李杜，胡國文，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：建筑物外水平遮陽板的設(shè)置與建筑物外窗的朝向、不同時刻的太陽高度角與太陽方位角等因素相關(guān)。為了使水平遮陽板在不同時刻、不同朝向能充分發(fā)揮遮陽板的建筑節(jié)能效果，并能同時滿足建筑采光要求，水平外遮陽應(yīng)采用可調(diào)方式，并且能夠根據(jù)時間與季節(jié)的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。理論分析了影響水平遮陽效果的因素，并根據(jù)理論推理建立2個尺寸統(tǒng)一的水平外遮陽數(shù)學(xué)模型，分析不同角度的水平遮陽板在不同時間的遮陽效果。基于分析結(jié)果，結(jié)合水平外遮陽對建筑節(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不同時刻的角度調(diào)控策略。

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

在提倡綠色建筑的今天，建筑遮陽對于建筑節(jié)能有著重要的意義。遮陽板作為建筑外遮陽的一種，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)烈的太陽輻射，同時又不影響冬季的供暖和日照的需求［1-2］。為了調(diào)節(jié)夏季與冬季對太陽能輻射不同需求的矛盾，同時盡可能滿足建筑內(nèi)部的照度需求，比較有效方法就是使用可調(diào)式遮陽［3］。

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

本研究試圖通過改變水平遮陽板與窗戶形成角度的大小來調(diào)節(jié)遮陽板的遮陽效果，在定量分析水平遮陽板角度對建筑物冬夏季遮陽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板在各段時間的最佳角度，探索適應(yīng)南京地區(qū)建筑節(jié)能需要的活動水平外遮陽的調(diào)控策略。

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

1　基于建筑節(jié)能因素的遮陽分析

1.1數(shù)學(xué)模型

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

式中：SD——外遮陽系數(shù)；

q1——建筑模型無遮陽情況下，模擬得到的建筑能耗，kW·h/m2；

q2——對外窗設(shè)定遮陽板后，模擬得到的建筑能耗，kW·h/m2；

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

遮陽板結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　遮陽板結(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，針對本次研究對象，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——遮陽板長度，m；

H——遮陽板到窗戶下沿的距離，取1.9m；

θ——遮陽板與墻壁外窗之間的角度，（°）。

1.2計(jì)算結(jié)果及分析

為了探討水平遮陽板的遮陽效果及遮陽板的最佳角度，需要分析各角度段遮陽系數(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板各角度段在冬夏季的外遮陽系數(shù)計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2　遮陽系數(shù)計(jì)算結(jié)果

從圖2可以看出，夏季的遮陽系數(shù)普遍低于冬季的遮陽系數(shù)，夏季為0.97～0.88，冬季為0.98～0.90?？梢娬陉柊逑募镜墓?jié)能遮陽效果要比冬季的遮陽效果好。同時無論冬季還是夏季，當(dāng)遮陽板遮陽角度在10°～60°調(diào)節(jié)時，遮陽系數(shù)是呈穩(wěn)步下降的趨勢，遮陽角度越大，遮陽系數(shù)越小，節(jié)能效果越好。

而當(dāng)遮陽板的角度調(diào)節(jié)在60°～90°時，各角度段的遮陽系數(shù)略有不同，比如在80°時，遮陽系數(shù)的精確值同比90°時要低：80°時夏季為0.876，冬季為0.908；90°時夏季為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°的遮陽系數(shù)為最低。但是總體上在60°～90°遮陽系數(shù)的計(jì)算值趨于穩(wěn)定，并且冬季遮陽系數(shù)穩(wěn)定于0.88，夏季遮陽系數(shù)穩(wěn)定于0.90。因此，從遮陽系數(shù)可以看出，遮陽板在60°～90°調(diào)節(jié)時，遮陽系數(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分析

2.1數(shù)學(xué)模型

采用遮陽系數(shù)表示遮陽板對外窗的遮陽效果。遮陽系數(shù)是指遮陽板在太陽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——遮陽板形成的陰影長度，m。

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

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

2.2計(jì)算結(jié)果及分析

為了探討水平遮陽板的遮陽效果及遮陽板的最佳角度，需要計(jì)算各段角度遮陽系數(shù)在各時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時的遮陽系數(shù)

從圖3可以看出，1、2月份，當(dāng)遮陽板90°時遮陽系數(shù)最小，40°時遮陽系數(shù)最大；3月份，遮陽板90°時遮陽系數(shù)最小，50°時遮陽系數(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°以上角度段時為滿窗遮陽；7月份，10°最小，50°以上角度段時為滿窗遮陽；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)建筑對采光的需求，進(jìn)行遮陽板角度的調(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，便將遮陽板調(diào)節(jié)至90°；如果建筑需盡可能減少采光，便將遮陽板調(diào)節(jié)至50°。其它時間段調(diào)節(jié)也是同樣原理：當(dāng)建筑需盡可能采光時就將遮陽板調(diào)節(jié)至遮陽系數(shù)最小的角度，而當(dāng)建筑需盡可能減少采光時，就將遮陽板調(diào)節(jié)至遮陽系數(shù)最大的角度。

3　計(jì)算結(jié)果綜合分析

建筑遮陽板的設(shè)置需要同時考慮建筑節(jié)能因素與建筑采光因素，因此遮陽板的角度調(diào)節(jié)設(shè)置需要同時參考基于建筑節(jié)能因素計(jì)算的遮陽系數(shù)與基于建筑采光因素計(jì)算的遮陽系數(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板的角度在60°～90°調(diào)節(jié)時，基于建筑節(jié)能因素的遮陽系數(shù)達(dá)到穩(wěn)定的最低值，因此分析建筑采光因素時，遮陽效果應(yīng)在60°～90°進(jìn)行遮陽系數(shù)計(jì)算值的比較，結(jié)果如下：

1、2、3月份當(dāng)遮陽板90°時遮陽系數(shù)最小，60°時遮陽系數(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°以上角度段時為滿窗遮陽；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)時根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)恼陉柊褰嵌?。比如冬?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，因此遮陽板采用遮陽系數(shù)最小的角度，也就是90°；而夏季8月份由于陽光照射強(qiáng)烈，當(dāng)需要盡可能減少采光時，遮陽板便采用遮陽系數(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系數(shù)計(jì)算結(jié)果比較和對于基于建筑節(jié)能因素的遮陽系數(shù)的綜合分析，歸納出一年四季適宜的遮陽板角度如表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

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

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

（2）遮陽板基于建筑采光的遮陽系數(shù)在同一時間也是隨著遮陽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，遮陽板的角度應(yīng)在60°～90°進(jìn)行選擇。而選擇具體的角度時需要參考建筑采光遮陽系數(shù)的計(jì)算值，當(dāng)需要采光時便采用采光遮陽系數(shù)較小的角度；當(dāng)需避免采光時便采用采光遮陽系數(shù)較大的角度。這樣根據(jù)遮陽系數(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：TU113

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-702X（2016）05-0107-04

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

收稿日期：2015-12-31

作者簡介：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