最佳傾角范圍為0°～36°.

雙層皮幕墻；遮陽(yáng)百葉；評(píng)價(jià)方法；最佳傾角；動(dòng)態(tài)控制

Abstract：In order to make the adjustment of blinds angle in double skin facades (DSF) more scientific and reasonable，the models of indoor comprehensive heat and average daylight factor were established，respectively.Based on the standardized process of the above two models，the evaluation model of the blinds angle of DSF was established by using the linear weighted method.The construction process of the angle evaluation model in Changsha under the condition of natural ventilation from 8 to 18 was introduced in detail.Through the simulation analysis，it is found that in sunny summer of Changsha，the optimum angle is 82°，and the optimum angle range of blinds is 73° to 90°.In cloudy summer of Changsha，the optimum angle is 0°，and the optimum angle range of blinds is 0° to 36°.

Keywords：DSF; blinds; evaluation method; optimal fixed angle; dynamic control

遮陽(yáng)百葉作為雙層皮幕墻重要的遮陽(yáng)設(shè)施，主要應(yīng)用于夏季光照比較強(qiáng)烈的時(shí)間段.遮陽(yáng)百葉在有效阻止過(guò)多太陽(yáng)輻射進(jìn)入室內(nèi)、降低建筑能耗的同時(shí)，有效利用散射光進(jìn)行室內(nèi)采光，提高了室內(nèi)自然采光的均勻性[1].但是，不同的百葉傾角，會(huì)產(chǎn)生不同的建筑能耗和自然采光效果，這就需要合理調(diào)節(jié)百葉傾角，以達(dá)到節(jié)能性與光舒適性的合理統(tǒng)一.由于經(jīng)濟(jì)原因，手動(dòng)調(diào)節(jié)傾角的遮陽(yáng)百葉仍大量應(yīng)用在既有DSF遮陽(yáng)系統(tǒng)中.手動(dòng)調(diào)節(jié)百葉傾角，調(diào)整時(shí)間、角度受人的主觀因素影響很大，很難滿足自然采光和節(jié)能的雙重需求.因此，在手動(dòng)調(diào)節(jié)的前提下，通過(guò)確定最佳固定傾角的方式，盡量減少人為因素的影響是很有必要的.另外，雖然動(dòng)態(tài)調(diào)整傾角的電動(dòng)百葉逐漸應(yīng)用，但是針對(duì)DSF系統(tǒng)的遮陽(yáng)百葉傾角動(dòng)態(tài)控制理論仍不完善，因此研究DSF系統(tǒng)百葉傾角評(píng)價(jià)方法具有一定的實(shí)際價(jià)值.

許多學(xué)者就遮陽(yáng)百葉對(duì)室內(nèi)光、熱環(huán)境的影響進(jìn)行了研究.Bessoudo等[2]應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)帶遮陽(yáng)的雙層皮幕墻建筑室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行了分析研究；程義華等[3]應(yīng)用數(shù)值模擬的方法對(duì)帶遮陽(yáng)百葉的雙層皮幕墻的建筑能耗進(jìn)行了研究，得出了內(nèi)置遮陽(yáng)百葉能夠有效改善夏季室內(nèi)熱環(huán)境的結(jié)論；李崢嶸等[4]通過(guò)Energy-plus對(duì)帶外遮陽(yáng)的單層窗系統(tǒng)不同傾角下的建筑能耗進(jìn)行了模擬研究，得到了動(dòng)態(tài)百葉有一定節(jié)能潛力的結(jié)論；Athienitis等[5]對(duì)帶有外遮陽(yáng)房間的光環(huán)境進(jìn)行了模擬研究，提出了計(jì)算室內(nèi)照度的模型；余理論等[6]應(yīng)用光照模擬軟件研究了不同形式外遮陽(yáng)對(duì)建筑室內(nèi)光環(huán)境的影響；周穎等[7]采用實(shí)驗(yàn)和靜態(tài)光學(xué)軟件模擬的方法，研究了雙層皮幕墻不同參數(shù)對(duì)室內(nèi)光環(huán)境和照明能耗的影響.從國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究中可看出，研究遮陽(yáng)百葉對(duì)室內(nèi)光環(huán)境或熱環(huán)境單一方面影響的文獻(xiàn)較多，但對(duì)室內(nèi)光熱環(huán)境的綜合研究較少；研究方法大多是采用現(xiàn)有能耗、光照軟件模擬或?qū)嶒?yàn)的方法，應(yīng)用繁復(fù)，不適應(yīng)工程應(yīng)用需要.

本文在綜合考慮百葉傾角對(duì)室內(nèi)得熱和自然采光影響的基礎(chǔ)上，應(yīng)用線性加權(quán)求和方法建立DSF系統(tǒng)百葉傾角評(píng)價(jià)模型確定百葉最佳傾角，旨在更好地實(shí)現(xiàn)DSF系統(tǒng)遮陽(yáng)百葉傾角的動(dòng)態(tài)控制.

1 百葉傾角評(píng)價(jià)模型

百葉傾角對(duì)室內(nèi)得熱和自然采光的影響如圖1所示.不同的百葉傾角，會(huì)產(chǎn)生不同的室內(nèi)綜合得熱效果.這主要體現(xiàn)在,百葉傾角不同會(huì)造成透過(guò)DSF進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射熱的差異；同時(shí)會(huì)造成遮陽(yáng)百葉吸收太陽(yáng)輻射和長(zhǎng)波輻射的差異，進(jìn)而引起室內(nèi)得熱的差異.另外，不同的百葉傾角會(huì)產(chǎn)生不同的遮陽(yáng)效果而造成室內(nèi)自然采光效果的差異.

圖1 DSF系統(tǒng)熱量傳遞

鑒于DSF系統(tǒng)遮陽(yáng)百葉對(duì)室內(nèi)光熱環(huán)境的影響，百葉傾角評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)分為室內(nèi)綜合得熱指標(biāo)和自然采光指標(biāo).應(yīng)用線性加權(quán)求和方法[8]建立DSF系統(tǒng)遮陽(yáng)百葉傾角評(píng)價(jià)模型.

P=wzfz+wcfc

(1)

式中：P為百葉傾角評(píng)價(jià)函數(shù)；fz,fc分別表示室內(nèi)綜合得熱指標(biāo)和自然采光指標(biāo)；wz,wc分別表示室內(nèi)綜合得熱指標(biāo)和自然采光指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)系數(shù).

1.1 室內(nèi)綜合得熱量

由圖1可看出，DSF系統(tǒng)百葉傾角通過(guò)影響透過(guò)DSF的輻射熱量和百葉吸收輻射熱量，造成室內(nèi)綜合得熱量Qz(θ)的差異.Qz(θ)由式(2)計(jì)算.

Qz(θ)=Qt(θ)+Qx,d(θ)

(2)

式中：Qz(θ),Qt(θ),Qx,d(θ)分別為室內(nèi)綜合得熱、透過(guò)DSF輻射熱和百葉吸收輻射引起的室內(nèi)得熱，J.

1.1.1 透過(guò)DSF輻射熱量

透過(guò)DSF的太陽(yáng)輻射包括直射輻射和散射輻射.其中，直射輻射部分包括直射-直射輻射和直射-散射輻射[9-10]；散射輻射部分包括天空散射-散射輻射和地面反射散射-散射輻射[9-10].透過(guò)DSF的輻射熱量受到遮陽(yáng)百葉傾角的制約.

Ev,sky=γEh,d

(3)

Ev,gro=0.5ρg(Eh,d+Eh,D)

(4)

Ev,d=Ev,sky+Ev,gro

(5)

(6)

(7)

式中：Ev,sky,Ev,gro分別為垂直面天空輻射和地面反射散射輻射，W/m2；Ev,d,Ev,D分別為室外垂直面散射輻射和直射輻射，其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，W/m2；Eh,d,Eh,D分別為室外水平面散射和直射輻射，W/m2；γ為天空散射方位角修正系數(shù)；ρg為地面反射率，一般取0.2；i為壁面太陽(yáng)方位角；δ為太陽(yáng)高度角；ε為中間系數(shù)，表示室外水平方向散射占總輻射的比率.

根據(jù)式(3)至式(7)可得：

(8)

(9)

(10)

根據(jù)能量守恒及式(9),(10)，可得透過(guò)DSF的輻射熱量：

(11)

式中：θ為百葉傾角；Qt(θ)為透過(guò)DSF的太陽(yáng)輻射熱，J；τsky(θ),τgro(θ),τz(θ)分別為DSF系統(tǒng)天空散射-散射輻射透過(guò)率，地面反射散射-散射輻射透過(guò)率，DSF直射-直射和直射-散射綜合透過(guò)率，透過(guò)率計(jì)算詳見(jiàn)文獻(xiàn)[8-9]；A為DSF面積，m2.

根據(jù)能量守恒原理，可得DSF系統(tǒng)綜合透過(guò)率：

Qt(θ)=Aτin(θ)(Ev,d+Ev,D)

(12)

(13)

式中：τin(θ)為DSF系統(tǒng)綜合透過(guò)率.

1.1.2 百葉吸收輻射引起的室內(nèi)得熱

DSF百葉吸收輻射引起的室內(nèi)得熱Qx,d(θ)由DSF熱平衡確定.在進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)算時(shí)，為減少運(yùn)算量、縮短運(yùn)算時(shí)間，通常假設(shè)在一定的計(jì)算時(shí)間內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)處于熱平衡狀態(tài).在這一假設(shè)下，計(jì)算時(shí)間內(nèi)DSF遮陽(yáng)百葉、內(nèi)空腔及內(nèi)側(cè)玻璃的溫度保持不變，得熱量等于失熱量.

如圖1所示，在不考慮內(nèi)外空腔氣流橫向流動(dòng)時(shí)，百葉吸收太陽(yáng)輻射和外側(cè)玻璃的長(zhǎng)波輻射，一部分熱量通過(guò)對(duì)流換熱傳遞給DSF熱通道內(nèi)外空腔，另一部分熱量以長(zhǎng)波輻射形式傳遞給內(nèi)側(cè)玻璃；內(nèi)空腔從百葉吸熱，得到的熱量一部分以對(duì)流換熱的形式傳給內(nèi)側(cè)玻璃，另一部分通過(guò)內(nèi)空腔氣流運(yùn)動(dòng)排到室外或外空腔；內(nèi)側(cè)玻璃吸收內(nèi)空腔的對(duì)流熱、外側(cè)玻璃和遮陽(yáng)百葉的長(zhǎng)波輻射熱、太陽(yáng)輻射熱，再通過(guò)對(duì)流換熱和長(zhǎng)波輻射的方式將熱量傳入室內(nèi).

外側(cè)玻璃與遮陽(yáng)百葉，外側(cè)玻璃與內(nèi)側(cè)玻璃，遮陽(yáng)百葉與內(nèi)側(cè)玻璃的長(zhǎng)波輻射換熱量由下式計(jì)算：

(14)

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

式中：Qc,wb，Qc,wn，Qc,bn分別為外側(cè)玻璃與百葉，外側(cè)與內(nèi)側(cè)玻璃，百葉與內(nèi)側(cè)玻璃的長(zhǎng)波輻射換熱，J；σ為玻爾茲曼常數(shù)；Tb，Tbn，Tbw分別為百葉、內(nèi)側(cè)玻璃、外側(cè)玻璃的溫度，K；εa,b為a與b界面間的長(zhǎng)波輻射換熱系數(shù)；εa，εb分別為a,b界面的發(fā)射率；Fbw,bn，F(xiàn)b,bn，F(xiàn)b,bw分別為外側(cè)與內(nèi)側(cè)玻璃，百葉與內(nèi)側(cè)玻璃，百葉與外側(cè)玻璃可視系數(shù)[11].

遮陽(yáng)百葉熱平衡方程為：

Qb,x(θ)=αb(θ)Qb,b+Qc,wb(θ)

(20)

Qb,x(θ)=Qb,w+Qb,n+Qc,bn(θ)

(21)

式中：Qb,x(θ)，Qb,w，Qb,n，Qb,b分別為百葉吸收輻射熱，百葉與外空腔對(duì)流換熱量，百葉與內(nèi)空腔對(duì)流換熱量和透過(guò)DSF外側(cè)玻璃的太陽(yáng)輻射量，J；αb(θ)為遮陽(yáng)百葉太陽(yáng)輻射吸收率.

百葉與內(nèi)外空腔的對(duì)流換熱系數(shù)近似相等[9],百葉與內(nèi)外空腔的對(duì)流換熱量之比近似等于溫差之比.

(22)

式中：Tb,Tw,Tn分別為遮陽(yáng)百葉、外空腔及內(nèi)空腔的溫度，K.

由式(21)(22)得，百葉與內(nèi)空腔的對(duì)流換熱量為：

Qb,n=(Qb,x(θ)-Qc,bn(θ))×

(23)

內(nèi)空腔熱平衡方程為：

Qb,n(θ)+xmTi-cmTc-Qn,bl(θ)=0

(24)

內(nèi)側(cè)玻璃熱平衡方程為：

Qn,n(θ)=Qn,bl(θ)+Qc,bn(θ)+Qc,wn(θ)+Qx(θ).

(25)

式中：m為進(jìn)出內(nèi)空腔的空氣流量，kg/s；Qn,bl(θ)，Qn,n(θ)，Qx(θ)分別為內(nèi)空腔與內(nèi)側(cè)玻璃對(duì)流換熱量,內(nèi)側(cè)玻璃與室內(nèi)換熱量和內(nèi)側(cè)玻璃吸收的太陽(yáng)輻射熱，J；Ti，Tc分別為內(nèi)空腔進(jìn)出口空氣溫度，K.

由式(14)～(25)可得百葉吸收輻射引起室內(nèi)得熱：

Qx,d(θ)=Qn,n(θ)=(αb(θ)Qb,b+Qc,wb(θ)-

Qc,bn(θ))β-cmΔT+Qc,bn(θ)+

Qc,wn(θ)+Qx(θ)

(26)

1.2 平均采光系數(shù)

平均采光系數(shù)[12]是在自然采光系數(shù)基礎(chǔ)上建立的一種新型室內(nèi)自然采光評(píng)價(jià)方式.近年來(lái)，廣泛應(yīng)用于歐洲、北美等室內(nèi)自然采光評(píng)價(jià)及照明設(shè)計(jì)中，它能夠表征室內(nèi)自然采光均勻性和整體采光效果.平均采光系數(shù)ADF[12]的確定方法如下：

(27)

式中：A，A1分別為DSF面積，室內(nèi)表面總面積，m2；γ為天空遮擋角，在室外無(wú)遮擋物時(shí)，為90°；ρ為室內(nèi)表面平均反射率.

由式(27)可看出，確定室內(nèi)平均采光系數(shù)、DSF系統(tǒng)綜合透過(guò)率τin(θ)是關(guān)鍵.

1.3 模擬結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化

若將室內(nèi)綜合得熱和平均采光系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，存在兩點(diǎn)不合理因素.其一，2個(gè)函數(shù)量綱不同，直接相加沒(méi)有評(píng)價(jià)意義.其二，需求趨勢(shì)不同，從節(jié)能角度，綜合室內(nèi)得熱越少越好；而從自然采光角度，平均采光系數(shù)ADF越大越好.這種雙重需求趨勢(shì)導(dǎo)致百葉傾角評(píng)價(jià)模型無(wú)法尋優(yōu).

因此，將模擬獲得的不同傾角下的Qz(θ)和AFD(θ)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后再加權(quán)累加，從而得到隨百葉傾角θ變化的評(píng)價(jià)函數(shù)P的數(shù)據(jù).評(píng)價(jià)函數(shù)P在傾角變化范圍內(nèi)的最大值，即為最優(yōu)值.

模擬計(jì)算結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)化的目的在于將數(shù)據(jù)進(jìn)行同趨勢(shì)化和無(wú)量綱化處理.標(biāo)準(zhǔn)化方法[13]如下：

(28)

(29)

式(28)適用于ADF(θ)標(biāo)準(zhǔn)化，式(29)適用于Qz(θ)標(biāo)準(zhǔn)化.經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，室內(nèi)綜合得熱指標(biāo)fz，自然采光指標(biāo)fc和評(píng)價(jià)函數(shù)P均處于0～1之間，且P的數(shù)值越大，DSF的隔熱和自然采光效果越好.

1.4 權(quán)系數(shù)確定

權(quán)系數(shù)是影響評(píng)價(jià)結(jié)果的重要因素之一，權(quán)系數(shù)取值不合理會(huì)使評(píng)價(jià)結(jié)果可信度降低.為增加權(quán)系數(shù)取值的可信性，避免主觀賦權(quán)法中決策者主觀性過(guò)強(qiáng)、客觀賦權(quán)法中過(guò)多地依賴實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的局限，采用一種新的主客觀賦權(quán)法[13]進(jìn)行權(quán)系數(shù)的確定.

主客觀賦權(quán)法分為2部分：主觀賦權(quán)部分，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)原理，采用非結(jié)構(gòu)三角模糊數(shù)主觀賦權(quán)法[13]來(lái)實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)重要性的排序；客觀賦權(quán)部分，充分考慮數(shù)據(jù)的離散性、相關(guān)性和對(duì)比強(qiáng)度，分別應(yīng)用CRITIC法[13]和熵值法[13]進(jìn)行權(quán)重的確定，并加以融合.將主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法確定的權(quán)重應(yīng)用最小二乘線性組合法[13]進(jìn)行融合，以得到最終的權(quán)重.

2 算例與分析

當(dāng)模型的輸入值為逐時(shí)參數(shù)時(shí)，模型輸出為逐時(shí)最優(yōu)傾角，可以指導(dǎo)百葉傾角自動(dòng)控制；當(dāng)輸入為綜合值時(shí)，輸出為綜合最優(yōu)值，可以確定最優(yōu)固定傾角.在該算例中，為增加計(jì)算結(jié)果可應(yīng)用性，輸入?yún)?shù)為長(zhǎng)沙夏季晴天、陰天綜合參數(shù)，得到長(zhǎng)沙夏季晴天及陰天DSF百葉最優(yōu)固定傾角及范圍.

因?yàn)殡p層皮幕墻多用于辦公及商業(yè)建筑中，在工作時(shí)間內(nèi)，考慮DSF的節(jié)能、采光特性才有意義.因此，算例模型建立在8:00—18:00這一時(shí)間段內(nèi).自然通風(fēng)是DSF的主要運(yùn)行方式，因此實(shí)例是應(yīng)用自然通風(fēng)工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的.

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本課題組于2014年7月至9月應(yīng)用圖2所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：房間尺寸為2.00 m×2.00 m×2.50 m，雙層皮幕墻朝向?yàn)槟舷?，幕墻結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)分別為：雙層中空鋼化玻璃5 mm+9 mm+5 mm、遮陽(yáng)百葉、鋼化玻璃8 mm.熱通道寬度40 cm.百葉葉片與水平方向的夾角為百葉傾角，其調(diào)節(jié)范圍為0°～90°.

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)器材

傾角評(píng)價(jià)模型主要輸入?yún)?shù)包括：氣象數(shù)據(jù)(如：太陽(yáng)輻射、室外空氣溫度等)和熱工參數(shù)等.故實(shí)驗(yàn)儀器主要包括：太陽(yáng)輻射總表、太陽(yáng)散射輻射表和鉑電阻溫度傳感器.數(shù)據(jù)采集由Agilent34980全自動(dòng)記錄儀完成，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為10 min.

2.2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

圖3所示為鉑電阻溫度傳感器布置位置.在雙層皮幕墻各層玻璃、遮陽(yáng)百葉和內(nèi)外熱通道均如圖布置5個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，以獲得雙層皮幕墻的熱工參數(shù).

圖3 溫度測(cè)點(diǎn)分布

2.3 長(zhǎng)沙夏季典型日參數(shù)的確定

2.3.1 典型日氣象參數(shù)

Qz(θ)和ADF(θ)的確定均需要?dú)庀髷?shù)據(jù)(如：太陽(yáng)輻射、室外空氣溫度等)作為支撐.應(yīng)用平均化處理方法，將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的以10 min為時(shí)間間隔的長(zhǎng)沙夏季17 d晴天和15 d陰天氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到長(zhǎng)沙夏季晴天、陰天實(shí)時(shí)太陽(yáng)輻射和室外溫度數(shù)據(jù).

2.3.2 典型日DSF熱工性能參數(shù)

在進(jìn)行長(zhǎng)波輻射計(jì)算時(shí)，需要DSF外側(cè)玻璃、百葉和內(nèi)側(cè)玻璃溫度等熱工參數(shù)作為輸入數(shù)據(jù).由于受到實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)時(shí)間限制，無(wú)法詳細(xì)測(cè)得典型日不同傾角下DSF熱工參數(shù).為保證熱工數(shù)據(jù)具有代表性，將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的不同百葉傾角對(duì)應(yīng)的DSF熱工性能數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，得到典型日8:00—18:00時(shí)間段內(nèi)以10 min為時(shí)間間隔的DSF熱工數(shù)據(jù).

2.4 典型日透過(guò)DSF輻射熱量

根據(jù)1.1.1方法，計(jì)算得到長(zhǎng)沙夏季晴天、陰天典型日不同百葉傾角對(duì)應(yīng)的透過(guò)DSF輻射熱量，如圖4所示.

圖4 晴天及陰天典型日透過(guò)DSF的輻射熱量

2.5 典型日百葉吸收輻射引起的室內(nèi)得熱

2.5.1 典型日百葉吸收輻射熱量

百葉吸收輻射熱量中太陽(yáng)輻射吸收部分是根據(jù)射線追蹤法，在綜合分析百葉輻射吸收率與百葉傾角關(guān)系的基礎(chǔ)上確定；長(zhǎng)波輻射吸收部分應(yīng)用1.1.2介紹方法確定.圖5所示為長(zhǎng)沙夏季晴天及陰天典型日不同百葉傾角對(duì)應(yīng)的DSF遮陽(yáng)百葉吸收輻射熱量.

圖5 晴天及陰天百葉吸收太陽(yáng)輻射熱量

2.5.2 傳熱比例系數(shù)

由1.1.2可知，傳熱比例系數(shù)β表示百葉與內(nèi)空腔溫差和百葉與內(nèi)外空腔溫差之和的比，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析確定.對(duì)同一百葉傾角，不同時(shí)間有不同的傳熱比例系數(shù)βi；即使βi相同，在不同時(shí)間因百葉吸收輻射差異，也會(huì)導(dǎo)致不同換熱效果.因此，同一百葉傾角8:00—18:00的綜合傳熱比例系數(shù)β(θ),按式(30)確定.

β(θ)=∑βipi

(30)

式中：pi表示同一百葉傾角不同時(shí)間的權(quán)系數(shù)，根據(jù)不同時(shí)刻百葉吸收輻射熱量的比例來(lái)確定.

晴天和陰天典型日傳熱比例系數(shù)見(jiàn)表1和表2.表3表示晴天及陰天不同百葉傾角下的綜合傳熱比例系數(shù)β(θ).由于實(shí)驗(yàn)條件限制，僅給出百葉傾角為30°，45°和60°所對(duì)應(yīng)的β(θ).觀察綜合傳熱比例系數(shù)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)隨百葉傾角變化其值無(wú)明顯變化規(guī)律.因此將晴天及陰天綜合傳熱比例系數(shù)視為定值.采用算術(shù)平均算法得到晴天典型日綜合傳熱比例系數(shù)β=0.838，陰天典型日β=0.790.

表1 晴天典型日傳熱比例系數(shù)

表2 陰天典型日傳熱比例系數(shù)

表3 晴天及陰天典型日綜合傳熱比例系數(shù)

2.5.3 內(nèi)空腔進(jìn)出流量

在不考慮百葉傾角對(duì)自然通風(fēng)影響及內(nèi)外空腔空氣橫向流動(dòng)的前提下，假設(shè)內(nèi)空腔同一計(jì)算時(shí)刻溫度(取平均溫度)相同，此時(shí)中和面位于熱通道中央.內(nèi)空腔自然通風(fēng)量[14]由下式確定：

(31)

(32)

式中：P1為內(nèi)空腔進(jìn)口處相對(duì)壓強(qiáng)，Pa；ρw，ρi分別為室外空氣密度和內(nèi)空腔空氣逐時(shí)密度，kg/m3；h為幕墻高度，m；L為幕墻進(jìn)出口高度，m；A1為內(nèi)空腔橫向面積，m2；mi為各計(jì)算時(shí)刻內(nèi)空腔流量，kg/s.

典型日內(nèi)空腔流量見(jiàn)表4.

表4 晴天及陰天典型日內(nèi)空腔流量表

2.5.4 內(nèi)空腔進(jìn)出口溫差

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到內(nèi)空腔進(jìn)出口溫差見(jiàn)表5.

表5 晴天及陰天典型日內(nèi)空腔進(jìn)出口溫差

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，自然通風(fēng)工況下，典型日該DSF內(nèi)空腔空氣溫度均小于室外空氣溫度，內(nèi)空腔空氣向下流動(dòng).由表4可得，無(wú)論是晴天還是陰天，進(jìn)出口溫差ΔT=Tc-Tj均小于0，導(dǎo)致通過(guò)內(nèi)空腔空氣流動(dòng)帶走的熱量cmΔT小于0，即：內(nèi)空腔空氣流動(dòng)不僅不會(huì)帶走熱量，反而帶入熱量增加室內(nèi)得熱.因此，自然通風(fēng)工況下，該DSF內(nèi)空腔從遮陽(yáng)百葉吸收的熱量全部被內(nèi)層玻璃吸收.

2.5.5 百葉吸收輻射引起的室內(nèi)得熱量

由以上分析可知，在計(jì)算百葉吸收輻射引起室內(nèi)得熱時(shí)，內(nèi)空腔空氣流動(dòng)不能帶走百葉吸收的熱量.此時(shí)，Qx,d(θ)=βQb,x(θ)+Qc,bn(θ)+Qc,wn(θ)+Qx(θ).典型日不同百葉傾角對(duì)應(yīng)Qx,d(θ)如圖6所示.

圖6 晴天及陰天典型日Qx,d(θ)

2.6 室內(nèi)綜合得熱量

將Qx,d(θ)與Qt(θ)相加得到受百葉傾角影響的室內(nèi)綜合得熱量Qz(θ).

如圖7所示，受遮陽(yáng)百葉傾角影響的室內(nèi)綜合得熱量隨百葉傾角增大而減小.晴天Qz(θ)減小幅度隨百葉傾角增大而增大，65°～85°減小幅度最大；陰天Qz(θ)減小的幅度較小.

圖7 綜合得熱量

2.7 典型日平均采光系數(shù)

英國(guó)照明標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：自然采光條件下，室內(nèi)平均采光系數(shù)不應(yīng)低于5%.如圖8所示，在0°～90°，晴天和陰天平均采光系數(shù)ADF均小于5%，這說(shuō)明百葉傾角處于0°～90°時(shí)，該DSF均無(wú)法達(dá)到自然采光要求.因此，ADF取值越大，自然采光效果越好.

圖8 晴天及陰天典型日平均采光系數(shù)

2.8 權(quán)系數(shù)確定

應(yīng)用1.3介紹的主客觀賦權(quán)法進(jìn)行權(quán)系數(shù)確定.為增加權(quán)重可信性，取主觀賦權(quán)法確定的中立權(quán)重與客觀賦權(quán)法權(quán)重，應(yīng)用最小二乘法線性組合法[11]進(jìn)行權(quán)重確定.晴天及陰天評(píng)價(jià)權(quán)系數(shù)見(jiàn)表6和表7.

表6 晴天評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重表

表7 陰天評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重表

2.9 長(zhǎng)沙DSF百葉傾角評(píng)價(jià)模型

根據(jù)式(1)得到長(zhǎng)沙夏季晴天、陰天不同百葉傾角下的P值數(shù)據(jù).如圖9所示.

如圖9所示，長(zhǎng)沙夏季晴天該DSF遮陽(yáng)百葉最佳固定傾角為82°，在73°～90°時(shí)，評(píng)價(jià)函數(shù)P值較大，所以，推薦73°～90°為晴天的最佳傾角范圍；陰天最佳固定傾角為0°，在0°～36°時(shí)P值較大，因此，推薦0°～36°為陰天最佳傾角范圍.

晴天該南向DSF百葉最佳固定傾角較大，是因?yàn)榍缣炀C合得熱指標(biāo)所占權(quán)重較大，評(píng)價(jià)模型變化趨勢(shì)與經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理后室內(nèi)綜合得熱指標(biāo)變化趨勢(shì)近似相同.且該DSF內(nèi)側(cè)為單層玻璃，對(duì)流換熱系數(shù)較大，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)玻璃溫度較低，百葉不僅需要阻擋太陽(yáng)直射輻射，還要阻擋外側(cè)與內(nèi)側(cè)玻璃之間的長(zhǎng)波輻射，因此，最佳固定傾角要大一些.

陰天最佳固定傾角較小，為0°.這主要是因?yàn)殛幪焓覂?nèi)綜合得熱指標(biāo)隨百葉傾角的變化波動(dòng)較小，且陰天自然采光指標(biāo)和室內(nèi)得熱指標(biāo)權(quán)重接近，使評(píng)價(jià)模型變化趨勢(shì)受自然采光指標(biāo)影響較大.在陰天，直射輻射很少而散射輻射透入有利于改善室內(nèi)自然采光效果，因此，陰天百葉傾角應(yīng)小一些.

3 結(jié) 論

本文在綜合考慮百葉傾角對(duì)透過(guò)輻射、長(zhǎng)波輻射及對(duì)流換熱影響基礎(chǔ)上，建立了室內(nèi)綜合得熱模型；在考慮百葉傾角對(duì)室內(nèi)自然采光均勻性影響的基礎(chǔ)上，建立了平均采光系數(shù)模型；應(yīng)用主客觀綜合賦權(quán)方法確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；應(yīng)用線性加權(quán)求和方法，建立了DSF百葉傾角評(píng)價(jià)模型.

以長(zhǎng)沙某南向DSF為例，介紹了DSF百葉傾角評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建過(guò)程.得到了晴天DSF遮陽(yáng)百葉最佳固定傾角為82°，最佳傾角范圍為73°～90°；陰天最佳固定傾角為0°，最佳傾角范圍為0°～36°.

本文在綜合考慮DSF遮陽(yáng)百葉對(duì)室內(nèi)光熱環(huán)境影響的基礎(chǔ)上，建立了DSF系統(tǒng)遮陽(yáng)百葉傾角評(píng)價(jià)模型，旨在更好地實(shí)現(xiàn)DSF系統(tǒng)遮陽(yáng)百葉的動(dòng)態(tài)控制，以達(dá)到光舒適性和節(jié)能性的合理統(tǒng)一.

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(College of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China )

1674-2974(2017)09-0174-08

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.09.022

2016-09-11

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378185),National Natural Science Foundation of China(51378185)

陳友明(1966—)，男，湖南祁東人，湖南大學(xué)教授，博士

?通訊聯(lián)系人，E-mail:ymchen@hnu.edu.cn

TU111.2

A