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

摘 要：文章針對(duì)圖書館外部遮陽(yáng)設(shè)備對(duì)太陽(yáng)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(yáng)措施，利用Ecotect生態(tài)建筑仿真軟件分析了遮陽(yáng)板對(duì)建筑室內(nèi)太陽(yáng)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(guò)Ecotect進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分析了不同情況下遮陽(yáng)板對(duì)閱覽室內(nèi)太陽(yáng)輻射的改變，給出了相應(yīng)遮陽(yáng)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(yáng)裝置，更方便學(xué)生的使用。

關(guān)鍵詞：高校圖書館；遮陽(yáng)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(yáng)板等的調(diào)節(jié)來(lái)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姆答仯３?huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)前后差值過(guò)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(yáng)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(guó)高校圖書館建筑的南向窗戶占?jí)Φ谋壤絹?lái)越大，所以在追求冬季南向玻璃外窗采光取暖和照明的同時(shí)，要對(duì)夏季光照過(guò)強(qiáng)進(jìn)行遮光處理，文章就通過(guò)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(yáng)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(yáng)板，二樓未安裝橫向百葉遮陽(yáng)板，研究了在相同太陽(yáng)方位角不同高度角時(shí)，安裝橫向百葉結(jié)遮陽(yáng)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(yáng)板，一樓西邊6扇外窗未安裝橫向百葉結(jié)遮陽(yáng)板，研究了在相同太陽(yáng)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(yáng)板區(qū)域的光照情況；

（3）一樓安裝的橫向百葉結(jié)遮陽(yáng)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(rùn)。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(yáng)輻射分析

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

2 外立窗遮陽(yáng)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(yáng)光過(guò)強(qiáng)的直接入射，導(dǎo)致太陽(yáng)輻射熱過(guò)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(yáng)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(yáng)板進(jìn)行遮陽(yáng)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(yáng)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(yáng)板，東向6扇安裝遮陽(yáng)板。一扇窗戶玻璃高3800mm，遮陽(yáng)板寬200mm，一扇玻璃上共19片遮陽(yáng)板，兩片之間間隔200mm，最上層百葉緊靠窗頂，遮陽(yáng)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(yáng)板模型圖

2.2 晴天夏季百葉窗遮陽(yáng)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(yáng)板的主要功能是進(jìn)行遮陽(yáng)，因此將建筑模型中遮陽(yáng)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(yáng)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(yáng)板水平時(shí)建筑模型正面效果圖

（b）遮陽(yáng)板下傾30°時(shí)建筑模型正面效果圖

（c）遮陽(yáng)板下傾60°時(shí)建筑模型正面效果圖

圖5 夏天遮陽(yáng)板不同角度建筑模型正面效果圖

2.2.1 相同高度角遮陽(yáng)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(yáng)情況進(jìn)行分析，將遮陽(yáng)板調(diào)至下傾60°角放置，一樓東邊6扇窗戶有遮陽(yáng)板，西邊6扇窗戶無(wú)遮陽(yáng)板，在相同太陽(yáng)高度角時(shí)分析太陽(yáng)輻射情況如圖6和圖7所示。

仿真得出有遮陽(yáng)板一邊的太陽(yáng)平均輻射值為1451.60Wh，等值線范圍為900-1500Wh，步長(zhǎng)為60Wh；無(wú)遮陽(yáng)板一邊的太陽(yáng)平均輻射值為1522.56Wh，等值線范圍為1000-1500Wh，步長(zhǎng)為50Wh?？梢娫谙嗤?yáng)高度角下，有遮陽(yáng)板能降低室內(nèi)太陽(yáng)輻射值，輻射步長(zhǎng)降低16.7%左右，減光效果很明顯。

2.2.2 相同方位角遮陽(yáng)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(yáng)仿真，與一樓的閱覽室無(wú)遮陽(yáng)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(yáng)輻射情況如圖7所示。

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

2.2.3 遮陽(yáng)板不同角度遮陽(yáng)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(yáng)情況進(jìn)行分析，分別將遮陽(yáng)板水平、下傾30°角及下傾60°角放置，得到太陽(yáng)輻射情況如圖8至10所示。

表1 遮陽(yáng)板不同角度太陽(yáng)輻射值

將一樓遮陽(yáng)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(yáng)板水平放置時(shí)，太陽(yáng)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(yáng)板從水平到下傾30°時(shí)輻射步長(zhǎng)減短了33.3%，從下傾30°到下傾60°時(shí)輻射步長(zhǎng)減短了12.5%，遠(yuǎn)低于33.3%，說(shuō)明對(duì)太陽(yáng)照射的遮擋效果已趨減小，而太陽(yáng)輻射值從水平至30°的29.1%減小到30°到60°的34.7%，太陽(yáng)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(yáng)板下邊陰影已經(jīng)擋住了下遮陽(yáng)板上邊，此時(shí)在增大遮陽(yáng)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(yáng)板下傾角度在30°即可。

2.3 晴天冬季百葉窗遮陽(yáng)系統(tǒng)模擬分析

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

根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，取冬季中具有代表性的2015年12月6日太陽(yáng)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(yáng)平均外窗遮陽(yáng)情況數(shù)據(jù)，如表2所示。

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

2.4 陰天百葉窗遮陽(yáng)系統(tǒng)模擬分析

為了研究陰天環(huán)境下，遮陽(yáng)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(yáng)統(tǒng)計(jì)輻射如圖13所示。

從圖13可以看出此時(shí)遮陽(yáng)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(yáng)板不需采取遮陽(yáng)措施，可全天候保持水平打開。

3 遮陽(yáng)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(yáng)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(yáng)板半邊太陽(yáng)輻射值遠(yuǎn)小于無(wú)遮陽(yáng)板半邊，說(shuō)明遮陽(yáng)板能大大降低室內(nèi)太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)輻射值較小，可以水平打開遮陽(yáng)板，在10：00-11：30期間，太陽(yáng)輻射值增大，遮陽(yáng)板需下傾60°角進(jìn)行遮陽(yáng)處理才不至于讓室內(nèi)光照度過(guò)大，在11：30-15：00時(shí)，太陽(yáng)高度角增大，此時(shí)遮陽(yáng)板下傾30°即可保證太陽(yáng)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(yáng)板上傾30°角即可保證室內(nèi)太陽(yáng)輻射量在穩(wěn)定區(qū)間，13：00以后，遮陽(yáng)板需上傾60°保證控制室內(nèi)太陽(yáng)輻射量在可接受范圍；

（5）在陰天時(shí)，因太陽(yáng)輻射值比較弱，遮陽(yáng)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(yáng)板控制策略見表3，根據(jù)研究進(jìn)展，后期可將遮陽(yáng)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(yáng)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)——腳踩式遮陽(yáng)裝置

現(xiàn)有的遮陽(yáng)設(shè)備一般需要用手轉(zhuǎn)動(dòng)或拉動(dòng)操作桿（繩）來(lái)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(lái)，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?cè)诂F(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)腳踩的方式，實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)裝置的開閉。

本設(shè)計(jì)的有益效果在于：

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yáng)板的往復(fù)開關(guān)多項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，使用簡(jiǎn)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(chǎng)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。

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