苏州地区公共建筑常见外遮阳形式应用效果研究

2020-06-29 07:45朱小波启迪设计集团股份有限公司江苏苏州215021
建筑科技 2020年6期
关键词:外窗辐射量百叶

朱小波(启迪设计集团股份有限公司,江苏 苏州 215021)

人们对建筑舒适性要求的提高以及绿色建筑的发展,推动了各种建筑节能技术的快速发展。与建筑围护结构中的墙体和屋顶相比较,外窗又属于薄壁轻质型构件,因此也成了建筑能耗损失较严重的部位,尤其是夏季通过窗户玻璃的太阳辐射传热,对于室内环境的舒适性有着很大的影响,同时也增加了空调的能耗[1]。不同地区由于气候条件的差异,对于外窗的要求也不同,如夏热冬冷地区对于外窗的夏季隔热以及通风能力的要求严格,热环境条件比较恶劣,东、西、南 3 个方向的墙面在夏季直接受到大量的太阳辐射,通过无遮阳窗进入室内的太阳辐射能占到空调能耗的23%~40%[2]。基于公共建筑耗能大的特点,本文以江苏省苏州地区一公共建筑为例,对其外窗外遮阳形式的应用效果进行探讨研究。

1 外遮阳概述

1.1 遮阳类型

建筑遮阳系统所涵盖的类别比较广泛,包括诸如建筑朝向、植被、外围护结构等,凡是能减少太阳直接辐射热进入室内的均可作为遮阳的因素[3]。建筑外遮阳指设于室外的阳光遮挡物,这也是目前被广泛采用的遮阳方式。外遮阳在形式上又分为水平式、垂直式、挡板式和综合式几种类型[4],如图 1 所示。

图1 外遮阳的 4 种类型

1.2 不同类型遮阳方式适用范围

根据夏热冬冷地区的热工设计特性,目前常见的外窗遮阳形式及适用场合[5]主要如下。

(1)水平遮阳:遮挡太阳高度角大且从窗口上方投射下来的太阳光,适用于接近南向的窗户。

(2)垂直遮阳:遮挡太阳高度角大且从窗侧斜射过来的太阳光,适用于接近东北、北和西北向的窗户。

(3)挡板式遮阳:遮挡太阳高度角中等且从窗前斜射过来的太阳光,适用于东南向的窗户。

(4)综合式遮阳:遮挡高度角较小且正射窗口的太阳光,主要适用于东西向附近的窗口。

2 案例研究

2.1 案例选择

选择苏州地区一栋办公楼为研究对象,并对建筑能耗损失严重的部位(窗户)变换其遮阳方式进行模拟,考虑其冬夏两季的建筑能耗,分析得出不同方向适用的遮阳方式。由于该地区夏天太阳辐射较强,为了有效地降低空调能耗,对于建筑外遮阳的选取显得尤为重要。基于案例所处地区气候特点,即夏季需要空调、冬季需要采暖,因此活动外遮阳会获得比固定外遮阳更好的效果。

2.2 案例模拟

基于不同类型遮阳方式的适用范围,模拟分为以下几种情境。

(1)南向外窗。由于地理位置、建筑朝向的影响以及人们对建筑外观的追求,南向的窗户面积所占的比例在不断增加,因此该方向的窗户节能问题必须引起密切关注,并同时考虑冬季保温和夏季隔热问题。

水平百叶遮阳:通过变换水平百叶的角度,得出最佳遮阳效果的百叶角。

模拟结果分析:冬季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射量如图 2 所示,冬季不同角透过外窗的总太阳能辐射量如图 3 所示,夏季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射量如图 4 所示,夏季不同角透过外窗的总太阳能辐射量如图 5 所示。由图 2~图 5 可以看出,透过外窗的太阳辐射量都在 13:00 左右达到最低值,且遮阳百叶旋转一定角度时,透过外窗的太阳辐射量均低于水平遮阳;在 12:00 和14:00 左右不同角度的遮阳均达到最大值,且在百叶向上旋转 60° 时,透过外窗的太阳辐射量最大。因此,在冬季,百叶遮阳向上旋转 60° 较为合适。在夏季,分别设置百叶水平,向下旋转 30° 及向下旋转 60°,从模拟数据上来看,百叶的存在使得透过窗户进入室内的太阳辐射量几乎为零。由此可知,遮阳百叶保持水平或向下旋转任何角度,都可以保证室内接收不到太阳辐射。

图2 冬季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射量

图3 冬季不同角度透过外窗的总太阳能辐射量

图4 夏季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射量

图5 夏季遮阳不同角度透过外窗的总太阳能辐射量

(2)西向和北向外窗。考虑到夏季太阳的位置,中午 12:00 后,太阳逐渐向西,建筑的西向受到太阳辐射;15:00 以后北向外窗会受到太阳直射辐射,因此在西侧和北侧设置垂直固定百叶遮阳,通过变换百叶的角度,分析得出最佳的遮阳效果角。

模拟结果分析:西向外窗冬季不同时间段透过外窗的太阳辐射量如图 6 所示。由图 6 可以看出,西向从 13:00 开始接收太阳辐射,在该方向接收太阳辐射的整个时间段,当垂直的百叶向南旋转 60° 时,可以在各时间段内获得更多太阳辐射,其次是向南旋转 30° 时接收到的太阳能,并远远大于向北旋转百叶时获得的太阳辐射能,如图 7 所示。因此,在冬季可以将西向的窗户外遮阳角度固定在向南旋转 60° 左右,这样可以有效地降低冬季的采暖能耗。

图6 西向冬季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射量

图7 西向冬季不同角度透过外窗的总太阳能辐射量

西向夏季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射量如图 8所示,西向夏季不同角透过外窗的总太阳能辐射量如图 9 所示。从单日的模拟结果可以看出,无论垂直遮阳百叶旋转任何角度,其变化趋势都呈现先增加后减少的趋势,基本在 14:00 达到最大值,之后逐渐降低,直至该方向不再接收到太阳辐射。比较模拟设置的 4 种旋转角度,向南旋转30° 时,透过外窗的太阳辐射最多;15:00 之前,向北旋转30° 时,透过外窗的太阳辐射最少;15:00 之后,向南旋转60°,透过外窗地太阳辐射最少。基于夏季制冷的需求,该方向的外窗垂直遮阳百叶在 15:00 之前,应该保持向北旋转30°左右;15:00 以后,应该向南旋转 60°,这样可以使得夏季的制冷需求减少,从而降低建筑能耗。

图8 西向夏季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射量

图9 西向夏季不同角透过外窗的总太阳能辐射量

北向夏季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射量如图10 所示,北向夏季不同角透过外窗的总太阳能辐射量如图11 所示。模拟结果显示,北向外窗的垂直遮阳百叶,在向东旋转 30° 时,进入室内的太阳辐射最少,且向东旋转 60°进入室内的太阳辐射能远大于向东旋转 30° 和与窗户处于垂直时的太阳辐射能。向东旋转 30° 和垂直位置获得的太阳辐射能相差不多。因此,在夏季时,保持北向外窗的垂直遮阳百叶处于垂直位置和向东旋转 30° 时,可以有效降低夏季的制冷能耗,从而降低建筑能耗。在冬季,北向外窗不会接收到太阳直射辐射,因此外窗百叶的角不会对进入室内的太阳辐射造成任何影响,不对其作要求。由分析结果可以得出,北向外窗可以保持垂直遮阳百叶处于垂直位置和向东旋转30°范围内,必要时可以做成可拆卸外遮阳,在冬季不需要遮阳,这样可以使外遮阳起到更好的效果。

图10 北向夏季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射

图11 北向夏季不同遮阳角度透过外窗的总太阳能辐射量

3 结 语

(1)基于前人研究及本文验证,在该地区,活动外遮阳可以获得比固定外遮阳更好的效果。

(2)对于不同朝向的外窗,应选择最有效的遮阳方式来降低采暖空调能耗。① 对于南向外窗,宜设置水平活动遮阳百叶。冬季,百叶遮阳向上旋转 60° 左右可以使其接收到的太阳辐射能最多;在夏季,保持遮阳百叶水平或者向下旋转任意角度,可以有效降低建筑能耗。② 对于西向外窗,宜设置垂直活动遮阳百叶。在冬季可以将西向的窗户外遮阳百叶向南旋转 60° 左右,在 15:00 之前,应该保持向北旋转30° 左右;15:00 以后,应该向南旋转 60°,如此可以有效的降低建筑能耗。③ 在夏季时,保持北向外窗的遮阳百叶处于垂直位置和向东旋转 30°,冬季可拆除外遮阳,如此可以有效地降低建筑能耗。

本研究针对不同朝向外遮阳形式对建筑能耗的影响,提出了不同朝向的遮阳形式的选取,在控制变化因素上依然存在一定的局限性,期待在后续的研究中,可以综合考虑外遮阳的采光、通风,以及新技术的遮阳形式,提出更加准确的遮阳形式的选取方式,以获得更好的遮阳效果。

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