基于太陽光的可調(diào)節(jié)綜合方向的遮陽裝置研究

韋曉婷，格日勒

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司,北京 100176)

0 引言

建筑節(jié)能是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵問題。在降低建筑能耗問題上,充分利用并改善現(xiàn)有遮陽產(chǎn)品,可以有效降低建筑冷熱負(fù)荷與室內(nèi)照明負(fù)荷,進(jìn)而達(dá)到降低建筑總能耗的目的。目前,我國各地的建筑物一般僅在新建建筑設(shè)計(jì)階段,結(jié)合建筑外立面造型進(jìn)行簡單設(shè)置,且多為單一方向不可調(diào)節(jié)的固定外遮陽設(shè)施?，F(xiàn)有常用的外遮陽產(chǎn)品存在以下問題:1)缺乏綜合方向的靈活調(diào)節(jié);2)缺乏結(jié)合室內(nèi)冷熱負(fù)荷與室內(nèi)光環(huán)境因素控制的智能調(diào)節(jié);3)缺乏適用于改造建筑的活動(dòng)外遮陽產(chǎn)品。

近年來,已有諸多學(xué)者對(duì)外遮陽百葉進(jìn)行了不同程度的研究[1-4]。隨著對(duì)被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)的深入研究,動(dòng)態(tài)化、智能化的遮陽形式已成為了遮陽技術(shù)未來研究的重點(diǎn)。熊偉通過對(duì)水平和垂直遮陽板翻轉(zhuǎn)角度影響因素的研究,提出動(dòng)態(tài)百葉遮陽板的算法設(shè)計(jì)思路[5]。姜俞龍等通過模擬建筑在各時(shí)刻下11種百葉傾角對(duì)應(yīng)的綜合能耗,取各時(shí)刻綜合能耗最小值對(duì)應(yīng)的百葉傾角作為動(dòng)態(tài)百葉開啟角度,提出了基于綜合能耗下的外遮陽百葉控制策略[6]。對(duì)于廣州市的東南向或西南向房間的遮陽問題,張墅陽等通過Ecotect軟件模擬和與普通遮陽板比較,提出一種基于太陽高度角變化的動(dòng)態(tài)外遮陽構(gòu)件[7]。劉國丹等以青島某辦公建筑為例,利用EnergyPlus軟件模擬和光熱耦合綜合能耗的評(píng)價(jià)模型來確定最合適的百葉外遮陽角度[8]。

本文首先以北京地區(qū)辦公建筑為研究案例,對(duì)13種水平百葉傾角下的全年建筑能耗進(jìn)行模擬計(jì)算,獲得最佳百葉傾角后,分析最佳百葉傾角下固定遮陽和動(dòng)態(tài)遮陽對(duì)建筑能耗的影響。其次,通過分析夏季和冬季時(shí)水平百葉和垂直百葉的翻轉(zhuǎn)角度計(jì)算原理,得出影響百葉翻轉(zhuǎn)角度的關(guān)鍵因素,最終提出一種綜合方向可調(diào)節(jié)的遮陽裝置。

1 固定外遮陽百葉熱模擬

1.1 工程概況

為了探討固定外遮陽對(duì)于公共建筑能耗的影響,本文建立一個(gè)虛擬辦公建筑模型,對(duì)13種百葉傾角(30°～90°)下的全年建筑能耗進(jìn)行模擬計(jì)算。建筑模型是一個(gè)簡易的單層辦公房間,如圖1所示。房間尺寸為6 m×4 m×3.5 m,南北向窗戶尺寸為4 m×2 m,東西向窗戶尺寸為2.4 m×2 m;窗臺(tái)高0.8 m,窗墻比為0.37。主要外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)如表1所示。主要內(nèi)擾負(fù)荷功率密度如表2所示。

表1 主要外圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)

表2 主要內(nèi)擾負(fù)荷功率密度

根據(jù)GB 50189—2015公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及GB 50033—2013建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求設(shè)置該房間各參數(shù)及時(shí)刻表。該建筑模型采用理想空調(diào)系統(tǒng),空調(diào)、照明與室內(nèi)設(shè)備開啟時(shí)間為工作日的8:00—19:00。夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為24 ℃,冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為22 ℃,氣象數(shù)據(jù)選擇北京典型氣象年(CSWD)的氣象參數(shù)。以水平百葉傾角為變量,5°為步長,其他參數(shù)作為常量考慮。其中,水平百葉傾角是指百葉與水平面的夾角。

1.2 固定遮陽百葉全年綜合能耗分析

圖2為房間在13種百葉傾角(0°～60°)下全年綜合能耗分布規(guī)律示意圖。

由圖2可知,水平固定遮陽百葉在不同傾角下會(huì)極大地影響房間的全年綜合能耗。35°為該模型的最佳水平固定遮陽百葉傾角。基于最佳傾角,將遮陽控制方式改為基于太陽光的動(dòng)態(tài)控制后,全年綜合能耗由原來的3 651.54 kWh下降至3 054 kWh,節(jié)能率為16.36%。由此可見,可根據(jù)室外光環(huán)境實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的外遮陽能有效降低建筑能耗,實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能。

2 動(dòng)態(tài)葉片翻轉(zhuǎn)角度計(jì)算

2.1 水平百葉葉片翻轉(zhuǎn)角度計(jì)算公式

2.1.1 夏季水平百葉葉片模型及計(jì)算公式

夏季水平百葉葉片模型如圖3所示[5],圖3中B為葉片寬度;H為葉片間距;β為葉片翻轉(zhuǎn)角度(0°～90°);b和h分別為葉片翻轉(zhuǎn)后在水平方向和垂直方向上的投影長度;α為太陽光線垂直陰影角。

葉片翻轉(zhuǎn)角度β與太陽光線垂直陰影角α之間的關(guān)系:當(dāng)α確定時(shí),葉片翻轉(zhuǎn)β角度后,太陽光線垂直陰影角小于α?xí)r,葉片不能遮擋太陽直射光線;反之,太陽光線垂直陰影角大于α?xí)r,葉片可完全遮擋太陽直射光線。

由上述模型中的各參數(shù)關(guān)系推導(dǎo)出的翻轉(zhuǎn)角度β的通用計(jì)算公式見式(1):

(1)

其中,H為葉片間距,mm;β為葉片寬度,mm;α為太陽光線垂直陰影角,(°)。

由式(1)可以看出,在夏季,葉片寬度、葉片間距和太陽光線垂直陰影角是水平百葉翻轉(zhuǎn)角度的主要影響因素。當(dāng)葉片寬度和葉片間距確定后,太陽光線垂直陰影角是水平百葉翻轉(zhuǎn)角度的唯一決定因素。

2.1.2 冬季水平百葉葉片模型及計(jì)算公式

冬季水平百葉葉片模型如圖4所示[5]。

葉片翻轉(zhuǎn)角度β與太陽光線垂直陰影角α1之間的關(guān)系為:葉片翻轉(zhuǎn)角度β應(yīng)等于太陽光線垂直陰影角α1,即:β=α1。這是因?yàn)樵诙?水平百葉應(yīng)讓盡可能多的太陽直射光線照進(jìn)入室內(nèi),因此需使水平百葉葉片與太陽直射光線保持平行。

當(dāng)葉片翻轉(zhuǎn)角為α1時(shí),入室最大太陽光線垂直陰影角稱為角α2。角α2的大小是冬季時(shí)水平百葉翻轉(zhuǎn)角度是否有利于更多太陽光線進(jìn)入室內(nèi)的判斷依據(jù)。當(dāng)葉片寬度不大于葉片間距時(shí),水平葉片翻轉(zhuǎn)角為α1時(shí),0°～α1角度之間的太陽直射光線都能進(jìn)入室內(nèi),即對(duì)最小太陽光線垂直陰影角沒有要求。而當(dāng)葉片寬度大于葉片間距時(shí),允許照射進(jìn)室內(nèi)太陽直射光線的最小太陽光線垂直陰影角受具體百葉尺寸影響,因此本文不對(duì)此種情況進(jìn)行研究。

入室最大太陽光線垂直陰影角α2的通用計(jì)算公式見式(2):

(2)

其中,H為葉片間距,mm;β為葉片寬度,mm;α1為太陽光線垂直陰影角,(°)。

由式(2)可以看出,在冬季,葉片寬度、葉片間距和太陽光線垂直陰影角α1是入室最大太陽光線垂直陰影角α2的主要影響因素。當(dāng)葉片寬度和葉片間距確定后,太陽光線垂直陰影角α1是入室最大太陽光線垂直陰影角α2的唯一決定因素。

2.2 垂直百葉葉片翻轉(zhuǎn)角度計(jì)算公式

2.2.1 夏季垂直百葉葉片模型及計(jì)算公式

夏季垂直百葉葉片模型如圖5所示[5],圖5中B為葉片寬度,H為葉片間距,β為葉片翻轉(zhuǎn)角度,r為太陽光線水平陰影角(即太陽方位角與墻方位角的差值差),A為太陽方位角,Aw為墻方位角。

夏季垂直百葉葉片翻轉(zhuǎn)角度β是指葉片與墻面法線之間的夾角(0°～180°,順時(shí)針)。當(dāng)r確定時(shí),葉片翻轉(zhuǎn)β角度后,當(dāng)太陽光線水平陰影角的絕對(duì)值小于|r|時(shí),太陽直射光線無法被葉片遮擋;反之,當(dāng)太陽光線水平陰影角的絕對(duì)值大于|r|時(shí),太陽直射光線可被葉片完全遮擋。夏季,取葉片與墻面法線平行時(shí)作為夏季葉片翻轉(zhuǎn)起始或結(jié)束狀態(tài)點(diǎn)。如圖5(a)所示,由對(duì)稱性得垂直百葉葉片在翻轉(zhuǎn)角度為0°或180°時(shí)能遮擋的太陽直射光線的水平陰影角范圍為(見式(3)):

(3)

得需要翻轉(zhuǎn)葉片才能遮擋太陽直射光線的水平陰影角范圍為(見式(4)):

(4)

當(dāng)r<0,即A

sinβ×B-cosβ×tanr×B=H

(5)

同理得,當(dāng)r>0,即A>Aw時(shí),太陽方位角始終在墻方位角左邊,如圖5(c)所示,得β的計(jì)算公式見式(6):

sin(180-β)×B-cos(180-β)×tanr×B=H

(6)

式(5),式(6)都能滿足r=0(即A=Aw)時(shí)的情況。

綜上分析得式(7),式(8):

(7)

(8)

其中,H為葉片間距,mm;B為葉片寬度,mm;r為太陽光線水平陰影角,(°)。

由式(8)可以看出,在夏季,葉片寬度、葉片間距和太陽光線水平陰影角是垂直百葉葉片翻轉(zhuǎn)角度的主要影響因素。當(dāng)葉片寬度和葉片間距確定后,太陽光線水平陰影角r是垂直百葉翻轉(zhuǎn)角度β的唯一影響因素。

2.2.2 冬季垂直百葉葉片模型及計(jì)算公式

冬季垂直百葉葉片模型如圖6所示[5],圖6中B為葉片寬度,H為葉片間距,β為葉片翻轉(zhuǎn)角度,r1和r2均為太陽光線水平陰影角(即太陽方位角與墻方位角之差),A為太陽方位角,Aw為墻方位角。冬季垂直百葉葉片翻轉(zhuǎn)角度β是指葉片與墻面法線之間的夾角(0°～180°,順時(shí)針)。在冬季,垂直百葉應(yīng)盡量讓較多的太陽直射光線照射入室內(nèi),因此需使垂直百葉葉片與太陽直射光線保持平行。因此葉片翻轉(zhuǎn)角度β與太陽光線垂直陰影角r1之間的關(guān)系為:

當(dāng)r≥0,即A≥Aw時(shí),太陽方位角位于墻方位角左邊,如圖6(b)所示,此時(shí):β=r1。

當(dāng)r<0,即A

當(dāng)A≥Aw時(shí),入室最大太陽光線水平陰影角稱為角r2;當(dāng)A≤Aw時(shí),入室最小太陽光線水平陰影角稱為角r2。角α2的大小是冬季時(shí)垂直百葉翻轉(zhuǎn)角度是否有利于更多太陽光線進(jìn)入室內(nèi)的判斷依據(jù)。

已知當(dāng)角r1確定時(shí),太陽光線水平陰影角r2的計(jì)算公式如下:

當(dāng)r1≤0,即A≤Aw時(shí),太陽方位角位于墻方位角右邊,如圖6(c)所示,此時(shí),r2為(見式(9)):

(9)

同理得,當(dāng)r1≥0,即A≥Aw時(shí),太陽方位角位于墻方位角左邊,如圖6(c)所示,此時(shí),r2為(見式(10)):

(10)

其中,H為葉片間距,mm;B為葉片寬度,mm;r1為太陽光線水平陰影角,(°)。

由上式可以看出,太陽光線水平陰影角r2與葉片寬度、葉片間距和太陽光線水平陰影角r1有關(guān),在葉片寬度和葉片間距確定后,太陽光線水平陰影角r2僅與角r1有關(guān)。

3 綜合方向可調(diào)節(jié)的遮陽裝置

當(dāng)葉片寬度和葉片間距確定后,基于前述水平百葉和垂直百葉在冬夏季葉片翻轉(zhuǎn)角度的計(jì)算分析,總結(jié)出:調(diào)節(jié)水平百葉翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素是太陽光線垂直陰影角,而太陽光線垂直陰影角與太陽高度角、太陽方位角和墻方位角相關(guān)。調(diào)節(jié)垂直百葉翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素是太陽光線水平陰影角,太陽光線水平陰影角與太陽方位角和墻方位角相關(guān)。因此,本文提出一種綜合方向可調(diào)節(jié)的遮陽裝置方案,如圖7所示。該裝置包括遮陽框架、遮陽葉片、第一調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、第二調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、光感傳感器、轉(zhuǎn)軸和電磁控制機(jī)構(gòu)。遮陽框架上端通過轉(zhuǎn)軸鉸接于外窗上邊緣,遮陽框架所在平面大小可以完全覆蓋外窗,若干遮陽葉片均勻布置在遮陽框架上。遮陽裝置上固定設(shè)置雙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),第一調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)置于遮陽裝置整體兩側(cè),負(fù)責(zé)帶動(dòng)遮陽框架以轉(zhuǎn)軸為轉(zhuǎn)軸,整體水平轉(zhuǎn)動(dòng),達(dá)到調(diào)節(jié)外窗水平遮陽的目的。第二調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)布置于遮陽框架上每個(gè)遮陽葉片的上下側(cè),負(fù)責(zé)帶動(dòng)遮陽葉片左右翻轉(zhuǎn),達(dá)到調(diào)節(jié)外窗垂直遮陽的目的。第一調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括阻尼滑軌、磁鐵滑塊、電磁鐵和連接桿,如圖8所示。其中,阻尼滑軌固定設(shè)置于外窗兩側(cè)邊緣上,滑軌底部固定設(shè)置一塊電磁鐵,滑軌中設(shè)置一塊磁鐵滑塊,連接桿分別與磁鐵滑塊和遮陽框架外邊框鉸接。一個(gè)所述遮陽裝置包括兩個(gè)第一調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),分設(shè)于外窗左右兩側(cè)。

第二遮陽機(jī)構(gòu)包括阻尼滑軌、電磁鐵、電磁鐵、磁鐵滑塊、連接桿和遮陽葉片,如圖9所示。其中阻尼滑軌布置于遮陽框架上,位于每個(gè)遮陽葉片的上下側(cè)?；墐啥斯潭ㄔO(shè)置兩塊電磁鐵,中間設(shè)置一個(gè)磁鐵滑塊。連接桿分別與磁鐵滑塊和遮陽葉片鉸接。

遮陽裝置上設(shè)置了若干個(gè)光照傳感器和一個(gè)電磁控制機(jī)構(gòu)。光照傳感器均布,用于檢測外窗逐時(shí)太陽光照輻射強(qiáng)度、太陽方位角、太陽高度角等光照信息,并將實(shí)時(shí)檢測信號(hào)傳輸?shù)诫姶趴刂茩C(jī)構(gòu)中。電磁控制機(jī)構(gòu)為整個(gè)遮陽裝置的控制核心部件,內(nèi)置智能優(yōu)化算法,可根據(jù)室外太陽輻射情況,綜合考慮通過外窗進(jìn)入室內(nèi)的光量對(duì)室內(nèi)冷熱負(fù)荷和室內(nèi)照度的影響,經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算得出該時(shí)刻最佳透光量,進(jìn)而計(jì)算出遮陽框架翻轉(zhuǎn)角度與遮陽葉片左右傾斜角度。電磁控制機(jī)構(gòu)通過改變第一調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的電磁鐵的電流大小,改變電磁鐵和磁鐵滑塊之間的磁力大小,通過連接桿的帶動(dòng),最終可改變遮陽框架翻轉(zhuǎn)的角度。

電磁控制機(jī)構(gòu)通過改變第二調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的左右電磁鐵的電流大小和磁極方向,改變電磁鐵和磁鐵滑塊之間的磁力大小,通過連接桿的帶動(dòng),最終可改變遮陽葉片左右翻轉(zhuǎn)的角度。

4 結(jié)語

本文首先以北京地區(qū)辦公建筑為研究案例,模擬0°～60°范圍內(nèi)13種水平百葉傾角下的建筑能耗,獲得最佳百葉傾角是35°,此時(shí)最佳固定遮陽傾角下的建筑能耗為3 651.54 kWh。將遮陽控制方式改為基于太陽光的動(dòng)態(tài)控制后,全年建筑能耗下降至3 054 kWh,節(jié)能率為16.36%。

其次,通過分析夏季和冬季時(shí)水平百葉和垂直百葉的翻轉(zhuǎn)角度計(jì)算原理,得出當(dāng)葉片寬度和葉片間距確定后,調(diào)節(jié)水平百葉翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素是太陽光線垂直陰影角,而太陽光線垂直陰影角與太陽高度角、太陽方位角和墻方位角相關(guān)。調(diào)節(jié)垂直百葉翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素是太陽光線水平陰影角,太陽光線水平陰影角與太陽方位角和墻方位角相關(guān)。

最后,本文基于前述分析提出了一種綜合方向可調(diào)節(jié)的遮陽裝置。該裝置核心調(diào)節(jié)部件為第一調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、第二調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、光照傳感器和電磁控制機(jī)構(gòu)。以水平百葉和垂直百葉的翻轉(zhuǎn)計(jì)算原理為核心,在電磁控制機(jī)構(gòu)內(nèi)置智能優(yōu)化算法,可根據(jù)光照傳感器檢測的室外太陽輻射情況,綜合考慮通過外窗進(jìn)入室內(nèi)的光量對(duì)室內(nèi)冷熱負(fù)荷和室內(nèi)照度的影響,經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算得出該時(shí)刻最佳透光量,進(jìn)而計(jì)算出遮陽框架翻轉(zhuǎn)角度與遮陽葉片左右傾斜角度。該遮陽裝置既適用于新建建筑,可納入建筑智能化家居控制系統(tǒng)中,也適用于既有建筑外立面遮陽改造。

通過本文研究,可總結(jié)出相較于傳統(tǒng)的固定外遮陽,基于太陽光照的可調(diào)節(jié)綜合方向的動(dòng)態(tài)遮陽裝置能有效降低建筑能耗,促進(jìn)建筑節(jié)能與可持續(xù)發(fā)展。