住宅建筑南向墙遮阳板尺寸设计及节能潜力分析

第37卷第7期2004年7月

天津大学学报

Journal of Tianjin University

Vol.37No.7

Jul.2004

住宅建筑南向墙遮阳板尺寸设计及节能潜力分析X

张欢1,杨斌1,杨向劲1,由世俊1,曹治政2

(1.天津大学环境科学与工程学院,天津300072; 2.天津大学建筑设计研究院,天津300072)

摘要:在建筑的供暖和空调系统设计中,太阳辐射对供暖和空调负荷有重要的影响.合理遮阳是暖通空调领域节能的一个途径.根据天津地区典型气象年的气象资料,对该地区住宅建筑南向墙遮阳板的构造进行建模分析,并对其节能前景进行预测.在保证冬季日照的前提下,对于天津地区南向墙遮阳板宽度宜取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;太阳辐射;典型气象年;节能

中图分类号:TK519文献标志码:A文章编号:0493-2137(2004)07-0610-04

Design and Energy-Saving Potentiality of Exterior Shade on

Sou thern Windows for Residential Buildings

ZHANG Huan1,YANG Bin1,YANG Xiang-jin1,YOU Sh-i jun1,C AO Zh-i zheng2

(1.School of Envi ronmen t Science and Eng i neering,Tianjin Universi ty,Tianjin300072,China;

2.Research Institute of Archi tectural Design,Tianjin Universi ty,Tianjin300072,China)

Abstract:Solar radia tion has grea t effects on heating and cooling load of buildings.Therefore,window shading has ener gy-saving potential in the field of heating ventilating and air c onditioning(HVAC).The e ffec t of solar gain of ex-terior shade on southern windo ws is si mulated according to typical meteorological year data of Tianjin.Simulation re-sults sho w that the width of southe rn window shade should be0.5)0.9m and the distance between shade and upside of windows should be0.5)0.8m in Tianjin to ensure sunlight and solar radiation received by windo ws in winter, and the reduc tion of solar gain through southern windo ws of buildings in summer can be80)110MJ/m2. Keywords:shade;solar radiation;typic al mete orological year;ene rgy-saving

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减少夏季室内的太阳辐射得热,同时尽可能增加冬季室内的太阳辐射得热.遮阳的措施很多,概括分为三大类:利用绿化的遮阳、结合建筑构件处理的遮阳和专门设置的遮阳[1].其中专门设置的遮阳包括外遮阳、百叶内遮阳、内遮阳加镀膜和活动百叶外遮阳等[2].本文讨论的遮阳板属于外遮阳.

1气象资料分析

根据天津地区近二十年的气象数据,应用统计学的方法,选取最接近统计值的月份作为典型气象月,如表1所示,由来自不同年份的典型气象月构成典型气象年[3].并应用MATLAB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.

表1天津地区典型气象年的组成

Tab.1Components of typical meteorolog ical year in Tianjin 月份123456789101112年份888792858882918793888990

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I b为日期

X收稿日期:2003-04-02;修回日期:2003-10-14.

作者简介:张欢(1960)),女,博士,副教授,z hhuan@.

n 和时间t 的函数,即I b (n,t).为建模并编程计算提供了原始气象资料的依据.

2 遮阳板构造的数学模型

窗口上遮阳板的宽度b w 与遮阳板距窗户上沿的距离d w 之间关系是遮阳板构造的数学模型中首先要解决的问题[1].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口上,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口方面达到很好的遮阳效果,遮阳板构造的数学模型如图1所示

.

图1 遮阳板构造的数学模型Fig.1 M athematical model of shade

遮阳板宽度b w =AC =BD,遮阳板到窗户下沿的距离r w =d w +h w ,r w =AA c ,BC =AC sec C ,CC c =B c C c tan h,BC =B c C c 则

CC c =AC #sec C tan h

r w =b w #sec C tan h =b w /(cos C cot h)

(1)

式中:h w 为窗户高度(主要针对住宅建筑,根据规范

取1.5m );C 为太阳方位与墙面法线的夹角;h 为太阳高度角.

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认为其长度无限长. 太阳高度角的计算为[4] sin U =sin (39.17P /180)

cos U =cos (39.17P /180)

sin D =0.4sin ((n -79)@2P /365) cos D =(1-sin 2

D )

1/2

sin X =sin ((t -12)P /12)

cos X =cos ((t -12)P /12)

sin h =sin U sin D +cos U cos D cos X

(0b

(2)

式中:n 为日期(1月1日n =1,12月31日n =365);

t 为时间(日出-日落);h 为太阳高度角;U 为纬度(天津:北纬39b 07c );D 为赤纬(对于北半球,6月22日夏至,D =23b 27c .12月22日冬至,D =-23b 27c .春、秋分,D =0b );X 为时角(正午12时为零,午前为负,午后为正,每间隔1小时相差15b ). 太阳方位角的计算为

sin B s =cos D sin X /cos h cos B s =(sin h sin U -sin D )/(cos h c os U ) sin B w =sin(A P /180) cos B w =cos (A P /180)

cos C =cos B s cos B w +sin B s sin B w (3)式中:B s 为太阳方位角(正北B s =180b ,正南B s =0b ,正西B s =90b ,正东B s =-90b );A 为墙面方位角(墙面法线与正南向的夹角,偏西为正,偏东为负);B w 为以弧度表示的墙面方位角;C 为太阳方位与墙面法线的夹角.因此cos C cot h 是以日期n 和时间t 为变量的函数,即f (n,t)=cos C cot h.这样在编程计算时只要确定时间便可计算该时刻遮阳板在窗户上所形成的阴影面积.

3 遮阳板尺寸设计及节能潜力分析

由以上建立的数学模型可以看出,利用冬、夏两季太阳高度角和方位角的变化,最大限度地增加夏季遮挡的太阳能量E s ,减少冬季遮挡的太阳能量E w ,在E s -E w 取最大值时遮阳板的b w 和d w 即为适合天津地区住宅建筑南向墙遮阳板的尺寸.

日射得热能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60b 计算.对于研究的南墙,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,加之散射热在总日射得热中比例也很小,计算中将其忽略.3.1 南向墙日射辐射强度的计算

南向墙太阳辐射[5]

包括直射辐射和散射辐射,即 I t,s =I b,s +I d,s (4)散射辐射相对于直射辐射较小,忽略后上式可近似为

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611# 2004年7月 张 欢等:住宅建筑南向墙遮阳板尺寸设计及节能潜力分析