北京地區(qū)住宅建筑南窗固定水平遮陽能效分析

1、北京地區(qū)住宅建筑南窗固定水平遮陽能效分析1北方工業(yè)大學(xué)北京市 100144 ;2清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司北京市 100083摘要：合理的窗u遮陽設(shè)計(jì)可以平衡夏季隔熱和冬季得熱，從而實(shí)現(xiàn)建 筑節(jié)能。北京地ix居住建筑的主要能耗是采暖，外窗遮陽的設(shè)置原則是在保證冬 季得熱的前提下，盡量減少夏季太陽輻射得熱。木文采用建筑性能分析軟件 ecotect對(duì)北京地區(qū)住宅建筑南窗固定水平遮陽效果進(jìn)行模擬分析，對(duì)其合理構(gòu) 造給出設(shè)計(jì)建議。關(guān)鍵詞：北京地ix;住宅建筑；南窗固定水平遮陽引言：建筑能耗是當(dāng)今三大能耗之一，全球能源危機(jī)和環(huán)境污染對(duì)建筑 節(jié)能提出了雙重要求。我國建筑節(jié)能整體上處于第三階段，達(dá)到節(jié)能

2、65%的標(biāo)準(zhǔn)。 北京地區(qū)屬于寒冷（b）區(qū)，居住建筑自2013年01月01日起率先執(zhí)行節(jié)能75% 的標(biāo)準(zhǔn)，外墻、屋頂?shù)葒o(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能要求極大提高，在此條件下外窗節(jié)能 成為降低能耗的主要途徑。一. 建筑遮陽的必要性人們喜歡陽光、向往自然，同時(shí)希望有舒適宜人的室內(nèi)環(huán)境。外窗作為 人與外界的交流界面，兼兵通風(fēng)、采光等功能，玻璃的高透光性使得大量的太陽 輻射熱透過外窗進(jìn)入室內(nèi)，冬季可有效增加房間得熱，降低采暖負(fù)荷，但同時(shí)也 是夏季降低空調(diào)能耗的主要調(diào)控對(duì)象之一。隨著生活水平的提高及城市熱島效應(yīng) 增強(qiáng)，城市夏季空調(diào)能耗逐年增高，在節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的前提下，為進(jìn)一步節(jié) 約能源、提高居住品質(zhì)，住宅建筑遮陽

3、成為越來越重要的建筑節(jié)能措施之一。北京地區(qū)居住建筑的主要能耗是采暖能耗，且居住建筑白天以自然采光 為主，外窗需明亮、純凈，住宅外窗（尤其是南向）應(yīng)首先保證高透光性，增加 冬季外窗得熱，并改善室內(nèi)光環(huán)境，夏季輔以固定外遮陽或活動(dòng)遮陽保證遮陽效 果以降低空調(diào)能耗。受地理氣候影響，北京地區(qū)建筑各朝向中的南向受到太陽輻射量最大， 是北京地區(qū)居住建筑的首選朝向。主要的功能用房均盡可能布置在南側(cè)，同時(shí)， 南側(cè)外窗的夏季遮陽也是建筑遮陽的主要問題。作為建筑不可分割的部分，固定 外遮陽設(shè)施跟建筑是一個(gè)整體，安裝后不能根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，需在設(shè)計(jì)之初結(jié) 合建筑立面、造型進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，下面將采用軟件模擬的方法對(duì)固

4、定水平遮陽 能效進(jìn)行分析。二. 南向外窗水平遮陽模擬計(jì)算本章通過建筑性能分析軟件ecotect模擬計(jì)算確定北京住宅南窗水平遮 陽板的位置及尺寸。ecotect是一個(gè)全面的技術(shù)性能分析輔助設(shè)計(jì)軟件，涵蓋了 熱環(huán)境、風(fēng)環(huán)境、光環(huán)境、聲環(huán)境、日照、經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境影響與可視度等建筑物 理環(huán)境的7個(gè)方面。本模擬主要采用遮陽系數(shù)（sd）表示遮陽板對(duì)外窗的遮陽效果，通過計(jì) 算設(shè)置水平遮陽板吋，窗面在夏季空調(diào)期和冬季采暖期的太陽輻射得熱量，與無 遮陽吋的太陽輻射得熱量的比值確定。夏季模擬分析吋間段為典型氣象年下6 月1日至8月31日，日間得熱吋間為7:00-19:00;冬季模擬分析時(shí)間段為典型 氣象年下11月1

5、5日至次年3月15日，日間得熱吋間為8:00-16:00。2.1水平遮陽板構(gòu)造分析不同的水平遮陽板尺寸以及安裝位置、窗面夏季和冬季的太陽輻射 得熱量、綜合變化趨勢(shì)確定推薦范圍。水平遮陽板的構(gòu)造詳見圖1所示。圖1水平遮陽構(gòu)造 圖片來源：自繪遮陽板距窗邊水平挑出長(zhǎng)度a （遮陽板長(zhǎng)度為2a+窗戶寬度）距窗上沿垂直高度b垂直墻面出挑長(zhǎng)度（遮陽板寬度）w南墻尺寸:3600mm （寬）*2800mm （高）窗戶尺寸：1800mm （寬）*1500mm （高）2.2遮陽模擬計(jì)算依據(jù)住宅建筑特點(diǎn)，墻面尺t以及窗戶的尺吵和位置，確定a、b的取 值范圍分別為0900mm、0400mm。間瞞分別為100mm、50m

6、m。參考遮陽 板實(shí)際尺、j*，計(jì)算參數(shù)w取值范圍為1001800mm, 1000mm以下間隔100mm, 以上間隔200mm。參考文獻(xiàn)1中的論述“對(duì)于不同的w值，相同季節(jié)平均遮陽 系數(shù)隨a和b的變化趨勢(shì)是一致的”，首先以此結(jié)論作為前提，計(jì)算分析w=500 mm吋，夏季和冬季南窗水平遮陽板的遮陽系數(shù)(sd)隨a和b的變化規(guī)律，模 擬結(jié)果見圖2、圖3。圖2南窗夏季遮陽系數(shù)隨a、b的變化趨勢(shì) 圖片來源：自繪對(duì)于夏季，遮陽系數(shù)隨著距窗邊水平挑出長(zhǎng)度a的增大而減小，但變化 速率逐漸減小，在0500mm區(qū)間變化相對(duì)明顯；且各曲線近似平行，說明不 同的b值，遮陽系數(shù)隨a的變化趨勢(shì)是一致的。另一方面，遮陽系數(shù)

7、隨著距窗上 沿垂直高度b的增大而增大，且呈明顯的線性關(guān)系；不同的a值，遮陽系數(shù)隨b 的變化趨勢(shì)也是一致的。由各個(gè)單一曲線的遮陽系數(shù)變化范圍接近(約為0.2)， 可知a和b對(duì)南窗夏季遮陽的影響都很顯著。圖3南窗冬季遮陽系數(shù)隨a、b的變化趨勢(shì)圖片來源：自繪對(duì)于冬季，遮陽系數(shù)隨著距窗邊水平挑出長(zhǎng)度a的增大而減少，但變化 不明顯，即a對(duì)南窗的冬季太陽輻射得熱的影響很小，尤其是a大于500mm后 可忽略；隨著距窗上沿垂直高度b的增大而增大，在0200mm區(qū)間接近線性 變化，大于250mm后增加速率逐漸變緩，說明b對(duì)南窗冬季太陽輻射得熱的影 響較大，但小于對(duì)夏季遮陽的影響。綜合比較可知：w=500mm，a

8、、b的取值范圍分別為0900mm,0 400mm區(qū)間吋，夏季和冬季的遮陽系數(shù)區(qū)間分別為0.2310.559、0.7230.931， 變化量分別為0.328、0.208。此外，增大a冇利于夏季遮陽，而不利于冬季太陽 輻射得熱；增大b不利于夏季遮陽，但有利于冬季太陽輻射得熱。距窗邊水平挑 出長(zhǎng)度a和距窗上沿垂直高度b,均是對(duì)夏季遮陽系數(shù)的影響大，對(duì)冬季遮陽系 數(shù)影響小。夏季遮陽系數(shù)整體小于冬季遮陽系數(shù)，即水平遮陽適于南窗，夏季遮 陽明顯，且對(duì)冬季得熱的影響較小。綜上，距窗側(cè)邊水平挑出長(zhǎng)度a取500mm左右，距窗上沿垂直高度b 取250mm左右吋，可兼顧夏季遮陽和冬季得熱。a （尤其是對(duì)于冬季遮陽系

9、數(shù)） 的影響小于b,因此確定a =500 mm,進(jìn)一步分析夏季和冬季南窗水平遮陽板的遮 陽系數(shù)（sd）隨b和w的變化規(guī)律。其中垂直墻面出挑長(zhǎng)度（遮陽板寬度）w 在1001800mm區(qū)間，間隔100mm變化，由于w取值大于1000mm吋，水平 遮陽板對(duì)南窗冬季遮擋較嚴(yán)重，10001800mm區(qū)間的模擬只作為趨勢(shì)研究，因 此此區(qū)間的變化間隔取200mm,模擬結(jié)果見圖4。圖4南窗冬夏兩季遮陽系數(shù)隨b、w的變化趨勢(shì)圖片來源：自繪可知：隨著w的逐漸增大，b對(duì)南窗冬夏兩季遮陽系數(shù)的影響逐漸減 小。而相同w吋，不同b之間冬季遮陽系數(shù)的差異由零逐漸增大而后趨于平穩(wěn)； 相反，夏季遮陽系數(shù)的差異逐漸減小直至接近相

10、等。由于兼顧夏季遮陽冬季得熱 的考慮，需盡可能地權(quán)衡，以達(dá)到夏季取得較低的遮陽系數(shù)而冬季取得較高的遮 陽系數(shù)。即同一 b所對(duì)應(yīng)的冬夏季的兩條曲線之間的距離越遠(yuǎn)。因此b =300 mm 時(shí)，可以保證冬季較大的遮陽系數(shù)，而夏季遮陽系數(shù)接近最低平穩(wěn)值。根據(jù)以上分析，取值a=500mm,b=300mm相對(duì)理想。在此a和b設(shè)置條 件下，模擬分析垂直墻面出挑長(zhǎng)度（遮陽板寬度）w在1001500mm區(qū)間，間 隔100mm變化吋，水平遮陽板的遮陽效果。通過對(duì)無遮陽及各種遮陽板寬度尺1*下的太陽輻射得熱量的模擬計(jì)算出對(duì)應(yīng)遮陽系數(shù)，進(jìn)而得到如圖5的變化曲線。圖5南窗冬夏兩季遮陽系數(shù)隨w的變化趨勢(shì) 圖片來源：自繪冬

11、夏兩季的遮陽系數(shù)均隨著遮陽板寬度w的增大而減小，其中夏季的 遮陽系數(shù)先迅速減小而后逐漸趨于平緩，冬季的遮陽系數(shù)則呈線性降低。由于遮 陽系數(shù)越小，夏季遮陽效果越好，但減少了冬季太陽輻射得熱，因此需綜合權(quán)衡 考慮。由圖可知：遮陽板寬度從100增加到500mm吋，夏季遮陽系數(shù)減小明顯， 超過500m之后，遮陽系數(shù)降低速率逐漸減小，至800m后基本平緩?；谙募?南窗遮陽減少建筑空調(diào)能耗，冬季通過南窗的太陽輻射得熱從而降低建筑供暖能 耗的角度考慮，在提高夏季遮陽系數(shù)的同吋必須控制冬季遮陽系數(shù)。當(dāng) w=500mm時(shí)，夏季和冬季的遮陽系數(shù)分別為0.340、0.841,基本可以較好地滿 足冬夏季得熱遮陽的要求，因此推薦w取值約為500mm。2.3遮陽模擬計(jì)算結(jié)論綜上，經(jīng)軟件模擬分析，平衡冬夏兩季遮陽節(jié)能效果，住宅建筑水平外遮陽的適宜構(gòu)造取值：a=500mm、b=300mm、w=500mm。三. 南窗固定水平遮陽板構(gòu)型建議根據(jù)軟件模擬分析結(jié)果，北京地區(qū)住宅南窗固定水平遮陽節(jié)能效果顯著, 結(jié)合住宅建筑特點(diǎn)，平衡冬夏兩季能耗，住宅建筑水平外遮陽的適宜構(gòu)造取值：a=500mm、b=200mm300mm、w=500mm800mmo具體設(shè)計(jì)中水平遮陽板的外挑尺寸w應(yīng)從外窗的玻璃面算起，可單獨(dú) 設(shè)置，如：鋁合金格柵