水平外遮陽的影響因素分析與實驗研究

根據(jù)之前的研究，采用固定的外裝飾法可以節(jié)省58.52%。可以調(diào)整的水平外裝飾比例可達72.67%。建筑外遮陽在大幅度降低建筑能耗的同時,還能有效改善室內(nèi)自然采光環(huán)境。對于外遮陽的設(shè)置,夏季需在白天時段盡可能降低進入室內(nèi)的太陽輻射,以降低空調(diào)負荷,并營造良好的室內(nèi)光環(huán)境;冬季需盡可能擴大進入室內(nèi)的太陽輻射。而由于太陽高度角和方位角的變化,在夏熱冬冷地區(qū),例如重慶,在建筑的不同朝向、形式和大小上都基本一致的固定式遮陽無法滿足這一遮陽需求。因此,需要設(shè)置可以隨太陽高度角和方位角進行調(diào)節(jié)的活動式外遮陽,以滿足對遮陽效果的需求。本文通過研究夏季不同朝向、不同挑出長度的水平外遮陽的遮陽效果,探索適應(yīng)重慶地區(qū)建筑活動水平外遮陽的調(diào)控策略,為更好地實現(xiàn)建筑外遮陽的效果提供實際操作指導(dǎo)。1水平外的遮陽功能1.1太陽輻射的變化太陽輻射照射到外窗表面后,一部分被反射,不成為房間的得熱;一部分直接透過外窗進入室內(nèi),全部成為房間得熱;還有一部分先被外窗玻璃吸收使玻璃溫度升高,然后,其中的一部分以對流和輻射的形式進入室內(nèi)成為房間的得熱。室內(nèi)空調(diào)負荷與室內(nèi)得熱有密切關(guān)系,太陽輻射引起的室內(nèi)得熱增加將顯著提高室內(nèi)空調(diào)負荷,因此,采用外遮陽可減少透過外窗進入室內(nèi)的太陽輻射,從而達到減少夏季空調(diào)負荷的目的。對于建筑垂直面圍護結(jié)構(gòu)即外窗,當(dāng)晴天無外遮陽時,其表面接收的太陽輻射IZ主要為太陽直射輻射IDV、太陽散射輻射ISV和地面的反射輻射IRV3者之和。設(shè)置外遮陽后,外窗上會形成陰影區(qū),該陰影區(qū)內(nèi)將不能接收太陽直射輻射,因此,進入室內(nèi)的太陽輻射量將減少。垂直面的太陽直射輻射計算如下:其中:IDN和IDV分別為地球法線平面和垂直面的太陽直射輻射強度(W/m2);I0為太陽常數(shù);β為太陽高度角(°);P為大氣透明度等級;γ為墻面法線和陽光投影線的夾角(°);As為太陽方位角(°),太陽偏東為負,偏西為正;Aw為垂直墻面方位角(°),以正南點為0°,順時針方向(偏西)夾角為正,逆時針方向(偏東)夾角為負。根據(jù)地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的運行規(guī)律,太陽高度角與太陽方位角之間的關(guān)系可由式(4)和式(5)計算得到。其中:φ為地理緯度(°);δ為太陽赤緯角(°);h為時角(°)。經(jīng)綜合可知:太陽高度角和太陽方位角的變化,將直接導(dǎo)致地球法線平面以及建筑圍護結(jié)構(gòu)的垂直面太陽輻射強度變化。太陽高度角越大,地球法線平面太陽輻射強度也越大。而且某地接受的太陽輻射量的大小,與大氣的透明度及云量有直接關(guān)系。例如,位于北半球的重慶地區(qū),夏季的太陽高度角、大氣透明度等級較冬季高,但云量較冬季小。因此,夏季(尤其是7、8月份)室外太陽直射輻射比冬季大,見圖1。而各個垂直墻面由于方位角不同,垂直墻面太陽輻射強度也存在差異。由圖1可見:在7月份,西向墻面月平均輻射強度約為北向的2倍;西向墻面8月份的月平均輻射強度為1月份的3倍。由此可見:一方面,夏季太陽輻射值高,需要降低透過外窗進入室內(nèi)的太陽輻射,而冬季則需要利用透過外窗進入室內(nèi)的太陽輻射;另一方面,在同一季節(jié)同一天的不同時刻,在建筑的各個朝向上,太陽輻射值具有明顯的差別,這對于外遮陽的設(shè)置的合理性要求也不盡相同。因此,研究合理的外遮陽設(shè)置及控制策略,以適應(yīng)變化的天氣狀況和資源狀態(tài),提高遮陽性能,是有效利用外遮陽降低室內(nèi)空調(diào)負荷并營造良好室內(nèi)環(huán)境的關(guān)鍵。1.2水平外日照時數(shù)又出現(xiàn)明顯的進步水平外遮陽是通過在外窗上形成陰影,減少進入室內(nèi)的太陽直射輻射達到遮陽的效果,形成的陰影面積越大,遮擋的太陽直射輻射也越多,遮陽效果就越顯著。影響陰影面積大小的因素眾多,主要有:水平遮陽的外形、外窗朝向和太陽的方位(即時刻)。而陰影的幾何參數(shù)可以根據(jù)計算時刻的太陽高度角β和墻面法線和陽光投影線的夾角γ計算得到,如圖2所示。假設(shè),水平外遮陽的挑出長度為X,則可由式(6)和(7)計算得到水平遮陽陰影的深度T和陰影的偏移量M:其中:T為水平遮陽陰影的深度(m);X為水平外遮陽的挑出長度(m);M為水平遮陽板陰影的偏移量(m)。由式(6)和(7)可知,陰影的深度T和偏移量M與水平外遮陽的挑出長度成正比,與太陽高度角β成正相關(guān)。當(dāng)墻面方向一定時,墻面方位角也就一定,1d內(nèi)太陽方位角As由負至正,進而引起γ變化,陰影偏移量M先減小后反向增加,而陰影深度T變化不定。因此,水平外遮陽由于挑出長度、太陽高度角和太陽方位角參數(shù)的變化,作用效果將存在明顯的差別。評價水平外遮陽效果,需要綜合考慮挑出長度、遮陽朝向、太陽高度角、太陽方位角參數(shù)的影響。根據(jù)研究測算表明:南向外遮陽在10:00時刻,太陽高度角為54°,太陽方位角為-82.37°,窗陰影區(qū)域占窗戶面積比例為93.2%;在12:00時刻,這一比例變?yōu)?00%;在14:00時刻,這一比例又降低至73.7%。由此可知:1d中各時刻外遮陽在窗上形成的陰影區(qū)域處于不斷變化的過程,其大小與外遮陽長寬、建筑朝向和太陽方位等參數(shù)密切相關(guān)。2外接枝的設(shè)置通過上述分析已得水平外遮陽效果會受到外遮陽長寬、建筑朝向和太陽方位角的影響。為尋找高效的外遮陽設(shè)置參數(shù),使水平外遮陽的設(shè)置既能最大限度地滿足遮陽的需求,又能滿足自然采光的需求。通過實驗測試并結(jié)合理論分析,在不同遮陽、遮陽朝向和太陽方位角(隨時間變化)下進行水平活動外遮陽設(shè)置策略研究。2.1幾何相似原理和實驗場景由于太陽光不因模型比例的縮小而改變自身的特性,且室內(nèi)某點的太陽輻射和照度也不會因為比例的縮小而變化。因此,實驗利用幾何相似的原理,構(gòu)造幾何相似比例為1:3的房間模型,并且保證模型房間和實際房間的室內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)的顏色和反射率一致。開展實驗測試房間內(nèi)的太陽輻射值和照度值,分析比較遮陽前后的室內(nèi)太陽輻射和室內(nèi)照度變化,以便反映水平外遮陽的遮陽效果。根據(jù)幾何相似原理并依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計3個房間模型,測試研究的水平外遮陽朝向分別為東南、南和西南。參照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,確定室內(nèi)外太陽輻射和照度的布點(1,2,3和4)和測試的方法(圖3)。2.2外日照時數(shù)調(diào)節(jié)外相植物簡介為分析不同挑出長度水平遮陽的遮陽效果,研究中給出5種水平外遮陽挑出長度分別為0(無遮陽),0.3,0.6,0.9和1.2m,并在重慶地區(qū)夏季典型的晴天天氣條件下,實測西南,南和東南3種朝向水平遮陽,并得到3種朝向5種水平遮陽挑出長度下8:00,10:00,12:00,14:00和16:00的室內(nèi)太陽輻射值和室內(nèi)照度。對數(shù)據(jù)進行處理時,室內(nèi)太陽輻射值取室內(nèi)各個測點太陽輻射值的平均值,室內(nèi)照度取室內(nèi)各個測點照度的平均值,室內(nèi)太陽輻射降低幅度以同時刻、同方向的水平遮陽挑出長度為0(無遮陽)時室內(nèi)太陽輻射為基準(zhǔn)。實驗結(jié)果表明:對于同一時刻下的南向水平外遮陽,隨著挑出長度的增加,室內(nèi)太陽輻射降低但幅度逐漸變緩,其中由0m增至0.3m時降低幅度最大。在8:00時刻,外遮陽挑出長度分別為0(無遮陽),0.3,0.6,0.9和1.2m時,水平遮陽引起的室內(nèi)太陽輻射降幅變化趨勢如圖4所示,每增加的0.3m挑出長度引起的室內(nèi)太陽輻射降幅分別為17.4%,15.7%,4.3%和9.6%。由圖4可知:當(dāng)水平外遮陽挑出長度達到0.6m后,再增加外遮陽的挑出長度對降低室內(nèi)太陽輻射幅度作用已不明顯,稱此狀態(tài)點為外遮陽效果的分界點。表1所示為南向遮陽每增加0.3m遮陽室內(nèi)太陽輻射降低百分比。類似地,由表1可知:在10:00,12:00,14:00和16:00時刻,外遮陽效果分界點分別在0.6,0.6,0.6和0.3m。此時,在8:00—14:00時段和14:00—16:00時段分別按0.6和0.3m設(shè)置水平外遮陽后,8:00—14:00時段內(nèi)8:00出現(xiàn)該時段室內(nèi)照度最低,為635.8lx;而14:00—16:00時段室內(nèi)照度最低值為848.8lx;這些數(shù)據(jù)均完全滿足《建筑采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中工作面的照度值大于300lx的要求。因此,按上述設(shè)置外遮陽可同時滿足遮擋太陽輻射和采光的要求。除遮陽尺寸產(chǎn)生的影響外建筑朝向也是影響遮陽效果的重要因素。對于東南向和西南向的房間,由于朝向成90°夾角,可知太陽的運動將導(dǎo)致室內(nèi)太陽輻射變化趨勢相反。圖5所示為8:00和14:00東南向和西南向各遮陽水平下室內(nèi)太陽輻射變化趨勢。在8:00未遮陽時,西南向的太陽輻射較低,僅為7.5W/m2,而東南向的為129.6W/m2。至14:00,西南向的太陽輻射增加至146.5W/m2,而東南向則降低至16.5W/m2。2種朝向同一時刻需要遮擋的太陽輻射量大不相同。若在同一時刻,各朝向設(shè)置同一遮陽,如表2所示,例如8:00挑出長度為0.3m時,西南向和東南向遮陽下室內(nèi)太陽輻射的降幅分別為13.0%和31.3%,相差較大。因此,為充分達到遮陽效果,需針對不同朝向及時間設(shè)置水平遮陽長度。對于西南向和東南向水平遮陽,采用類似于南向水平遮陽的分析和研究方法,分別得到關(guān)于西南向和東南向的不同時段的水平外遮陽控制策略。綜合上述分析,可給出如表3所示的水平外遮陽控制策略。3最佳調(diào)控時段和約束(1)各個朝向下,隨著遮陽挑出長度的增加,室內(nèi)太陽輻射值降低,但隨著遮陽挑出長度值的增大,遮陽的作用效果不再明顯,出現(xiàn)明顯的作用效果分界點。對于南向的遮陽,挑出長度由0.3m增至1.2m時,室內(nèi)太陽輻射降低幅度由16.5%增至40.7%,但到0.6m后每增加的0.3m遮陽引起的室內(nèi)太陽輻射降低值減至5.6%。(2)在相同朝向和遮陽下,不同時刻遮陽效果也存在較大差別:南向遮陽水平為0.3m時,10:00和12:00時刻室內(nèi)太陽輻射降幅分別為21.6%和13.7%。(3)在相同時刻和遮陽下,不同朝向時,遮陽效果也存在較大差別,例如西南向和東南向8:00時刻水平外遮陽為13.0%和5.1%。(4)南向水平外遮陽的最佳調(diào)控時段為10:00—14:00;在8:0