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        高校圖書館外立窗遮陽裝置模擬分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2016-12-31 00:00:00李晴高潤王世明田晨曦趙飛
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年32期

        摘 要:文章針對(duì)圖書館外部遮陽設(shè)備對(duì)太陽輻射的影響進(jìn)行了仿真分析,利用Weather Tool軟件對(duì)圖書館外部環(huán)境進(jìn)行了分析,提出了對(duì)建筑熱舒適影響最小的改動(dòng)方案是采取被動(dòng)式遮陽措施,利用Ecotect生態(tài)建筑仿真軟件分析了遮陽板對(duì)建筑室內(nèi)太陽輻射的影響,在CAD制圖軟件進(jìn)行圖書館模型建模的基礎(chǔ)上,導(dǎo)入氣候數(shù)據(jù),通過Ecotect進(jìn)行網(wǎng)格劃分,分析了不同情況下遮陽板對(duì)閱覽室內(nèi)太陽輻射的改變,給出了相應(yīng)遮陽板調(diào)節(jié)的控制策略,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款腳踩式遮陽裝置,更方便學(xué)生的使用。

        關(guān)鍵詞:高校圖書館;遮陽設(shè)備;ECOTECT;控制;腳踩式

        現(xiàn)有的圖書館環(huán)境控制大多是當(dāng)室內(nèi)溫濕度、光照度與外部環(huán)境差異較大時(shí),管理員才會(huì)進(jìn)行空調(diào)、燈具、遮陽板等的調(diào)節(jié)來改變圖書館室內(nèi)環(huán)境,而這種根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的調(diào)節(jié)因?yàn)椴荒艿玫接行У姆答?,常常?huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)前后差值過大而難以量化控制,因此分析不同情況下圖書館外立窗的最佳遮陽角度,可以改善環(huán)境的舒適度和間接提高工作、學(xué)習(xí)效率。

        我國高校圖書館建筑的南向窗戶占?jí)Φ谋壤絹碓酱螅栽谧非蠖灸舷虿A獯安晒馊∨驼彰鞯耐瑫r(shí),要對(duì)夏季光照過強(qiáng)進(jìn)行遮光處理,文章就通過ECOTECT生態(tài)建筑大師模擬軟件對(duì)上海海洋大學(xué)圖書館閱覽室南向外窗橫向百葉結(jié)遮陽板對(duì)光照度的影響進(jìn)行模擬仿真。共進(jìn)行了三組不同情況的對(duì)比分析:

        (1)一樓安裝了橫向百葉遮陽板,二樓未安裝橫向百葉遮陽板,研究了在相同太陽方位角不同高度角時(shí),安裝橫向百葉結(jié)遮陽板對(duì)室內(nèi)光照度的影響;

        (2)一樓東邊6扇外窗安裝了橫向百葉結(jié)遮陽板,一樓西邊6扇外窗未安裝橫向百葉結(jié)遮陽板,研究了在相同太陽高度角不同方位角時(shí),同一閱覽室內(nèi)安裝橫向百葉結(jié)遮陽板區(qū)域的光照情況;

        (3)一樓安裝的橫向百葉結(jié)遮陽板,當(dāng)處在水平、傾斜30°、傾斜60°集中不同角度時(shí)對(duì)室內(nèi)光照度的影響。

        1 外部環(huán)境分析

        1.1 外部氣候特征分析

        浦東新區(qū)臨港新城位于上海東南角,具有上海地區(qū)的一切氣候特征,同時(shí)因?yàn)榭拷鼥|海水域,更加的濕潤。利用Weather Tool工具導(dǎo)入上海地區(qū)的氣象數(shù)據(jù),可以直觀地看出上海海洋大學(xué)圖書館所處的外部氣候特征。

        借用Weather Tool分析工具生成當(dāng)?shù)刂饡r(shí)干球溫度、濕度分布如圖1所示,橫坐標(biāo)為月份和日期,縱坐標(biāo)分別為干球溫度/℃和濕度/%,從圖1(a)可以看出該地區(qū)年平均干球溫度在16℃左右,其中1月份溫度最低,平均溫度為5℃,7-8月份溫度最高,平均干球溫度為28℃,為典型的夏熱冬冷型氣候。從圖1(b)可以看出該地區(qū)全年濕度比較高,一年平均濕度在60%~85%之間,且大多處于70%~80%之間,據(jù)此可知該地區(qū)典型氣候?yàn)橄募緪灍岢睗?、冬季陰冷潮濕?/p>

        1.2 太陽輻射分析

        在對(duì)上海地區(qū)進(jìn)行太陽輻射分析時(shí),選用2015年6月21這天12:15的太陽輻射投影。在采用笛卡爾坐標(biāo)系進(jìn)行分析時(shí),橫坐標(biāo)是太陽方位角,縱坐標(biāo)是太陽高度角,如圖2所示。由圖看出此時(shí)太陽方位角為-150.9°,即西南60.9°。高度角為81.0°,即太陽入射方向與地平面夾角為81.0°,接近垂直,此時(shí)太陽在建筑西南方向接近正上方,如太陽輻射球面影圖2所示位置。

        2 外立窗遮陽分析

        2.1 建筑模型設(shè)計(jì)

        文章采用的建筑模型是上海海洋大學(xué)圖書館一、二樓西南向閱覽室,這兩間閱覽室都是大多數(shù)高校圖書館類借閱合一的模式,圖書館閱覽室靠西南面的是玻璃圓弧形外窗,白天基本使用自然光照,在夏季時(shí),應(yīng)盡量避免陽光過強(qiáng)的直接入射,導(dǎo)致太陽輻射熱過大。由于透明玻璃幕墻已建好,應(yīng)根據(jù)采光要求安裝遮陽板及進(jìn)行角度分析。

        一樓墻高4米,二樓外墻高1米,中墻高3米,內(nèi)墻高4米,閱覽室內(nèi)書架均高2.0米,閱覽書桌高1.0米。采用橫向百葉結(jié)遮陽板進(jìn)行遮陽設(shè)計(jì),實(shí)際建筑如圖3所示。

        圖3 上海海洋大學(xué)圖書館閱覽室一二樓外遮陽窗

        根據(jù)Ecotect軟件自帶建模功能,建立一、二樓閱覽室模型如圖4所示。其中一樓外立窗面共12扇玻璃窗,西向6扇玻璃窗不安裝遮陽板,東向6扇安裝遮陽板。一扇窗戶玻璃高3800mm,遮陽板寬200mm,一扇玻璃上共19片遮陽板,兩片之間間隔200mm,最上層百葉緊靠窗頂,遮陽板可自由旋轉(zhuǎn),模型中Y軸指向與指北針相同。

        圖4 帶遮陽板模型圖

        2.2 晴天夏季百葉窗遮陽系統(tǒng)模擬分析

        在建立的模型中導(dǎo)入氣象數(shù)據(jù)“Shanghai.CSWD”,考慮到夏季遮陽板的主要功能是進(jìn)行遮陽,因此將建筑模型中遮陽板的位置設(shè)置為水平、下傾30°和下傾60°三種情況進(jìn)行太陽能輻射模擬分析比較,建筑模型的正面效果如圖5所示。

        (a)遮陽板水平時(shí)建筑模型正面效果圖

        (b)遮陽板下傾30°時(shí)建筑模型正面效果圖

        (c)遮陽板下傾60°時(shí)建筑模型正面效果圖

        圖5 夏天遮陽板不同角度建筑模型正面效果圖

        2.2.1 相同高度角遮陽情況分析

        對(duì)夏天某個(gè)晴天6月22日上海海洋大學(xué)圖書館一樓外立玻璃窗的遮陽情況進(jìn)行分析,將遮陽板調(diào)至下傾60°角放置,一樓東邊6扇窗戶有遮陽板,西邊6扇窗戶無遮陽板,在相同太陽高度角時(shí)分析太陽輻射情況如圖6和圖7所示。

        仿真得出有遮陽板一邊的太陽平均輻射值為1451.60Wh,等值線范圍為900-1500Wh,步長為60Wh;無遮陽板一邊的太陽平均輻射值為1522.56Wh,等值線范圍為1000-1500Wh,步長為50Wh。可見在相同太陽高度角下,有遮陽板能降低室內(nèi)太陽輻射值,輻射步長降低16.7%左右,減光效果很明顯。

        2.2.2 相同方位角遮陽情況分析

        對(duì)上海海洋大學(xué)圖書館二樓閱覽室進(jìn)行遮陽仿真,與一樓的閱覽室無遮陽板部分進(jìn)行對(duì)比分析,在同一時(shí)間相同方位角時(shí),不同的高度角下,二樓閱覽室太陽輻射情況如圖7所示。

        對(duì)比圖6可知,二樓外立窗太陽輻射平均值為2169.48Wh,等值線范圍為1400-2400Wh,輻射步長為100Wh,比一樓外立窗玻璃同方位角的太陽輻射均值增大42.5%,輻射步長增加1倍,太陽輻射增大情況明顯。

        2.2.3 遮陽板不同角度遮陽分析

        對(duì)夏天6月22日及6月份整月的外立玻璃窗的遮陽情況進(jìn)行分析,分別將遮陽板水平、下傾30°角及下傾60°角放置,得到太陽輻射情況如圖8至10所示。

        表1 遮陽板不同角度太陽輻射值

        將一樓遮陽板在不同位置的輻射情況匯總成表1所示,從表中可以看出,在11:30-15:00之間,遮陽板水平放置時(shí),太陽輻射均值為3998.65Wh,下傾30°時(shí)平均輻射值為2836.06Wh,下傾60°時(shí)平均輻射值為1851.12Wh;遮陽板從水平到下傾30°時(shí)輻射步長減短了33.3%,從下傾30°到下傾60°時(shí)輻射步長減短了12.5%,遠(yuǎn)低于33.3%,說明對(duì)太陽照射的遮擋效果已趨減小,而太陽輻射值從水平至30°的29.1%減小到30°到60°的34.7%,太陽輻射減小效果很明顯,使得室內(nèi)光線變暗,因在30°角時(shí)上遮陽板下邊陰影已經(jīng)擋住了下遮陽板上邊,此時(shí)在增大遮陽板角度,只會(huì)讓室內(nèi)光照度變得更低,亮度更暗。因此在11:30-15:00之間時(shí)候,遮陽板下傾角度在30°即可。

        2.3 晴天冬季百葉窗遮陽系統(tǒng)模擬分析

        為了不同于夏天遮陽板情況,將冬天遮陽板設(shè)置為、上傾30°和上傾60°。對(duì)兩種情況的太陽輻射情況進(jìn)行模擬分析,不同位置的遮陽板建筑正面模型如圖11所示。

        根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù),取冬季中具有代表性的2015年12月6日太陽輻射情況為研究目標(biāo),模擬如圖12所示,并得出2015年全年的太陽平均外窗遮陽情況數(shù)據(jù),如表2所示。

        由圖12可以看出,遮陽板上傾30°和60°時(shí)外窗受太陽輻射較少,9:00以后南向玻璃外窗太陽輻射開始增強(qiáng),在9:00-13:00之間,太陽高度角逐漸變大,太陽輻射也隨之增強(qiáng),此時(shí),上傾30°和上傾60°角遮陽板的遮陽效果開始明顯。在13:00時(shí)刻,水平遮陽板、上傾30°角的遮陽效果特別明顯,輻射最少。過了13:00以后,太陽開始西落,水平遮陽和30°角遮陽的效果開始減弱,而60°角的遮陽板效果持續(xù)增強(qiáng),此時(shí)遮陽板下方收到太陽輻射,60°角的位置時(shí)剛好下面遮陽板下方擋住了上面玻璃窗的上方,遮陽效果加強(qiáng)。

        2.4 陰天百葉窗遮陽系統(tǒng)模擬分析

        為了研究陰天環(huán)境下,遮陽板對(duì)室內(nèi)光照度的調(diào)節(jié)情況,選用陰天6月8日環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析,仿真出太陽統(tǒng)計(jì)輻射如圖13所示。

        從圖13可以看出此時(shí)遮陽板全打開,即0°角時(shí),室內(nèi)平均輻射值為647.8Wh,遠(yuǎn)小于晴天時(shí)輻射值,此時(shí)室內(nèi)光照度最高值為1160Wh,尚且不能滿足照明需求,因此在陰天時(shí)遮陽板不需采取遮陽措施,可全天候保持水平打開。

        3 遮陽板控制策略

        根據(jù)上文對(duì)上海海洋大學(xué)圖書館外立玻璃窗進(jìn)行遮陽板仿真可得出如下結(jié)論:

        (1)在晴天的氣候下,相同高度角時(shí),一樓外立窗處有遮陽板半邊太陽輻射值遠(yuǎn)小于無遮陽板半邊,說明遮陽板能大大降低室內(nèi)太陽輻射值;

        (2)在晴天的氣候下,相同方位角時(shí),二樓高度角大于一樓外立窗,因一天中輻射百分比高的時(shí)刻太陽直射進(jìn)二樓,導(dǎo)致在一天中二樓平均輻射值遠(yuǎn)大于一樓;

        (3)在晴天的氣候下,8:00-10:00時(shí),太陽輻射值較小,可以水平打開遮陽板,在10:00-11:30期間,太陽輻射值增大,遮陽板需下傾60°角進(jìn)行遮陽處理才不至于讓室內(nèi)光照度過大,在11:30-15:00時(shí),太陽高度角增大,此時(shí)遮陽板下傾30°即可保證太陽輻射值處在合理區(qū)間,且保證了室內(nèi)光照度充分;

        (4)在晴天的冬季時(shí),9:00-13:00時(shí)間內(nèi),遮陽板上傾30°角即可保證室內(nèi)太陽輻射量在穩(wěn)定區(qū)間,13:00以后,遮陽板需上傾60°保證控制室內(nèi)太陽輻射量在可接受范圍;

        (5)在陰天時(shí),因太陽輻射值比較弱,遮陽板可完全開啟保持水平狀態(tài)。

        根據(jù)得出的結(jié)論,將之總結(jié)為遮陽板控制策略見表3,根據(jù)研究進(jìn)展,后期可將遮陽板控制策略導(dǎo)入監(jiān)控系統(tǒng)中,進(jìn)行自動(dòng)控制調(diào)節(jié)控制策略。

        4 遮陽裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)——腳踩式遮陽裝置

        現(xiàn)有的遮陽設(shè)備一般需要用手轉(zhuǎn)動(dòng)或拉動(dòng)操作桿(繩)來控制百葉窗的開閉,操作者(例如正在閱讀書籍的人),需要站立起來,走到百葉窗跟前,用手對(duì)百葉窗進(jìn)行開閉操作,仍然十分不方便,因此我們在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),通過腳踩的方式,實(shí)現(xiàn)遮陽裝置的開閉。

        本設(shè)計(jì)的有益效果在于:

        (1)結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、制造成本低廉。

        (2)用腳的單向運(yùn)動(dòng)可帶動(dòng)遮陽板的往復(fù)開關(guān)多項(xiàng)運(yùn)動(dòng),使用簡便。

        (3)機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制方式設(shè)計(jì)巧妙。

        (4)尤其適合圖書館、小區(qū)活動(dòng)室等場所。

        (5)同時(shí)方便沒有手的殘障人士或行走不便的人士進(jìn)行使用。

        參考文獻(xiàn)

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        作者簡介:李晴,女,碩士研究生,研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

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