水平遮陽板角度在室內太陽光采光分析與應用

李 杜, 胡國文, 陳永明

(鹽城工學院電氣工程學院,江蘇鹽城 224001)

水平遮陽板角度在室內太陽光采光分析與應用

李 杜, 胡國文, 陳永明

(鹽城工學院電氣工程學院,江蘇鹽城 224001)

水平遮陽板不同遮陽角度對太陽輻射的遮陽效果會產生不同影響。為了使尺寸與材料固定的建筑外遮陽在太陽高度角和方位角變化時能夠滿足遮陽需求在不同季節(jié)的變化,需要采用遮陽角度可隨之進行調節(jié)的外遮陽設計,以滿足對遮陽效果的要求。以南京地區(qū)典型氣象年氣象為依據(jù),對該地區(qū)住宅建筑南向外墻遮陽板不同遮陽角度下的遮陽系數(shù)進行建模分析,從而得出當?shù)啬舷蛩酵庹陉柕恼陉栃Ч诓煌竟?jié)及全天不同時刻的變化趨勢。

水平外遮陽;遮陽角度;建筑采光;遮陽系數(shù)

0 引 言

相關研究表明,采用固定式外遮陽,建筑節(jié)能率最高為58.2%;而采用可調控的外遮陽方式,節(jié)能率可達72.67%[1]。我國大部地區(qū)都處于北回歸線以北,太陽照射南墻面時間較長,在南向及近南向的窗口上,宜設置水平式遮陽[2]。而南京正屬于典型的北回歸線北的夏熱冬冷型城市,本文即擬以這一地區(qū)的典型氣象年氣象為依據(jù),對該地區(qū)住宅建筑南向外墻遮陽板在不同遮陽角度下的遮陽系數(shù)進行建模分析,為工程設計人員提供設計依據(jù)。

1 分析方法

遮陽板對外窗的遮陽效果采用遮陽系數(shù)進行表示。遮陽系數(shù)是指遮陽板在太陽光線照射下形成的外窗日影區(qū)面積與外窗表面積的比值,即

式(1)中:Ae為外窗日影區(qū)面積,A為外窗表面積,K為遮陽系數(shù),當太陽高度角和方位角隨時間變化時相應變化。

對于本次研究水平式外遮陽的遮陽效果,采用相應時期逐時遮陽系數(shù)的平均值進行比較與衡量[]。

2 數(shù)學模型的建立

2.1 水平遮陽板構造

水平遮陽板的寬度與遮陽板距外窗上沿的距離之間關系如圖1所示。圖中L為建筑外窗的高度,取值為1.5 m,D為水平遮陽板與建筑外窗上沿的距離,南京市遮陽板寬度的最佳尺寸為0.4 m;W為水平遮陽板的寬度,南京市最佳尺寸為0.4 m;θ為水平遮陽板與建筑外窗之間的角度[]。

圖1 水平遮陽板構造圖Fig.1 The construction of horizontal shading

2.2 數(shù)學模型

研究采用遮陽系數(shù)表示遮陽板對外窗的遮陽效果。遮陽系數(shù)計算式為K=Wime/H(2)式中:Wime為遮陽板形成的陰影長度,m;H為水平遮陽板與建筑外窗下沿的距離,m;H=D+ W=1.5+0.4=1.9 m。

當計算結果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。

3 計算結果分析

研究水平遮陽板的遮陽效果,實質上是分析在不同的遮陽角度及時間變換的條件下,外窗平均遮陽系數(shù)的變化趨勢。取長1.5 m、寬1.5 m的南京市建筑南向外窗作為研究對象進行計算,從而給出各個時間段南京建筑南窗水平遮陽板的最佳遮陽角度。

在計算過程中使遮陽板的角度在0～90°,光照時間在8:00～16:00變化,從而計算遮陽板在四季每個月份的平均遮陽值。在計算結果中以冬季的1月、春季的3月、夏季的7月及秋季的10月為例進行分析,圖2～5依次給出了這4個月份的遮陽系數(shù)的計算結果。

如圖2所示,在冬季的1月,當遮陽角度是90°時,遮陽板的遮陽系數(shù)最低。當遮陽角度由90°逐漸減小時,遮陽系數(shù)逐漸升高。在不同時點,遮陽系數(shù)最高時對應的遮陽角度為(8:00, 20°)(9:00,20°)(10:00,30°)(11:00,30°)(12:00, 30°)(13:00,30°)(14:00,30°)(15:00,30°) (16:00,20°)。遮陽板的遮陽系數(shù)與建筑的自然光采光效果成反比,即在冬季1月,當遮陽角度為90°時,建筑的自然光采光效果最好;當時間段在9:00～15:00時,遮陽角度在30°時,建筑的自然光采光效果最差。而在冬季,南京屬于典型的夏熱冬冷地區(qū),因此建筑應盡量增大建筑自然光采光的效果,遮陽角度應設為90°。

圖2 1月水平遮陽板遮陽系數(shù)Fig.2 Shading coefficient of horizontal shading in January

如圖3所示,在春季的3月,當遮陽角度是10°時,遮陽板的遮陽系數(shù)最低。當遮陽角度由10°逐漸增大時,遮陽系數(shù)逐漸升高。在不同時點,遮陽系數(shù)最高時對應的遮陽角度為(8:00, 70°)(9:00,60°)(10:00,60°)(11:00,60°)(12:00, 60°)(13:00,60°)(14:00,60°)(15:00,60°) (16:00,70°)。遮陽板的遮陽系數(shù)與建筑的自然光采光效果成反比,即在春季3月,當遮陽角度為10°時,建筑的自然光采光效果最好;當時間段在9:00～15:00,遮陽角度在60°時,建筑的自然光采光效果最差。而在春季,南京屬于典型的夏熱冬冷地區(qū),因此建筑可以根據(jù)當時的工作、生活需要進行選擇合適的遮陽角度。

圖3 3月份水平遮陽板遮陽系數(shù)Fig.3 Shading coefficient of horizontal shading in March

如圖4所示,在夏季的7月,當遮陽角度是10°時,遮陽板的遮陽系數(shù)最低。當遮陽角度由10°逐漸增大時,遮陽系數(shù)逐漸升高:8:00時,當遮陽角度超過70°時,遮陽系數(shù)為1,即滿窗遮陽; 9:00時,遮陽系數(shù)為1,即滿窗遮陽;10:00時,當遮陽角度超過20°時,遮陽系數(shù)為1,即滿窗遮陽; 11:00時,當遮陽角度超過30°時,遮陽系數(shù)為1,即滿窗遮陽;12:00時,當遮陽角度超過40°時,遮陽系數(shù)為1,即滿窗遮陽;13:00時,當遮陽角度超過30°時,遮陽系數(shù)為1,即滿窗遮陽;14:00時,當遮陽角度超過20°時,遮陽系數(shù)為1,即滿窗遮陽; 15:00時,遮陽系數(shù)為1,即滿窗遮陽;16:00時,當遮陽角度超過20°時,遮陽系數(shù)為1,即滿窗遮陽。而在冬、夏季,南京屬于典型的冬暖夏熱地區(qū),因此建筑應盡量減少建筑自然光采光,遮陽角度應選擇遮陽系數(shù)為1,即滿窗遮陽的角度。

圖4 7月水平遮陽板遮陽系數(shù)Fig.4 Shading coefficient of horizontal shading in July

圖5 10月水平遮陽板遮陽系數(shù)Fig.5 Shading coefficient of horizontal shading in October

如圖5所示,秋季10月,當遮陽角度是10°時,遮陽板的遮陽系數(shù)最低;當遮陽角度由10°逐漸增大時,遮陽系數(shù)逐漸升高;當遮陽角度是50°時,遮陽板的遮陽系數(shù)最高;當遮陽角度超過50°時,遮陽系數(shù)逐漸減小。而在秋季,南京屬于典型的夏熱冬冷地區(qū),因此建筑需根據(jù)當時的工作、生活需要選擇合適的遮陽角度。

4 結 論

南京地區(qū)屬于典型的夏熱冬冷地區(qū),一年四季氣溫變化分明,因此遮陽角度的設置應該根據(jù)時間的變化而進行調節(jié)。

在冬季,氣候寒冷,建筑應盡量增大自然光采光的效果,因此遮陽角度應選擇遮陽系數(shù)數(shù)值最小的角度。比如1月遮陽角度應為90°。

在春季與秋季,晝夜溫差大,建筑應根據(jù)當時的工作、生活需要選擇合適的遮陽角度。比如在3月,若建筑需要自然光采光,遮陽角度設為10°。若不需要,遮陽角度可設為遮陽系數(shù)最高的值: 8:00時,遮陽角度可設為70°;9:00～15:00時,遮陽角度可設為60°;而比如在秋季的10月,若建筑需要自然光采光,遮陽角度設為10°。若不需要,遮陽角度可設為遮陽系數(shù)最高的值,即遮陽角度為50°。16:00時,遮陽角度可設為70°。

在夏季,氣候炎熱,建筑應盡量減少自然光采光,因此遮陽角度應選擇遮陽系數(shù)最高的角度。比如在7月,遮陽角度應為滿窗遮陽的角度。

[1]田慧峰,孫大明,朱慧賓.廣州地區(qū)建筑外遮陽節(jié)能性能研究[J].建筑節(jié)能,2007,35(10):27-30.

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[5]魏巧麗,張歡,楊斌,等.天津地區(qū)住宅建筑南向遮陽板構型設計[J].暖通空調,2004,34(12):102-106.

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Analysis and application of horizontal external shading angle in building lighting

LI Du, HU Guowen, CHEN Yongming

(School of Electrical Engineering,Yancheng Institute of Technology,Yancheng 224001,China)

Different shading angles of horizontal external shading would bring variable influence on shading effect for solar radiation.The building horizontal external shading angles were designed with the fixed size and material to meet different requirement of shading effect in seasons.The building horizontal external shading angles were designed with the fixed size and material to meet different requirement of shading effect in seasons.It was analyzed with mathematical model of different angles on the basis of the typical meteorological year weather in Nanjing area,from where the variation tendency of shading angle could be obtained for different season and time period.

horizontal external shading;shading angle;building lighting;shading coefficient

TS955.3;TU113.4

A

1674-1404(2017)01-0076-03

2015-10-19.

國家自然科學基金項目(31501221);江蘇省住建廳科技指導項目(2015ZD61).

李杜(1983-),女,講師.

時間:2016-05-16T09:23:25.

http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1560.TS.20160516.0923.002.html.

李杜,胡國文,陳永明.水平遮陽板角度在室內太陽光采光分析與應用[J].大連工業(yè)大學學報,2017,36(1):76-78.

LI Du,HU Guowen,CHEN Yongming.Analysis and application of horizontal external shading angle in building lighting [J].Journal of Dalian Polytechnic University,2017,36(1):76-78.