【doc】遮阳板在建筑节能中的应用研究

【doc】遮阳板在建筑节能中的应用研究 遮阳板在建筑节能中的应用研究 第26卷第3期 2005年6月 太阳能 AcrAENERGIAEs01.ARISSINICA Vo1.26.No.3 JuIv,2005 遮阳板在建筑节能中的应用研究 张欢,杨斌,由世俊,曹治政2 (1.天津大学环境科学与工程学院,天津300072;2.天津大学建筑研究院,天津300072) 摘要:太阳辐射对供暖,空调负荷有重要的影响.在中国北方地区的建筑物的窗和墙面上,夏天希望尽可能 的减少太阳照射,而冬天则希望多得到太阳照射.因此,遮阳板的合理设计就成为建筑节能的一个重要途径. 该文根据天津地区典型气象年的气象资料,对该地区建筑南向窗遮阳板的构造进行建模分析,并对其节能前景 进行预测.考虑到建筑物美观,遮阳板自身材料及建筑的层高等因素,在保证冬季的日照的前提下,天津地区 南向窗遮阳板宽度宜取0.5,0.9m,距窗户上沿距离0.5,0.8m.安装遮阳板后,南向窗每个夏季可减少太阳辐 射得热80,110MJ/m2. 关键词:遮阳板;建筑节能;太阳辐射;典型气象年 中图分类号:TK51文献标识码:A 0引言 遮阳的措施很多,概括的可以分为三大类:利 用绿化的遮阳,结合建筑构件处理的遮阳,专门设 置的遮阳….其中专门设置的遮阳包括外遮阳,百 叶内遮阳,内遮阳加镀膜,活动百叶外遮阳等l2]. 本文重点讨论的遮阳板属于外遮阳. 本文根据天津地区典型气象年的气象数据J, 并应用MATI_AB软件对典型气象年的气象数据进行 多项式拟合,从而为建模计算提供一个气象资料数 据库.通过对典型气象年气象资料中水平面太阳直 射辐射强度的拟合,水平面上太阳直射辐射强度 已成为日期凡和时问t的函数,即H(凡,t). 为建模并编程计算提供了原始气象资料的依据. 太阳辐射得热是夏季空调负荷的重要组成部 分,同时也是冬季采暖负荷的安全系数.因此合理 的遮阳,能够尽量多的减少夏季室内的太阳辐射得 热,同时尽可能多的增加冬季室内的太阳辐射得 热.遮阳板作为一种有效的外遮阳设备,在欧美等 发达国家已有很多应用,但在我国仍较为罕见.因 此对其进行研究具有显着的现实意义. 1遮阳板数学模型的建立 窗户上遮阳板的宽度与遮阳板距窗户上沿 收稿日期:2003—08一o8 的距离D之间关系是遮阳板构造的数学模型中首先 要解决的问….太阳照射在南墙面时,若太阳高 度角较高,则在南向及接近南向的窗户上,宜设置 水平式遮阳.这种遮阳能形成很大的遮阳区,在降 低南墙表面温度和防止阳光直射窗户方面能达到很 好的遮阳效果,如图1所示. 上 图1遮阳板构造的数学模型 Fig.1Mathematicalmodelofshade 遮阳板宽度W=nc:bd,遮阳板到窗户下沿的 3期张欢等:遮阳板在建筑节能中的应用研究 距离H=D+h H=眦bc=??sea),cc=b'c?tghbc=b'c 则CC=??secTtgh H=W'secytgh=/(cos7ctgh)(1) 式中:hw——窗户高度(本文主要针对住宅建筑, 根据取1.5m); ),——太阳方位与墙面法线的夹角; ^——太阳高度角. 由于同层同朝向各个窗户的遮阳板连接成一 体,故在单个窗户遮阳板长度计算时其长度认为无 限长. 天津地区太阳高度角的计算L4]: sinq~=sin(39.17~r/180) cos~o=COS(39.17~r/180) sin#=0.4sin[(n一79)×2~r/365] cos=(1一sin). sin~o=sin[(t一12)~r/12] COS(~0=COS[(t一12)~r/12] sinh=sinq~sin3+c0sc0sc0s叫(<h<90~) cosh=(1一sin2h) ctgh=cosh/sinh(2) 式中:n——日期(1月1日n=1,12月31日n = 365); ,——时间(日出一日落); ^——太阳高度角; —— 纬度(天津:北纬39~07); —— 赤纬(对于北半球,6月22日夏至, = 23~27.12月22日冬至,=一 23~27.春,秋分,=); 叫——时角(正午12时为零,午前为负,午 后为正,每间隔一小时相差15~). 太阳方位角的计算: sinr=cos3sin~o/cosh cos/-'=(sinhsin~o—sin3)/(coshcos~o) sinA=sin(art/180) cosA=C08(a不/180) cos~"=cosFcosA+sinFsinA(3) 式中:r——太阳方位角(正北r=180~,正南r =, 正西r=90~,正东r=一90~); a——墙面方位角(墙面法线与正南向的夹 角,偏西为正,偏东为负); 以——以弧度表示的墙面方位角; ),——太阳方位与墙面法线的夹角. 因此cos7ctgh是以日期n和时间t为变量的函 数,即fl(n,t)=cos7ctgh.这样在编程计算时 只要确定时间,便可计算在该时刻遮阳板在窗户上 所形成的阴影面积. 2遮阳板尺寸的优化 数学模型的建立,为遮阳板设计提供了计算方 法.根据冬,夏两季太阳高度角,方位角的变化, 最大限度的增大夏季遮挡的太阳能量E,减少冬 季遮挡的太阳能量E.以E一E取最大值时作为 遮阳板,D值优化的判据,并确定适合天津地 区建筑南向窗遮阳板的最佳尺寸.图2给出一个工 程实例. 作为建筑物冷,热负荷的组成部分,太阳辐射 得热热量包括太阳直射热和太阳散射热.太阳直射 对玻璃的入射角和太阳与玻璃的相互位置有关,是 随时间,地点变化的.太阳散射辐射在工程上按各 项同性处理,其对玻璃的入射角按60~计算.对于 我们研究的南墙,属于非水平面,还需要计入地面 反射辐射.由于太阳散射辐射被遮阳板遮住的能量 很少,加之散射热在总太阳辐射得热中比例也很 小,所以在计算中将其忽略. 图2遮阳板的应用实例 Fig.2Appliedexampleofshade 2.1南向窗太阳辐射的计算_5] 南向窗太阳辐射包括直射辐射和散射辐射: H=Hb, + , (4) 散射辐射相对于直射辐射较小,忽略后上式可 近似为 H=Hb.(5) 式中:H——正南向垂直面上太阳总辐射强度; —— 正南向垂直面上太阳直射辐射强 310太阳能26卷 度; .. —— 正南向垂直面上太阳散射辐射强 度. Hb. =Hb×Rb.(6) 式中:——水平面上太阳直射辐射强度; —— 正南向垂直面上太阳直射辐射强度 与水平面上太阳直射辐射强度的比 值. 式中:H由气象资料数据库提供,为日期n 和时间t的函数. Rbs=AOR/[2(cosqgcos3sinco+cusinsin)] (7) ?.=COS[sin~0sinS/(cos~ocos8)](8) 任意垂直面上 AOR=一(sinScosq~cos?')(?一) +(cos3cos7sin)(sinco一sinco) 一 (cos8sin7)(COS(.O一COSf.~))(9) 当y>0时, ?=一min{.,COS [(AB+(A一B+1))/(A+1)]} ?ss=min{?8,COS [(AB一(A一B+1))/(A+1)]; 当y<0时, ?sr=一min{?s,COS [(AB一(A一B+1))/(A+1)]} ?=min{?,COS [(AB+(一B+1))/(A+1)]} (10) 式中:A=coscp/(sinytg0)+sin~/tg7 B=tg[cosq~/tg7一sin~/(sinytg0)] 对于垂直面0=9tY,故可简化为: A=sin~/tg7 B=cosq~tgS/tg?'(11) 2.2通过玻璃进入室内的太阳辐射热量 进入房间内的太阳辐射热量由两部分组成,即 直接透过玻璃的太阳辐射热和被玻璃吸收后传入室 内的热量. : E+(12) 式中:E——直接透过玻璃的太阳辐射热; —— 被玻璃吸收后传入室内的热量; —— 进入房间内的太阳辐射总热量. 天津地区建筑以单层窗为主,忽略遮阳板对散 射辐射的作用,故: E. =Hb. tb(13) 式中:,——单层玻璃对于直射辐射的透过系数; E——南向窗直接透过玻璃的太阳辐射热. E, =Hb, ×b. ×R/(R+R|n)(14) 式中:——单层玻璃对于直射辐射的吸收系数; —— 玻璃外表面与空气之间的换热热阻; —— 玻璃内表面与空气之间的换热热阻; . —— 南向窗被玻璃吸收后传人室内的热 量. 由于普通玻璃本身的热阻值和及值相 比是一个很小的量,故在计算中忽略. 2.3玻璃的太阳辐射透过系数和吸收系数的计算 在计算通过玻璃的13射量时,需要用到玻璃的 太阳辐射透过系数和吸收系数_6,sJ. 太阳辐射射线在玻璃和空气分界面上的反射比 r可按下式计算: r:0.5[sin2(i—i)/sin(i+i) +t(i—i)/tg2(i+i)](15) 式中:——太阳辐射入射角; —— 太阳辐射进入玻璃表面后的折射角; r——太阳辐射线在玻璃和空气分界面上的 反射比. 由图1可推出: COSi=cos7cosh(16) 入射角与折射角之间的关系为: sini/sin/=n/n(17) 式中:n——空气的折射指数,等于1.O; n——玻璃的折射指数,在太阳光谱范围 内,玻璃的平均折射指数为1.526. 当太阳辐射射线以法线方向入射时,i=i= 0,此时: r=(n一n)/(凡+n)(18) 太阳辐射射线通过玻璃时,其射线被玻璃吸收 的百分比: a=1一exp(一KL/cosi)(19) 式中:K——玻璃的?肖光系数,在太阳光的主要波 长范围,该值基本上是一个定值; —— 玻璃的厚度(本次研究取天津市玻璃 厂生产的产品,K=0.345,L= 3期张欢等:遮阳板在建筑节能中的应用研究3ll 0.294). 在已知r和.的值后,可按下列公式求玻璃的 透过系数和吸收系数: t=(1一r)(1一n)/[1一r(1—0)](20) b=0(1一r)/l1一r(1—0)](21) 由以上分析可看出,遮阳板所遮蔽的太阳能量 E是水平面上太阳直射辐射强度H,日期n和 时间t的函数,即E=E(H,n,t). 根据建筑物的外观设计,使遮阳板的宽度在 0,1.5m,距窗户上沿D在0,1.0m间变化,算出在 不同尺寸条件下空调季遮蔽太阳能E与采暖季遮蔽 太阳能E的差值.该值取最大值时,遮阳板的构型 即为天津地区建筑物南向窗遮阳板的最佳构型尺寸. 3遮阳板的节能分析 计算机模拟结果给出了三维的遮阳板节能特性 图,如图3所示.遮阳板节能特性曲线如图4所 示,其中的曲线依次为D=0,1.0m,间距0.1m. 可看出随D的增大,E一E的值增大,且当D> 0.5m后增长的趋势趋缓.在每条D定值曲线上, E.一E取最大值时的值较接近该曲线的D值. 例如:当D=1.0m时,W:1.1m,E一E取最大 值.由于考虑建筑物美观及遮阳板自身材料强度, 一 般板宽不超过1m.可根据支架对于不同材料 遮阳板的承受能力,并且考虑以上各个因素,选取 合理的尺寸. 暑 \ 耀 温 医 期 图3遮阳板节能特性图(三维) Fig.3Energysavingofshade(threedimension) 外遮阳板是简单易行的遮阳方式,对于南向或 接近南向的窗户上,由于夏季太阳照射时的高度角 较高,宜设置水平式遮阳板.这种遮阳能形成很大 的遮阳区,在降低南墙表面温度和防止阳光直射窗 户方面能达到很好的遮阳效果. 暑 \ 耀 温 ?1 一 期 遮阳板宽度/m 图4遮阳板节能不意图(二维) Fig.4Energysavingofshade(twodimension) 4结论与展望 研究结果表明,以E一E的取值来判断南向 窗遮阳板尺寸的合理性,可以最大限度的遮蔽夏季 的阳光,同时保证冬季的日照,有利于建筑节能. 考虑到建筑物美观,遮阳板自身材料及建筑物的层 高,遮阳板距窗户上沿距离D取0.5,0.8m,遮阳 板宽度取使E一E最大时的值,宜取在0.5 , 0.9m之间.安装遮阳板后,南向窗每个夏季可 减少太阳辐射80,110MJ/m2. 利用太阳能光伏发电与遮阳板相结合,不仅可 以有效的减少建筑物供暖和空调的冷热负荷,而且 还可以形成多个建筑型太阳能电站,与电网相联, 为建筑物提供电能,对于建筑节能将产生更大的效 益_9J.遮阳板的普及使用将对建筑节能发挥重要作 用. 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STUDYOFEXERIoRSHADEFoRENERGY—SAV【NGSoFBU?DINGS ZhangHuan,YangBin,YouShijun,CaoZhizheng2 (1.SchoolofEnvironmentScienceandTechnology,T~njmUniversity,Tianjin300072.Ch/n a 2.ArchitecturalandResearchInsthuteofrianfinUniversity,Tianjin300072,China) Abstract:Solarradiationhasgreateffectsonheatingandcoolingloadofbuildings.Gainingm oresolarradiationin winterandlesssolarradiationinsummerisourgoalforbuildingsinnorthChina.Therefore,we ll—designedshade providesawayforenergy— savingsofbuildings.SolargainWassimulatedforexteriorshadeonsourthemwindow ,andthe energysavingsofbuildingsWaspredictedaccordingtotypicalyearweatherdataforTiin.Consideringofsomefactors suchasfacadeofbuildings,materialsofshadeandstoreyheight,simulationresultsshowedthatthewidthofsouthem windowshadeshouldbe0.5— 0.9mandthedistancebetweenshadeandupsideofwindowshouldbe0.5,0.8min Tianjintoensuresunlightandsolarradiationreceivedbywindowsinwinter,andthewindowshadecanhaveaof reductionofinsUlllnler Keywords:shade;energy——savings;solarradiation;typicalyearweatherdata 联系人E—mail:zhhuan@public.tpt.tj.an