水平遮陽(yáng)板角度在建筑節(jié)能與采光分析中的綜合應(yīng)用

李杜，胡國(guó)文，陳永明

（鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城　224001）

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水平遮陽(yáng)板角度在建筑節(jié)能與采光分析中的綜合應(yīng)用

李杜，胡國(guó)文，陳永明

（鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城224001）

摘要：建筑物外水平遮陽(yáng)板的設(shè)置與建筑物外窗的朝向、不同時(shí)刻的太陽(yáng)高度角與太陽(yáng)方位角等因素相關(guān)。為了使水平遮陽(yáng)板在不同時(shí)刻、不同朝向能充分發(fā)揮遮陽(yáng)板的建筑節(jié)能效果，并能同時(shí)滿足建筑采光要求，水平外遮陽(yáng)應(yīng)采用可調(diào)方式，并且能夠根據(jù)時(shí)間與季節(jié)的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。理論分析了影響水平遮陽(yáng)效果的因素，并根據(jù)理論推理建立2個(gè)尺寸統(tǒng)一的水平外遮陽(yáng)數(shù)學(xué)模型，分析不同角度的水平遮陽(yáng)板在不同時(shí)間的遮陽(yáng)效果?；诜治鼋Y(jié)果，結(jié)合水平外遮陽(yáng)對(duì)建筑節(jié)能的影響，并綜合考慮建筑的采光要求，得出南京地區(qū)建筑正南面外窗的水平外遮陽(yáng)不同時(shí)刻的角度調(diào)控策略。

關(guān)鍵詞：水平外遮陽(yáng)；建筑節(jié)能；建筑采光；能耗計(jì)算

在提倡綠色建筑的今天，建筑遮陽(yáng)對(duì)于建筑節(jié)能有著重要的意義。遮陽(yáng)板作為建筑外遮陽(yáng)的一種，其主要作用是通過一定的技術(shù)手段和相應(yīng)的計(jì)算，設(shè)置合理的形式，在夏季可以遮擋強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射，同時(shí)又不影響冬季的供暖和日照的需求［1-2］。為了調(diào)節(jié)夏季與冬季對(duì)太陽(yáng)能輻射不同需求的矛盾，同時(shí)盡可能滿足建筑內(nèi)部的照度需求，比較有效方法就是使用可調(diào)式遮陽(yáng)［3］。

本文以南京地區(qū)民用建筑的南向外窗作為研究對(duì)象。南京屬于典型的夏熱冬冷地區(qū)，太陽(yáng)照射南墻面的時(shí)間較長(zhǎng)，而水平式遮陽(yáng)板能夠有效地遮擋高度較大的從窗口上方投射下來的陽(yáng)光，因此該地區(qū)建筑普遍采用水平式遮陽(yáng)［4］。

本研究試圖通過改變水平遮陽(yáng)板與窗戶形成角度的大小來調(diào)節(jié)遮陽(yáng)板的遮陽(yáng)效果，在定量分析水平遮陽(yáng)板角度對(duì)建筑物冬夏季遮陽(yáng)效果影響程度的基礎(chǔ)上，綜合考慮建筑能量消耗與日光需求，給出南京建筑南窗水平遮陽(yáng)板在各段時(shí)間的最佳角度，探索適應(yīng)南京地區(qū)建筑節(jié)能需要的活動(dòng)水平外遮陽(yáng)的調(diào)控策略。

作為本研究對(duì)象的南窗尺寸取長(zhǎng)1.5m、寬1.5m。根據(jù)相關(guān)研究，遮陽(yáng)板長(zhǎng)度宜取0.4m，遮陽(yáng)板距窗戶上沿的距離宜取0.4m［5］。

1　基于建筑節(jié)能因素的遮陽(yáng)分析

1.1數(shù)學(xué)模型

建筑遮陽(yáng)的節(jié)能分析主要采用能耗計(jì)算法，而基于能耗的外遮陽(yáng)系數(shù)是衡量遮陽(yáng)節(jié)能效果的關(guān)鍵。其定義是采用外遮陽(yáng)措施后建筑外窗太陽(yáng)輻射引起的全年建筑能耗與無(wú)遮陽(yáng)時(shí)建筑外窗太陽(yáng)輻射引起的全年建筑能耗的比值：

式中：SD——外遮陽(yáng)系數(shù)；

q1——建筑模型無(wú)遮陽(yáng)情況下，模擬得到的建筑能耗，kW·h/m2；

q2——對(duì)外窗設(shè)定遮陽(yáng)板后，模擬得到的建筑能耗，kW·h/m2；

q3——對(duì)外窗設(shè)定窗玻璃遮陽(yáng)系數(shù)為0，但外窗不設(shè)遮陽(yáng)措施，模擬得到的建筑能耗，kW·h/m2。

遮陽(yáng)板結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　遮陽(yáng)板結(jié)構(gòu)

根據(jù)JGJ134—2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中建筑遮陽(yáng)的計(jì)算公式：

式中：a、b——擬合系數(shù)，根據(jù)式（1）在能耗計(jì)算中按照二次回歸擬合得到，針對(duì)本次研究對(duì)象，夏季aC取0.35、bC取-0.65；冬季aH取0.10，bH取-0.45。

PF——挑出系數(shù)，由式（4）計(jì)算：

式中：W——遮陽(yáng)板長(zhǎng)度，m；

H——遮陽(yáng)板到窗戶下沿的距離，取1.9m；

θ——遮陽(yáng)板與墻壁外窗之間的角度，（°）。

1.2計(jì)算結(jié)果及分析

為了探討水平遮陽(yáng)板的遮陽(yáng)效果及遮陽(yáng)板的最佳角度，需要分析各角度段遮陽(yáng)系數(shù)在冬夏季的變化規(guī)律。南京地區(qū)南墻窗戶的水平遮陽(yáng)板各角度段在冬夏季的外遮陽(yáng)系數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2　遮陽(yáng)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

從圖2可以看出，夏季的遮陽(yáng)系數(shù)普遍低于冬季的遮陽(yáng)系數(shù)，夏季為0.97～0.88，冬季為0.98～0.90?？梢娬陉?yáng)板夏季的節(jié)能遮陽(yáng)效果要比冬季的遮陽(yáng)效果好。同時(shí)無(wú)論冬季還是夏季，當(dāng)遮陽(yáng)板遮陽(yáng)角度在10°～60°調(diào)節(jié)時(shí)，遮陽(yáng)系數(shù)是呈穩(wěn)步下降的趨勢(shì)，遮陽(yáng)角度越大，遮陽(yáng)系數(shù)越小，節(jié)能效果越好。

而當(dāng)遮陽(yáng)板的角度調(diào)節(jié)在60°～90°時(shí)，各角度段的遮陽(yáng)系數(shù)略有不同，比如在80°時(shí)，遮陽(yáng)系數(shù)的精確值同比90°時(shí)要低：80°時(shí)夏季為0.876，冬季為0.908；90°時(shí)夏季為0.878，冬季為0.910。而在各角度段的精確計(jì)算結(jié)果比較中，80°的遮陽(yáng)系數(shù)為最低。但是總體上在60°～90°遮陽(yáng)系數(shù)的計(jì)算值趨于穩(wěn)定，并且冬季遮陽(yáng)系數(shù)穩(wěn)定于0.88，夏季遮陽(yáng)系數(shù)穩(wěn)定于0.90。因此，從遮陽(yáng)系數(shù)可以看出，遮陽(yáng)板在60°～90°調(diào)節(jié)時(shí)，遮陽(yáng)系數(shù)處于穩(wěn)定狀態(tài)，節(jié)能效果基本相同。

2　基于建筑采光因素的遮陽(yáng)分析

2.1數(shù)學(xué)模型

采用遮陽(yáng)系數(shù)表示遮陽(yáng)板對(duì)外窗的遮陽(yáng)效果。遮陽(yáng)系數(shù)是指遮陽(yáng)板在太陽(yáng)光照射下形成的外窗日影區(qū)面積與外窗表面積的比值［6］，即：

式中：Wime——遮陽(yáng)板形成的陰影長(zhǎng)度，m。

當(dāng)K≥1時(shí)，說明遮陽(yáng)板形成的陰影長(zhǎng)度超過或等于窗戶底端距遮陽(yáng)板的距離，為滿窗遮陽(yáng)，K取1。

式中：As——太陽(yáng)方位角；Aw——墻面方位角；hs——太陽(yáng)高度角；Ф——地理緯度；δ——太陽(yáng)赤緯角；w——當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)時(shí)角，w=（t-12）×15°，時(shí)間在0～24h之間，每間隔1h相差15°［8］。

2.2計(jì)算結(jié)果及分析

為了探討水平遮陽(yáng)板的遮陽(yáng)效果及遮陽(yáng)板的最佳角度，需要計(jì)算各段角度遮陽(yáng)系數(shù)在各時(shí)間段隨月份變化的規(guī)律，以正午12：00點(diǎn)為例，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3　正午12：00時(shí)的遮陽(yáng)系數(shù)

從圖3可以看出，1、2月份，當(dāng)遮陽(yáng)板90°時(shí)遮陽(yáng)系數(shù)最小，40°時(shí)遮陽(yáng)系數(shù)最大；3月份，遮陽(yáng)板90°時(shí)遮陽(yáng)系數(shù)最小，50°時(shí)遮陽(yáng)系數(shù)最大；4月份，10°最小，60°最大；5月份，10°最小，70°最大；6月份，10度最小，60°以上角度段時(shí)為滿窗遮陽(yáng)；7月份，10°最小，50°以上角度段時(shí)為滿窗遮陽(yáng)；8、9月份，10°最小，70°最大；10月份，10°最小，50°最大；11、12月份，40°最小，90°最大。

根據(jù)圖3的計(jì)算結(jié)果，可以根據(jù)建筑對(duì)采光的需求，進(jìn)行遮陽(yáng)板角度的調(diào)節(jié)。比如春季3月份的中午12點(diǎn)，如果建筑需要盡可能大的采光，便將遮陽(yáng)板調(diào)節(jié)至90°；如果建筑需盡可能減少采光，便將遮陽(yáng)板調(diào)節(jié)至50°。其它時(shí)間段調(diào)節(jié)也是同樣原理：當(dāng)建筑需盡可能采光時(shí)就將遮陽(yáng)板調(diào)節(jié)至遮陽(yáng)系數(shù)最小的角度，而當(dāng)建筑需盡可能減少采光時(shí)，就將遮陽(yáng)板調(diào)節(jié)至遮陽(yáng)系數(shù)最大的角度。

3　計(jì)算結(jié)果綜合分析

建筑遮陽(yáng)板的設(shè)置需要同時(shí)考慮建筑節(jié)能因素與建筑采光因素，因此遮陽(yáng)板的角度調(diào)節(jié)設(shè)置需要同時(shí)參考基于建筑節(jié)能因素計(jì)算的遮陽(yáng)系數(shù)與基于建筑采光因素計(jì)算的遮陽(yáng)系數(shù)進(jìn)行綜合分析?，F(xiàn)以正午12：00為例進(jìn)行綜合分析。

根據(jù)建筑節(jié)能因素的分析可知遮陽(yáng)板的角度在60°～90°調(diào)節(jié)時(shí)，基于建筑節(jié)能因素的遮陽(yáng)系數(shù)達(dá)到穩(wěn)定的最低值，因此分析建筑采光因素時(shí)，遮陽(yáng)效果應(yīng)在60°～90°進(jìn)行遮陽(yáng)系數(shù)計(jì)算值的比較，結(jié)果如下：

1、2、3月份當(dāng)遮陽(yáng)板90°時(shí)遮陽(yáng)系數(shù)最小，60°時(shí)遮陽(yáng)系數(shù)最大；4月份，90°最小，60°最大；5月份，90°最小，70°最大；6、7月份，60°以上角度段時(shí)為滿窗遮陽(yáng)；8月份，60°最小，70°最大；9月份，90°最小，70°最大；10月份，90°最小，70°最大；11月份，90°最小，70°最大；12月份，90°最小，60°最大。根據(jù)比較結(jié)果便可以在正午12點(diǎn)時(shí)根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)恼陉?yáng)板角度。比如冬季1月，由于南京處于夏熱冬冷地區(qū)，建筑需要盡可能增大采光，因此遮陽(yáng)板采用遮陽(yáng)系數(shù)最小的角度，也就是90°；而夏季8月份由于陽(yáng)光照射強(qiáng)烈，當(dāng)需要盡可能減少采光時(shí)，遮陽(yáng)板便采用遮陽(yáng)系數(shù)最大的角度，即60°。

根據(jù)8：00、9：00、10：00、11：00、12：00、13：00、14：00、15：00、16：00的基于建筑采光因素的遮陽(yáng)系數(shù)計(jì)算結(jié)果比較和對(duì)于基于建筑節(jié)能因素的遮陽(yáng)系數(shù)的綜合分析，歸納出一年四季適宜的遮陽(yáng)板角度如表1～表8所示。

表1　春季最大采光角度

表2　春季最小采光角度

表3　夏季最大采光角度

表4　夏季最小采光角度

表5　秋季最大采光角度

表6　秋季最小采光角度

表7　冬季最大采光角度

表8　冬季最小采光角度

4　結(jié)語(yǔ)

遮陽(yáng)板作為外遮陽(yáng)形式的一種，直接影響著建筑物的能效管理與采光效應(yīng).而遮陽(yáng)板與墻壁外窗的角度調(diào)節(jié)可以在避免改變遮陽(yáng)板尺寸與材質(zhì)的條件下便利地改善遮陽(yáng)板的遮陽(yáng)效果，從而滿足人們不同時(shí)間對(duì)于建筑遮陽(yáng)的不同使用需求，通過本研究最終得出的結(jié)論如下：

（1）遮陽(yáng)板基于建筑節(jié)能的遮陽(yáng)系數(shù)總體上是隨著遮陽(yáng)板角度的增大而減小的，也就是說，遮陽(yáng)板的角度越大時(shí)建筑節(jié)能的效果越好.當(dāng)遮陽(yáng)板角度由0°～60°變化時(shí)，下降趨勢(shì)偏大；當(dāng)遮陽(yáng)板角度增大到60°及以上時(shí)，遮陽(yáng)系數(shù)趨于穩(wěn)定：冬季遮陽(yáng)系數(shù)穩(wěn)定于0.88，夏季遮陽(yáng)系數(shù)穩(wěn)定于0.90。

（2）遮陽(yáng)板基于建筑采光的遮陽(yáng)系數(shù)在同一時(shí)間也是隨著遮陽(yáng)板角度的變化而變化的。在綜合考慮建筑節(jié)能效果前提下，遮陽(yáng)板的角度應(yīng)在60°～90°進(jìn)行選擇。而選擇具體的角度時(shí)需要參考建筑采光遮陽(yáng)系數(shù)的計(jì)算值，當(dāng)需要采光時(shí)便采用采光遮陽(yáng)系數(shù)較小的角度；當(dāng)需避免采光時(shí)便采用采光遮陽(yáng)系數(shù)較大的角度。這樣根據(jù)遮陽(yáng)系數(shù)的計(jì)算值比較結(jié)果便可以進(jìn)行建筑采光的調(diào)整。

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江蘇省住建廳科技項(xiàng)目（2015ZD61）

中圖分類號(hào)：TU113

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-702X（2016）05-0107-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31501221）；

收稿日期：2015-12-31

作者簡(jiǎn)介：李杜，女，1983年生，江蘇鹽城人，碩士，講師，主要從事建筑節(jié)能研究。

The comprehensive application of horizontal external shading based on
building energy saving analysis and building lighting analysis

LI Du，HU Guowen，CHEN Yongm ing
（College of Electrical Engineering，Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224001，China）

Abstract：The building horizontal external shading setting associated with building windows orientations，solar altitude angles and solar azimuths in different times closely.In order to make sure the building energy saving effect can be optimized in different times for different window orientations and the building day lighting demands can be satisfied at the same time，the building horizontal external shading should be adjustable.The factors which influences the effect of horizontal external shading is being theoretical analyzed and two mathematical models with the uniform size is established based on theoretical reasoning.With the mathematical models，the effect of horizontal external shading with different angles in different time is analyzed.Based on these analysis results，the horizontal external shading angle control strategy is obtained for the south outer window in Nanjing city with comprehensive analysis on building energy saving and building lighting.

Keywords：horizontal external shading，building energy saving，building lighting，energy consumption calculation