水平遮阳板角度在室内太阳光采光分析与应用

李 杜, 胡国文, 陈永明

(盐城工学院电气工程学院,江苏盐城 224001)

水平遮阳板角度在室内太阳光采光分析与应用

李 杜, 胡国文, 陈永明

(盐城工学院电气工程学院,江苏盐城 224001)

水平遮阳板不同遮阳角度对太阳辐射的遮阳效果会产生不同影响。为了使尺寸与材料固定的建筑外遮阳在太阳高度角和方位角变化时能够满足遮阳需求在不同季节的变化,需要采用遮阳角度可随之进行调节的外遮阳设计,以满足对遮阳效果的要求。以南京地区典型气象年气象为依据,对该地区住宅建筑南向外墙遮阳板不同遮阳角度下的遮阳系数进行建模分析,从而得出当地南向水平外遮阳的遮阳效果在不同季节及全天不同时刻的变化趋势。

水平外遮阳;遮阳角度;建筑采光;遮阳系数

0 引 言

相关研究表明,采用固定式外遮阳,建筑节能率最高为58.2%;而采用可调控的外遮阳方式,节能率可达72.67%[1]。我国大部地区都处于北回归线以北,太阳照射南墙面时间较长,在南向及近南向的窗口上,宜设置水平式遮阳[2]。而南京正属于典型的北回归线北的夏热冬冷型城市,本文即拟以这一地区的典型气象年气象为依据,对该地区住宅建筑南向外墙遮阳板在不同遮阳角度下的遮阳系数进行建模分析,为工程设计人员提供设计依据。

1 分析方法

遮阳板对外窗的遮阳效果采用遮阳系数进行表示。遮阳系数是指遮阳板在太阳光线照射下形成的外窗日影区面积与外窗表面积的比值,即

式(1)中:Ae为外窗日影区面积,A为外窗表面积,K为遮阳系数,当太阳高度角和方位角随时间变化时相应变化。

对于本次研究水平式外遮阳的遮阳效果,采用相应时期逐时遮阳系数的平均值进行比较与衡量[]。

2 数学模型的建立

2.1 水平遮阳板构造

水平遮阳板的宽度与遮阳板距外窗上沿的距离之间关系如图1所示。图中L为建筑外窗的高度,取值为1.5 m,D为水平遮阳板与建筑外窗上沿的距离,南京市遮阳板宽度的最佳尺寸为0.4 m;W为水平遮阳板的宽度,南京市最佳尺寸为0.4 m;θ为水平遮阳板与建筑外窗之间的角度[]。

图1 水平遮阳板构造图Fig.1 The construction of horizontal shading

2.2 数学模型

研究采用遮阳系数表示遮阳板对外窗的遮阳效果。遮阳系数计算式为K=Wime/H(2)式中:Wime为遮阳板形成的阴影长度,m;H为水平遮阳板与建筑外窗下沿的距离,m;H=D+ W=1.5+0.4=1.9 m。

当计算结果K≥1时,说明遮阳板形成的阴影长度超过或等于窗户底端距遮阳板的距离,为满窗遮阳,K取1。

3 计算结果分析

研究水平遮阳板的遮阳效果,实质上是分析在不同的遮阳角度及时间变换的条件下,外窗平均遮阳系数的变化趋势。取长1.5 m、宽1.5 m的南京市建筑南向外窗作为研究对象进行计算,从而给出各个时间段南京建筑南窗水平遮阳板的最佳遮阳角度。

在计算过程中使遮阳板的角度在0～90°,光照时间在8:00～16:00变化,从而计算遮阳板在四季每个月份的平均遮阳值。在计算结果中以冬季的1月、春季的3月、夏季的7月及秋季的10月为例进行分析,图2～5依次给出了这4个月份的遮阳系数的计算结果。

如图2所示,在冬季的1月,当遮阳角度是90°时,遮阳板的遮阳系数最低。当遮阳角度由90°逐渐减小时,遮阳系数逐渐升高。在不同时点,遮阳系数最高时对应的遮阳角度为(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°)。遮阳板的遮阳系数与建筑的自然光采光效果成反比,即在冬季1月,当遮阳角度为90°时,建筑的自然光采光效果最好;当时间段在9:00～15:00时,遮阳角度在30°时,建筑的自然光采光效果最差。而在冬季,南京属于典型的夏热冬冷地区,因此建筑应尽量增大建筑自然光采光的效果,遮阳角度应设为90°。

图2 1月水平遮阳板遮阳系数Fig.2 Shading coefficient of horizontal shading in January

如图3所示,在春季的3月,当遮阳角度是10°时,遮阳板的遮阳系数最低。当遮阳角度由10°逐渐增大时,遮阳系数逐渐升高。在不同时点,遮阳系数最高时对应的遮阳角度为(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°)。遮阳板的遮阳系数与建筑的自然光采光效果成反比,即在春季3月,当遮阳角度为10°时,建筑的自然光采光效果最好;当时间段在9:00～15:00,遮阳角度在60°时,建筑的自然光采光效果最差。而在春季,南京属于典型的夏热冬冷地区,因此建筑可以根据当时的工作、生活需要进行选择合适的遮阳角度。

图3 3月份水平遮阳板遮阳系数Fig.3 Shading coefficient of horizontal shading in March

如图4所示,在夏季的7月,当遮阳角度是10°时,遮阳板的遮阳系数最低。当遮阳角度由10°逐渐增大时,遮阳系数逐渐升高:8:00时,当遮阳角度超过70°时,遮阳系数为1,即满窗遮阳; 9:00时,遮阳系数为1,即满窗遮阳;10:00时,当遮阳角度超过20°时,遮阳系数为1,即满窗遮阳; 11:00时,当遮阳角度超过30°时,遮阳系数为1,即满窗遮阳;12:00时,当遮阳角度超过40°时,遮阳系数为1,即满窗遮阳;13:00时,当遮阳角度超过30°时,遮阳系数为1,即满窗遮阳;14:00时,当遮阳角度超过20°时,遮阳系数为1,即满窗遮阳; 15:00时,遮阳系数为1,即满窗遮阳;16:00时,当遮阳角度超过20°时,遮阳系数为1,即满窗遮阳。而在冬、夏季,南京属于典型的冬暖夏热地区,因此建筑应尽量减少建筑自然光采光,遮阳角度应选择遮阳系数为1,即满窗遮阳的角度。

图4 7月水平遮阳板遮阳系数Fig.4 Shading coefficient of horizontal shading in July

图5 10月水平遮阳板遮阳系数Fig.5 Shading coefficient of horizontal shading in October

如图5所示,秋季10月,当遮阳角度是10°时,遮阳板的遮阳系数最低;当遮阳角度由10°逐渐增大时,遮阳系数逐渐升高;当遮阳角度是50°时,遮阳板的遮阳系数最高;当遮阳角度超过50°时,遮阳系数逐渐减小。而在秋季,南京属于典型的夏热冬冷地区,因此建筑需根据当时的工作、生活需要选择合适的遮阳角度。

4 结 论

南京地区属于典型的夏热冬冷地区,一年四季气温变化分明,因此遮阳角度的设置应该根据时间的变化而进行调节。

在冬季,气候寒冷,建筑应尽量增大自然光采光的效果,因此遮阳角度应选择遮阳系数数值最小的角度。比如1月遮阳角度应为90°。

在春季与秋季,昼夜温差大,建筑应根据当时的工作、生活需要选择合适的遮阳角度。比如在3月,若建筑需要自然光采光,遮阳角度设为10°。若不需要,遮阳角度可设为遮阳系数最高的值: 8:00时,遮阳角度可设为70°;9:00～15:00时,遮阳角度可设为60°;而比如在秋季的10月,若建筑需要自然光采光,遮阳角度设为10°。若不需要,遮阳角度可设为遮阳系数最高的值,即遮阳角度为50°。16:00时,遮阳角度可设为70°。

在夏季,气候炎热,建筑应尽量减少自然光采光,因此遮阳角度应选择遮阳系数最高的角度。比如在7月,遮阳角度应为满窗遮阳的角度。

[1]田慧峰,孙大明,朱慧宾.广州地区建筑外遮阳节能性能研究[J].建筑节能,2007,35(10):27-30.

[2]简毅文,王芳颖,江亿.水平和垂直遮阳方式对北京地区西窗和南窗遮阳效果的分析[J].西安建筑科技大学学报,2001,33(3):212-217.

[3]丁勇,戴辉自,李百战,等.基于太阳辐射的水平外遮阳调控策略[J].中南大学学报(自然科学版),2012, 43(9):3749-3754.

[4]曹国庆,涂光备,杨斌.水平遮阳方式在住宅建筑南窗遮阳应用上的探讨[J].太阳能学报,2006,27(1):96-99.

[5]魏巧丽,张欢,杨斌,等.天津地区住宅建筑南向遮阳板构型设计[J].暖通空调,2004,34(12):102-106.

[6]张欢,杨斌,由世俊,等.遮阳板在建筑节能中的应用研究[J].太阳能学报,2005,26(3):308-312.

[7]陈一飞.智能型遮阳控制系统的研究及构建[J].安徽建筑工业学院学报(自然科学版),2004,12(4):30-33.

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.

国家自然科学基金项目(31501221);江苏省住建厅科技指导项目(2015ZD61).

李杜(1983-),女,讲师.

时间:2016-05-16T09:23:25.

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

李杜,胡国文,陈永明.水平遮阳板角度在室内太阳光采光分析与应用[J].大连工业大学学报,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.