南外窗百叶遮阳对冬季建筑能耗影响的数值模拟

刘剑刚 李攀 刁永发 宋菲嫣

南外窗百叶遮阳对冬季建筑能耗影响的数值模拟

刘剑刚1李攀2刁永发2宋菲嫣2

1沈阳天一冷热源技术有限公司
2东华大学环境科学与工程学院

根据我国的地理位置和建筑朝向特点，一般建筑通常是南向窗户占墙的比例最大。由于现代建筑追求美观和欣赏功能，玻璃窗占墙的面积也是越来越大。所以建筑南向窗户的节能变的不容忽视，既要考虑夏季遮阳，也要考虑冬季保温。本文就通过Ecotect软件模拟，分析南向外窗在设置水平百叶固定外遮阳的情况下，百叶角度对冬季南向外窗的节能影响。

建筑能耗数值模拟百叶遮阳

0引言

当今能源问题举世瞩目，我国在大力发展经济的同时，也一直把建设资源节约型社会和环境友好型社会作为建设发展追求的重要目标。在我国所有能源消费总量中，公共建筑能耗占很大一部分，而建筑能耗中建筑的围护结构门窗又占主要因素。本文针对公共建筑南向较大面积的玻璃外窗,当外遮阳设置为固定水平百叶时，使用Ecoteet软件模拟冬季的建筑能耗，将百叶的角度分别设定在不同数值的情况下，对室内接收到的太阳能辐射值进行模拟[1]。

表1冬季1月4日太阳在天空中的位置

1太阳位置

由Ecotect软件气象数据库，选取上海地区作为模拟地区。上海地理坐标为北纬天空中的位置如表1所示[2]。该软件中表示北纬31.2°，东经121.4°，冬季1月4日太阳在不同时刻的方位角，是太阳光线在地面上投影与指北针方向的夹角，负号表示太阳偏西方向。

2建筑模型的建立

1）Ecotect软件自身功能可为外窗在夏季优化产生一个水平格栅外遮阳板，建筑模型东西向长度为9200mm，南北向宽度为3200mm，距离顶部窗沿100mm。模型示意图1所示，其中南向外窗外侧为软件遮阳材料库中选择的水平格栅外遮阳板，Y轴指向与指北针相同，X轴指向为东[3]。

图1模型A—水平格栅板外遮阳模型示意图

2）外窗布置固定水平百叶外遮阳木板，百叶板两端距离窗两侧边距离都为200mm，最上层百叶紧靠窗顶，叶片宽度300mm，叶片厚度为10mm，上下叶片间距也为300mm，总片数为10片，叶片可自由旋转。图2为百叶遮阳板水平位置示意图，其中南向外窗外侧为水平百叶外遮阳板，Y轴指向与指北针相同，X轴指向为东。

图2模型B——固定百叶外遮阳模型示意图

3冬季百叶外遮阳系统的模拟结果及分析

冬季考虑模型B的百叶位置有水平、上倾30°、上倾60°三种情况，对当百叶分别处于这三种位置以及模型A外遮阳形式时，外窗接收到的太阳能量、建筑能耗等进行模拟，并对结果进行分析比较[4]。

3.1外遮阳情况

1月4日及全年外窗平均遮阳情况模拟结果见图1和表2。

图3 1月4日外遮阳模拟结果

表2 1月份平均外遮阳情况模拟结果

1）单日模拟结果分析：外窗受遮阳较少的是百叶上倾30°和60°的情况，而在13:00左右水平格栅、百叶水平、上倾30°都比其它时刻遮住了较多阳光。根据冬季太阳在天空中的位置，9:00以后南向外窗开始有太阳光直射辐射，并在9:00～13:00时间段内随太阳高度角逐渐变大，这期间上倾30°的百叶越来越阻挡阳光照射到外窗上，而上倾60°时可以让外窗接收到更多阳光，而9:00以前和13:00以后随太阳高度角较小时，上倾30"位置比其它遮阳可以接收到更多阳光。在这一天当中，百叶上倾30°和60°时外窗分别接收较多阳光直射辐射的时间，大约各占一天太阳总的直射辐射时间的一半。

2）全年每月平均遮阳比较：百叶上倾60°遮阳比例总是小于其它遮阳方式；水平格栅和百叶水平时在2月至11月之间，遮阳比例较高，都在70%以上；百叶上倾30°是在2月至10月之间遮阳比例在70%以上；而百叶上倾60°只在5月至7月之间遮阳比例达到70%以上，其它月份平均在20%～70%之间分布。

3.2外窗与太阳能辐射

1月4日外窗上所接收到的太阳辐射能模拟见图4～6和表3。

图4 1月4日照射到外窗上的太阳能辐射

图5 1月4日外窗吸收的太阳能辐射

图6 1月4日外窗透过的太阳能辐射

表3 1月份外窗接收到的总太阳辐射能（W）

1）单日模拟结果分析：外窗接收到的太阳辐射能量与外窗遮阳比例模拟结果表达一致，都是在13:00左右太阳高度角最大时外窗的太阳得热效果最差，都是当外遮阳百叶上倾30°和60°时外窗受阳光直射多于其它；在9:00～13:00时间段内，百叶上倾60°外窗的太阳直射辐射得热最多，且在12:00左右达到一天当中太阳直射辐射得热的峰值；在9:00以前和13:00以后百叶上倾30°时最多，且12:00和14:00左右是百叶上倾30°时外窗的太阳直射辐射得热的两个峰值点。

2）整个1月份的模拟结果显示，模型B中百叶上倾60°时外窗接收到的太阳直射辐射得热量最多。

3.3建筑结构得热与热损失

在这4种遮阳形式下，1月4日和整个1月份建筑的太阳直射辐射得热和结构热损失的模拟结果如图7～9和表4所示。

1）从整个1月份建筑太阳直射辐射得热的模拟结果看，百叶水平、上倾30°和60°时太阳直射辐射得热几乎都相同，优于模型A水平格栅的情况。不管哪种遮阳形式，太阳直射辐射得热总的大致变化趋势都是先升高后降低，11:00～12:00之间达到峰值。

2）建筑结构热损失指由于内外界温差的存在，发生通过建筑结构本身向外传热量，冬季传热方向由室内向室外。变化趋势是先减少后增大，在14:00～15:00时间段内热损失达到谷值，这比太阳辐射得热滞后3h左右发生。模型A中水平格栅作外遮阳时，总体变化上热损失大于模型B百叶的情况，相差最大时比模型B大9%左右，而百叶板位置不同时对热损失影响不大。

图7 1月份平均太阳能直射辐射得热

图8 1月4日建筑结构热损失

图9 1月份平均建筑结构热损失

4结论

本文针对南向外窗，当遮阳设施为固定水平百叶时，在冬季分别改变百叶向上倾斜的角度，并通过和Ecoteet软件优化产生的水平格栅遮阳进行模拟结果对比，分析有利于南向外窗节能的百叶角度和遮阳方式有以下结论：

1）外窗太阳直射辐射：百叶上倾60°在9:00～13:00时间段内，外窗的太阳直射辐射得热最多，且在12:00左右达到一天当中太阳直射辐射得热的峰值；百叶上倾30°是在9:00以前和13:00以后最多，且12:00和14:00左右是百叶上倾30°时外窗的太阳直射辐射得热的两个峰值点[5]。

2）建筑结构得热和室温：建筑热损失是先降低后升高，太阳辐射得热和室温都是先升高后降低的变化趋势，热损失的谷值和室温的峰值都是在14:00～15:00之间发生；模型A由于水平格栅较大的水平遮阳面积，使得建筑受太阳直射辐射的面积小于模型B百叶的情况，总的得热小于模型B，热损失又大于B，所以室温也受影响，同样也低于模型B百叶遮阳时；百叶的角度改变对冬季建筑热特性影响很小，即使这样，固定百叶的角度在冬季大多数时候仍要保持在上倾30°到60°间，能使外窗透过更多阳光，提高室内舒适度。

[1]建筑门窗环境工学概论编写组.建筑门窗环境工学概论试用本[Z].北京:中国建筑金属结构协会,1986

[2]中国建筑协会建筑师分会建筑技术专业委员会,东南大学建筑学院.绿色建筑与建筑技术[M].北京:中国建筑工业出版社, 2006

[3]云朋.ECOTECT建筑环境设计教程[M].北京:中国建筑工业出版社,2007

[4]张欢,杨斌.遮阳板在建筑节能中的应用研究[J].太阳能学报, 2005,(6):72-73

[5]崔新明,廖春波.外遮阳系统在夏热冬冷地区住宅建筑中的应用[J].住宅科技,2006,(4):85-87

Num e ric a l Sim ula tion of Southe rn Window-s ha de s’Influe nc e on Winte r Building Ene rgy Cons um ption

LIU Jian-gang1,LI Pan2,DIAO Yong-fa2,SONG Fei-yan2
1 Shenyang Tianyi Cold and Heat Source Technique Co.,Ltd.
2 School of Environmental Science and Engineering,Donghua University

According to geographical location and building orientation in our country,it is a bigger percentage of south window in a common building.Due to the modern architecture pursuit of aesthetics and appreciation functions,Glass Windows’area of the wall is also increasing.So energy saving of south window in building should not be ignored,we both want to consider the summer sunshade and the winter heat preservation.This article analyze the horizontal fixed window-shades’angle influence on winter building energy consumption by ecological building great master software named Ecotect.

building energy consumption,numerical simulation,window-shade

1003-0344（2014）05-027-4

2013-8-12

刘剑刚（1956～），男，工程师；沈阳市皇姑区宁山中路5号6088室（110031）；E-mail:foxchang@163.com