南向窗水平遮阳板的尺寸计算

SOI.ARENERGY...翻目骊那胆聪口南向窗水平遮阳板的尺寸计算云南师范大学太阳能研究所.李琳张有刚唐润生韩雷涛一引言建筑节能是目前我国节能工作的一项重要内容。我国每年建造的房屋超过20亿平方米,超过所有发达国家的总和,但是与发达国家相比,这些建筑大部分都是高耗能建筑,仅单位建筑面积的采暖能耗就比发达国家高2倍以上。随着人们生活水平的提高,空调能耗在我国建筑能耗中的比例也迅速增加,逐步成为建筑能耗中的一个重要部分,建筑能耗已成为我国的能耗大户。因此,在能源供应日益紧张的今天,建筑节能迫在眉睫。直射阳光进入室内是造成室温升高的主要原因。因此,在炎热的夏季,我们希望尽可能地减少进人室内的太阳辐射得热;而在寒冷的冬季则希望尽可能多地增加太阳辐射得热。我国大部分地区都处于北回归线以北的地区,太阳照射南墙的时间较长,在南向及接近南向的窗上设置遮阳装置,对建筑节能具有显著的现实意义。本文以建筑南向窗为研究对象,针对水平遮阳方式,依据窗户所处的地理纬度和方位角以及实际的要求,对遮阳板的构件尺寸建立计算模型,为设计人员提供设计依据。的长度l、遮阳板距窗户上沿的距离b、窗户的高度h之间的关系,是构造遮阳板计算模型中所要解决的问。遮阳板的设计尺寸与地理纬度、太阳位置、设计要求以及窗的方位角(即窗的法线在水平面上的投影与正南方向之间的夹角)有关。二遮阳板构造的计算模型遮阳板的设计是以太阳高度角(观测点处太阳光线与水平面间的夹角)的不同为设计依据。理想情况是在需要提高室温的时候,让太阳的直射点刚好落在窗户的上沿.而希望室温降低的时候,则恰好使太阳的直射点落在窗户的下沿,这样就可以起到降低建筑冷暖负荷的作用。1遮阳板构造水平遮阳可以在南向及接近南向的窗户上形成很大的遮阳区,可以在降低南墙面温度及防止阳光直射窗户方面达到很好的效果。本文结合我国建筑遮阳板的实际安装情况,以水平遮阳板为研究对象,对遮阳板进行了建模与计算方法的讨论。如图1所示,窗口上的遮阳板的宽度a、遮阳板2太阳参数(l)太阳赤纬角6:太阳光线与赤道面的夹角。赤纬角的大小与一年中太阳所处的位置有关,其变化范围为一3027‘(冬至)一23027’(夏至),可近似按下式计算:占=23.450xsin[360x(284+n)/365]式中n为一年的日序,l月l日,n=l;12月31日,n=365。(2)太阳时角:太阳光线与观测点所在位置的子午面的夹角。计算公式为:切=(m一12)x15o(2)式中m为观测时间(太阳时),太阳时角上午为负,下午为正。(3)太阳时的计算计算太阳角度的公式中,所涉及到的时间都是当地太阳时,它与日常使用的时间并不一致,我国以北京时为标准时间,转换公式为:太阳时=北京时+E+4(L,厂Lloc)(3)式中E为当天的时差(地球自转影响),单位min;可由公式E=229.2x(0.000075+0.001868cosB-SOLARENERGY2120080.032077sinB一0.014615eos2B一0.04089sin2B)计算,360365(n一l),1《n《365。Ls:为当地时区的标准子午线;Lloc为当地的经度(以东经经度表示)。(4)太阳位置的计算以矢量来表示太阳位置和直射太阳光线的方向,在赤道坐标系中,太阳位置矢量为ns=(n;,ny,nz,)=(eos茂050,,一eos倪in田,sin占);在地平坐标系中,太阳位置矢量为ns’=(nx’,呵,nz’),其中nx’=eos茂05二05入+sin倪in几n扩=一eos加in田(4)nz’=一eos茂05眺in解sin倪05入式中几为窗户所处的地理纬度。3遮阳板尺寸的计算模型太阳直射辐射是使室温升高的一个重要因素。因此,进行纵向尺寸的设计时,夏季要求尽可能少地让太阳光透过窗户进人室内,以降低室内的热负荷;冬季则要求尽可能多地太阳光透过窗户进入室内以提高室温,减少采暖用能。遮阳板的尺寸设计以满足上述要求为前提,以尽量节约材料的用量为目的进行设计。太阳位置用矢量来表示:ns’二(nx”药”八”),其电刚好全部遮阴时的太阳位置矢量加s’钊久.”药l”八1”无刚好满窗时的太阳位置矢量为:nse《ha”,勺”,、”)。(1)纵向尺寸计算模型遮阳板纵向尺寸(宽度a)的设计以太阳高度角作为设计依据,以遮阳板为研究对象建立坐标系。为确定遮阳板尺寸,将太阳光线投影到x”z’’平在实际工程设计中,南向窗并不总是面向正南,因此,在设计南向窗户的遮阳板时应进行相应的坐标旋转,将地平坐标系绕x’轴旋转必角,必角为南向窗的方位角,即南向窗的法线在水平面的投影与正南向的夹角。坐标旋转后太阳位置矢量为:n厂=nx’=cos茂05‘05解sin占sin大ny”=一eos由in忧05必代05茂05眺in几sin必-血茂咙几访必(5)nz”=一cos占sin田sin必一eos茂05此in舰05必-面么刚好全部遮阴时,tan焦1=会=;,二,因此D+n_网s生in此礴一(一cos彻s此i‘许sin茂os助cos明a一}一,,,万,一-,,,二,一二爪二下,二一一}LCos戊05状05肠sm优以」x(b+h)(6)刚好满窗时,tan‘二瓮=令,得到卜05倪in拐加必一(一cos茂05此加认+sin茂05几)eos区a二二l—LcosOCoso刃05人+sm出”1人xb(7)式中民为太阳阴影角,即太阳光在x”z”面上的投影与窗户所在墙面的夹角。我国大部分地区都处于北回归线以北,因此太阳高度角在夏至日最大,太阳阴影角氏最小,并以夏至日为对称点太阳阴影角民逐渐增大;冬季,冬至日的太阳高度角最小,相应的太阳阴影角民的值为全年最大,并以这一天为对称点太阳阴影角氏逐渐减小。将工程设计所要求的需要刚好遮阴或满窗SOLARENERGYZ/2008SOLARENERGY刘幽..自‘..脸.目翔的日期(n)、时段(叻、窗户所处的地理纬度以及南向窗的方位角带入计算式,即可得出满足工程设计要求的纵向遮阳板尺寸。(2)横向尺寸的计算模型横向尺寸(长度O的设计以太阳高度角作为设计依据,以遮阳板为研究对象建立坐标系。左边(正午12点以后,太阳时为正),全部遮阴时,、an。二华=共,因此nxl口+月l,二卜鲤旦粤粤卿黔禁吵叫LCOS哎天二05侧COS人+5111咙Ul人]x(b+h)(10)满窗时,tan户_一nyZ_12n、Zb因此05击in忧05必+(一eos茂05此in又+sin茂05助sineos改05。￡05解sin倪li认团(11)r卜尸lesesesi窗口了卜”X图5遮阳板横向尺寸(右边)右边(正午遮阴时,tafla12点以前,一n每,11太阳时为负),刚好全部n、lb+h因此11=卜茂in状05必+(一eos茂05此in又十sin茂05助sineos茂05。刃05大+sin击in入到x(b+h)(8)刚好满窗时,tana一nyZ_11n飞:b得到,,二阵塑竺些牛些丝卿禁擎旦业叫Lcos戊05状05肠sm仍爪人J(9)三以昆明地区为例遮阳板尺寸的合理取值范围在实际生活中为了达到要求,遮阳板的纵向尺寸a至少要大于1.7m,这会导致遮阳板到窗户上沿的距离过长。实际上,一般住宅建筑的层高小于3m,这样的尺寸无论是从建筑美学,还是从工程实际上来看并不符合要求。因此,在设计遮阳板尺寸时只能尽量兼顾冬夏两季的日照要求。在计算日期的选取上,考虑到我国大部分地区月平均室外气温最低是1月,最高是7月,为保证在最冷期维持较高的室内温度、最热期保持较低室温,因此,选大寒日作为设计遮阳板尺寸的计算日期。大寒日太阳高度角比冬至日同一时刻高度角有所提高,在保证日照时间的情况下,遮阳板的纵向尺寸有所减小,有利于节省遮阳板材料的用量,使遮阳板的纵向尺寸不致过大。建筑对住宅日照的要求也是通过大寒日来测定的。本文只给出由具体计算结果生成的数据图。以昆明地区为例,计算日期和时间选取大寒日9:30和14:30,以实现当天的满窗日照不小于3小时。由文献[2]可知,无论冬季还是夏季,遮阳板的遮阳系数都是随遮阳板纵向尺寸的增大而增大,这对夏季遮阳有利,但对冬季获取太阳辐射得热不利。当纵向尺寸a=0.5m时,基本能满足夏季遮阳和冬季得热的综合要求。由于遮阳板的遮阳系数均随遮阳板距窗户上沿距离b的增大而减小,因此增大b不利于夏季的遮阳,却有利于冬季的太阳得热。根据文献【2]的结论,取b=0.5m。SOL八RENERGY刀20081昆明地区遮阳板纵向尺寸的合理取值范围昆明地区遮阳板纵向尺寸的计算公式为a=0.os4sin份0·697cos必(12)a=一0.084sin必十0.697eos必大寒日9:30和14:30实现满窗照射的遮阳板纵向尺寸如图7所示。其中,红线为9:30,蓝线为14:30。由图7可以看出,在9:30一14:30点之间,为实现不少于3小时的满窗照射,遮阳板纵向尺寸应取图中两线所示范围的交集。兀_当一二《必《0,a《0.O84sin必+0.697cos必;2兀当0《必《万,a《一o·084sin必+0·697cos必。四前景和展望直射阳光进入室内是造成室温升高的主要原因,对进入室内的阳光进行有效的控制,将对建筑节能起到积极的作用。夏季采取建筑遮阳具有巨大的节能潜力,而且在改善室内热环境、调节室内光线分布、防止眩光、减少紫外线的破坏等方面都能起到很好的作用。精心设计的遮阳措施还可以帮助创造室内光环境。同时,外遮阳装置丰富了建筑物的造型,创造了不同的视觉形象。建筑师可以根据建筑设计的需要自行设计遮阳措施,也可直接选择遮阳成品,或与其生产商合作设计特制的遮阳产品,如可调的遮阳装置。随着我国夏热冬冷地区居住建筑节能标准的实施,及夏热冬暖地区居住建筑节能标准的编制,建筑节能越来越受到重视,建筑遮阳的应用将更加广泛。2昆明地区遮阳板横向尺寸的合理取值范围昆明地区遮阳板横向尺寸的计算公式为l,=0.084cos日eso.697sin必”一一’一’一尸一’一’一’“(13)l:=一0.084eos必一0.697sin必大寒日9:30和14:30实现满窗遮阳板右边的横向尺寸如图8所示。红线为9:30,蓝线为14:300昆明地区遮阳板横向尺寸的合理取值范围为11《0.084eos必一0.697sin必,l:《一0.084eos必-0.697sin必。从图7和图s可以看出,遮阳板的纵向尺寸随必角的增大而减小;而遮阳板的横向尺寸随必角的增大而增大。五结束语计算模型的建立,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,最大限度地遮挡夏季太阳辐射能量、冬季最大限度的透过太阳辐射能量,是建筑节能的一个重要途径。合理地设计和利用遮阳板不仅可以美化建筑外观,而且还可以有效地减少建筑的冷热负荷。随着遮阳板的普及,必将对建筑节能领域产生重要的影响。参考文献【l]张欢,杨斌,等.遮阳板在建筑节能中的应用研究[J].太阳能学报,2(X)5,3:308一312.12]魏巧丽,张欢,等天津地区住宅建筑南向遮阳板构型设计[J1.暖通空调,2004,12:102一104.f3]李铁强,罗军.遮阳板尺寸计算[J].河北工业科技,2005,1:20一24.[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田.太阳能学报,2(X)6,1:96一100.[5]张雯.遮阳在住宅上的应用IJ].住宅节能,2003,1:38一40.f6]DuffieJA,BeckmanWA,SolarEngineeringofThermalPr0eesses(Znded)[M],Jo恤wiley&sons,Ine.z991.臼三ESOLARENERGY212008