水平遮阳板角度在建筑节能与采光分析中的综合应用

李杜，胡国文，陈永明

（盐城工学院 电气工程学院，江苏 盐城　224001）



水平遮阳板角度在建筑节能与采光分析中的综合应用

李杜，胡国文，陈永明

（盐城工学院 电气工程学院，江苏 盐城224001）

摘要：建筑物外水平遮阳板的设置与建筑物外窗的朝向、不同时刻的太阳高度角与太阳方位角等因素相关。为了使水平遮阳板在不同时刻、不同朝向能充分发挥遮阳板的建筑节能效果，并能同时满足建筑采光要求，水平外遮阳应采用可调方式，并且能够根据时间与季节的变化进行调节。理论分析了影响水平遮阳效果的因素，并根据理论推理建立2个尺寸统一的水平外遮阳数学模型，分析不同角度的水平遮阳板在不同时间的遮阳效果。基于分析结果，结合水平外遮阳对建筑节能的影响，并综合考虑建筑的采光要求，得出南京地区建筑正南面外窗的水平外遮阳不同时刻的角度调控策略。

关键词：水平外遮阳；建筑节能；建筑采光；能耗计算

在提倡绿色建筑的今天，建筑遮阳对于建筑节能有着重要的意义。遮阳板作为建筑外遮阳的一种，其主要作用是通过一定的技术手段和相应的计算，设置合理的形式，在夏季可以遮挡强烈的太阳辐射，同时又不影响冬季的供暖和日照的需求［1-2］。为了调节夏季与冬季对太阳能辐射不同需求的矛盾，同时尽可能满足建筑内部的照度需求，比较有效方法就是使用可调式遮阳［3］。

本文以南京地区民用建筑的南向外窗作为研究对象。南京属于典型的夏热冬冷地区，太阳照射南墙面的时间较长，而水平式遮阳板能够有效地遮挡高度较大的从窗口上方投射下来的阳光，因此该地区建筑普遍采用水平式遮阳［4］。

本研究试图通过改变水平遮阳板与窗户形成角度的大小来调节遮阳板的遮阳效果，在定量分析水平遮阳板角度对建筑物冬夏季遮阳效果影响程度的基础上，综合考虑建筑能量消耗与日光需求，给出南京建筑南窗水平遮阳板在各段时间的最佳角度，探索适应南京地区建筑节能需要的活动水平外遮阳的调控策略。

作为本研究对象的南窗尺寸取长1.5m、宽1.5m。根据相关研究，遮阳板长度宜取0.4m，遮阳板距窗户上沿的距离宜取0.4m［5］。

1　基于建筑节能因素的遮阳分析

1.1数学模型

建筑遮阳的节能分析主要采用能耗计算法，而基于能耗的外遮阳系数是衡量遮阳节能效果的关键。其定义是采用外遮阳措施后建筑外窗太阳辐射引起的全年建筑能耗与无遮阳时建筑外窗太阳辐射引起的全年建筑能耗的比值：

式中：SD——外遮阳系数；

q1——建筑模型无遮阳情况下，模拟得到的建筑能耗，kW·h/m2；

q2——对外窗设定遮阳板后，模拟得到的建筑能耗，kW·h/m2；

q3——对外窗设定窗玻璃遮阳系数为0，但外窗不设遮阳措施，模拟得到的建筑能耗，kW·h/m2。

遮阳板结构如图1所示。

图1　遮阳板结构

根据JGJ134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中建筑遮阳的计算公式：

式中：a、b——拟合系数，根据式（1）在能耗计算中按照二次回归拟合得到，针对本次研究对象，夏季aC取0.35、bC取-0.65；冬季aH取0.10，bH取-0.45。

PF——挑出系数，由式（4）计算：

式中：W——遮阳板长度，m；

H——遮阳板到窗户下沿的距离，取1.9m；

θ——遮阳板与墙壁外窗之间的角度，（°）。

1.2计算结果及分析

为了探讨水平遮阳板的遮阳效果及遮阳板的最佳角度，需要分析各角度段遮阳系数在冬夏季的变化规律。南京地区南墙窗户的水平遮阳板各角度段在冬夏季的外遮阳系数计算结果见图2。

图2　遮阳系数计算结果

从图2可以看出，夏季的遮阳系数普遍低于冬季的遮阳系数，夏季为0.97～0.88，冬季为0.98～0.90。可见遮阳板夏季的节能遮阳效果要比冬季的遮阳效果好。同时无论冬季还是夏季，当遮阳板遮阳角度在10°～60°调节时，遮阳系数是呈稳步下降的趋势，遮阳角度越大，遮阳系数越小，节能效果越好。

而当遮阳板的角度调节在60°～90°时，各角度段的遮阳系数略有不同，比如在80°时，遮阳系数的精确值同比90°时要低：80°时夏季为0.876，冬季为0.908；90°时夏季为0.878，冬季为0.910。而在各角度段的精确计算结果比较中，80°的遮阳系数为最低。但是总体上在60°～90°遮阳系数的计算值趋于稳定，并且冬季遮阳系数稳定于0.88，夏季遮阳系数稳定于0.90。因此，从遮阳系数可以看出，遮阳板在60°～90°调节时，遮阳系数处于稳定状态，节能效果基本相同。

2　基于建筑采光因素的遮阳分析

2.1数学模型

采用遮阳系数表示遮阳板对外窗的遮阳效果。遮阳系数是指遮阳板在太阳光照射下形成的外窗日影区面积与外窗表面积的比值［6］，即：

式中：Wime——遮阳板形成的阴影长度，m。

当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。

式中：As——太阳方位角；Aw——墙面方位角；hs——太阳高度角；Ф——地理纬度；δ——太阳赤纬角；w——当时的太阳时角，w=（t-12）×15°，时间在0～24h之间，每间隔1h相差15°［8］。

2.2计算结果及分析

为了探讨水平遮阳板的遮阳效果及遮阳板的最佳角度，需要计算各段角度遮阳系数在各时间段随月份变化的规律，以正午12：00点为例，计算结果如图3所示。

图3　正午12：00时的遮阳系数

从图3可以看出，1、2月份，当遮阳板90°时遮阳系数最小，40°时遮阳系数最大；3月份，遮阳板90°时遮阳系数最小，50°时遮阳系数最大；4月份，10°最小，60°最大；5月份，10°最小，70°最大；6月份，10度最小，60°以上角度段时为满窗遮阳；7月份，10°最小，50°以上角度段时为满窗遮阳；8、9月份，10°最小，70°最大；10月份，10°最小，50°最大；11、12月份，40°最小，90°最大。

根据图3的计算结果，可以根据建筑对采光的需求，进行遮阳板角度的调节。比如春季3月份的中午12点，如果建筑需要尽可能大的采光，便将遮阳板调节至90°；如果建筑需尽可能减少采光，便将遮阳板调节至50°。其它时间段调节也是同样原理：当建筑需尽可能采光时就将遮阳板调节至遮阳系数最小的角度，而当建筑需尽可能减少采光时，就将遮阳板调节至遮阳系数最大的角度。

3　计算结果综合分析

建筑遮阳板的设置需要同时考虑建筑节能因素与建筑采光因素，因此遮阳板的角度调节设置需要同时参考基于建筑节能因素计算的遮阳系数与基于建筑采光因素计算的遮阳系数进行综合分析。现以正午12：00为例进行综合分析。

根据建筑节能因素的分析可知遮阳板的角度在60°～90°调节时，基于建筑节能因素的遮阳系数达到稳定的最低值，因此分析建筑采光因素时，遮阳效果应在60°～90°进行遮阳系数计算值的比较，结果如下：

1、2、3月份当遮阳板90°时遮阳系数最小，60°时遮阳系数最大；4月份，90°最小，60°最大；5月份，90°最小，70°最大；6、7月份，60°以上角度段时为满窗遮阳；8月份，60°最小，70°最大；9月份，90°最小，70°最大；10月份，90°最小，70°最大；11月份，90°最小，70°最大；12月份，90°最小，60°最大。根据比较结果便可以在正午12点时根据需要选择适当的遮阳板角度。比如冬季1月，由于南京处于夏热冬冷地区，建筑需要尽可能增大采光，因此遮阳板采用遮阳系数最小的角度，也就是90°；而夏季8月份由于阳光照射强烈，当需要尽可能减少采光时，遮阳板便采用遮阳系数最大的角度，即60°。

根据8：00、9：00、10：00、11：00、12：00、13：00、14：00、15：00、16：00的基于建筑采光因素的遮阳系数计算结果比较和对于基于建筑节能因素的遮阳系数的综合分析，归纳出一年四季适宜的遮阳板角度如表1～表8所示。

表1　春季最大采光角度

表2　春季最小采光角度

表3　夏季最大采光角度

表4　夏季最小采光角度

表5　秋季最大采光角度

表6　秋季最小采光角度

表7　冬季最大采光角度

表8　冬季最小采光角度

4　结语

遮阳板作为外遮阳形式的一种，直接影响着建筑物的能效管理与采光效应.而遮阳板与墙壁外窗的角度调节可以在避免改变遮阳板尺寸与材质的条件下便利地改善遮阳板的遮阳效果，从而满足人们不同时间对于建筑遮阳的不同使用需求，通过本研究最终得出的结论如下：

（1）遮阳板基于建筑节能的遮阳系数总体上是随着遮阳板角度的增大而减小的，也就是说，遮阳板的角度越大时建筑节能的效果越好.当遮阳板角度由0°～60°变化时，下降趋势偏大；当遮阳板角度增大到60°及以上时，遮阳系数趋于稳定：冬季遮阳系数稳定于0.88，夏季遮阳系数稳定于0.90。

（2）遮阳板基于建筑采光的遮阳系数在同一时间也是随着遮阳板角度的变化而变化的。在综合考虑建筑节能效果前提下，遮阳板的角度应在60°～90°进行选择。而选择具体的角度时需要参考建筑采光遮阳系数的计算值，当需要采光时便采用采光遮阳系数较小的角度；当需避免采光时便采用采光遮阳系数较大的角度。这样根据遮阳系数的计算值比较结果便可以进行建筑采光的调整。

参考文献：

［1］张甫仁，胡启国.住宅建筑窗的水平遮阳方式优化设计及节能分析［J］.西安建筑科技大学学报，2007，39（5）：695-700.

［2］沙华晶，许鹏，汤雯雯.夏热冬冷地区遮阳及自然采光节能优化设计［J］.建筑节能，2012，40（9）：33-36.

［3］李峥嵘，潘欣钰，赵群.夏季遮阳对建筑制冷照明能耗的影响［J］.同济大学学报：自然科学版，2014，42（2）：305-309.

［4］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，2004，43（12）：102-104.

［5］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.

［6］简毅文，王苏颖，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.

［7］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.

［8］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.

江苏省住建厅科技项目（2015ZD61）

中图分类号：TU113

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）05-0107-04

基金项目：国家自然科学基金项目（31501221）；

收稿日期：2015-12-31

作者简介：李杜，女，1983年生，江苏盐城人，硕士，讲师，主要从事建筑节能研究。

The comprehensive application of horizontal external shading based on
building energy saving analysis and building lighting analysis

LI Du，HU Guowen，CHEN Yongm ing
（College of Electrical Engineering，Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224001，China）

Abstract：The building horizontal external shading setting associated with building windows orientations，solar altitude angles and solar azimuths in different times closely.In order to make sure the building energy saving effect can be optimized in different times for different window orientations and the building day lighting demands can be satisfied at the same time，the building horizontal external shading should be adjustable.The factors which influences the effect of horizontal external shading is being theoretical analyzed and two mathematical models with the uniform size is established based on theoretical reasoning.With the mathematical models，the effect of horizontal external shading with different angles in different time is analyzed.Based on these analysis results，the horizontal external shading angle control strategy is obtained for the south outer window in Nanjing city with comprehensive analysis on building energy saving and building lighting.

Keywords：horizontal external shading，building energy saving，building lighting，energy consumption calculation