成都地區(qū)教學(xué)建筑外窗外遮陽設(shè)計研究,建筑碩士論文

成都地區(qū)教學(xué)建筑外窗外遮陽設(shè)計研究,建筑碩士論文摘要本文主要研究成都地區(qū)教學(xué)建筑不同朝向適宜的外遮陽形式及尺寸優(yōu)化設(shè)計。首先根據(jù)水平式與垂直式遮陽板尺寸計算公式，推導(dǎo)出多層水平遮陽、多層傾斜水平遮陽、多層垂直遮陽以及多層傾斜垂直遮陽的遮陽板尺寸計算公式?；诠?jié)能、采光及節(jié)材優(yōu)化設(shè)計原則，在外遮陽尺寸理論計算基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬方式方法進(jìn)一步優(yōu)化外遮陽形式及遮陽構(gòu)件尺寸。本文主要研究結(jié)果如下：〔1〕文中對兩種計算根據(jù)下得到的不同遮陽構(gòu)件尺寸的外遮陽形式進(jìn)行模擬研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)南向以“充分遮陽線〞對應(yīng)的太陽高度角和方位角計算出的外遮陽尺寸是以“極端高溫天氣日〞對應(yīng)的太陽高度角計算出的外遮陽尺寸的三倍，能耗相差不大，且知足成都地區(qū)教學(xué)建筑采光要求；東、西向以“充分遮陽線〞對應(yīng)的太陽高度角和方位角計算出的外遮陽尺寸小于以“極端高溫天氣日〞對應(yīng)的太陽高度角計算出的外遮陽尺寸，固然前者節(jié)能率稍高一點(diǎn)，但不知足成都地區(qū)教學(xué)建筑采光要求。因而，實(shí)際工程中可按極端高溫天氣日對應(yīng)的太陽高度角和方位角進(jìn)行遮陽構(gòu)件尺寸設(shè)計優(yōu)化?！?〕對建筑南向、東向和西向外遮陽優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行模擬研究，綜合考慮各影響因素，得到不同朝向最佳的遮陽方式與尺寸。①南向教室外窗宜采用水平式遮陽，其遮陽板尺寸為：遮陽板水平挑出384mm，兩端挑出720mm，相對無外遮陽時節(jié)能率為1.01%。②東向教室外窗外遮陽優(yōu)化設(shè)計模擬時，首先采用擋板式遮陽，固然能降低總能耗，但是采光系數(shù)以及平均照度都不知足成都地區(qū)教學(xué)建筑的采光要求，因而東向不合適采用擋板式遮陽。接著采用多層水平遮陽板的外遮陽，當(dāng)水平遮陽板為3層時，在知足采光的前提下，室內(nèi)能耗相對最小，然而水平遮陽板出挑長度仍較大，將水平遮陽板傾斜一定角度，雖能減少遮陽板出挑尺寸，但不能知足室內(nèi)采光的需要。最后采用多層垂直遮陽板的外遮陽，綜合考慮采光、節(jié)能及節(jié)材的因素，垂直遮陽板采用8層，傾斜40°時最佳，此時的室內(nèi)采光系數(shù)為4.72%，平均照度為565lx，室內(nèi)耗冷量為117.05kWh/m2，耗熱量為65.62kWh/m2，室內(nèi)總能耗為182.67kWh/m2，相對無外遮陽時的節(jié)能率為3.58%。因而，東向教室外窗宜采用垂直遮陽板采用8層，傾斜40°的外遮陽形式，詳細(xì)尺寸為：垂直遮陽板出挑長度為426mm，間距為675mm。③西向教室外窗外遮陽優(yōu)化設(shè)計模擬時，首先采用擋板式遮陽，固然能降低總能耗，但是其采光系數(shù)以及平均照度都不知足成都地區(qū)教學(xué)建筑的采光要求，因而西向也不合適采用擋板式遮陽。接著采用多層水平遮陽板的外遮陽，當(dāng)水平遮陽板為5層時的外遮陽綜合效果最佳，此時的室內(nèi)采光系數(shù)為3.94%，平均照度為471lx，室內(nèi)耗冷量為106.80kWh/m2，耗熱量為66.64kWh/m2，室內(nèi)總能耗為173.44kWh/m2，相對無外遮陽時的節(jié)能率為2.66%。因而，西向教室外窗宜采用5層水平遮陽板的外遮陽，詳細(xì)尺寸：水平板出挑長度為394mm，遮陽板間距為480mm。本文的研究可為實(shí)際工程中外遮陽形式選擇與尺寸優(yōu)化提供參考，具有一定的工程意義。本文關(guān)鍵詞語：教學(xué)建筑；外窗外遮陽設(shè)計；理論計算；數(shù)值模擬。AbstractThispapermainlystudiestheoptimaldesignofexteriorshadingformandsizefordifferentorientationsofteachingbuildingsinChengdu.Firstly,accordingtothesizecalculationformulaofhorizontalandverticalshading,thesizecalculationformulasofmulti-layerhorizontalshading,multi-layerinclinedhorizontalshading,multi-layerverticalshadingandmulti-layerinclinedverticalshadingarededuced.Basedontheoptimizationdesignprincipleofenergysaving,lightingandmaterialsaving,andonthebasisoftheoreticalcalculationofexteriorshadingsize,numericalsimulationmethodwasadoptedtofurtheroptimizeexteriorshadingformandexteriorshadingcomponentsize.Themainresearchresultsofthispaperareasfollows:(1)Ofthetwokindsofcalculationunderdifferentshadingoutershadingformofthecomponentsizeforsimulationstudy,theresultsfoundthatsouthtofullshadelineofthesolaraltitudeAngleandazimuthAnglecorrespondingtocalculatetheexternalblindssizebasedontheextremehotweatherdayoutsideofthesolaraltitudeanglescorrespondingtocalculatetheshadesizethreetimes,energyconsumptionweresimilar,AndmeetthelightingrequirementsofteachingbuildingsinChengduarea;TheexternalshadingsizecalculatedbythesunheightAngleandazimuthAnglecorrespondingtothefullshadinglineintheeastandwestdirectionissmallerthanthatcalculatedbythesunheightAnglecorrespondingtotheextremehightemperatureday.Althoughtheformerhasaslightlyhigherenergysavingrate,itdoesnotmeetthelightingrequirementsofteachingbuildingsinChengdu.Therefore,thesizedesignoptimizationofshadingcomponentscanbecarriedoutaccordingtothesunaltitudeAngleandazimuthAnglecorrespondingtoextremehightemperaturedaysinpracticalengineering.(2)Theoptimalshadingdesignofthebuildinginthesouth,eastandwestdirectionsissimulatedandstudied.Consideringthefactorsofenergyconsumption,lightingandmaterialsaving,theoptimalshadingmethodandsizefordifferentorientationsareobtained.①Horizontalsunshadeshouldbeusedfortheouterwindowofthesouth-facingclassroom.Thesizeofthesunshadeis384mmhorizontallypickedoutand720mmatbothends.Theenergyrateis1.01%whenthereisnoexternalshading.②Intheoptimizationdesignsimulationofshadingoutsidethewindowsoftheeast-facingclassroom,thebaffleshadingisfirstlyadopted.Althoughthebaffleshadingcanreducethetotalenergyconsumption,itslightingcoefficientandaverageilluminationdonotmeetthelightingrequirementsofteachingbuildingsinChengdu,sothebaffleshadingisnotsuitablefortheeast-facingclassroom.Whenthenumberofhorizontalvisorsis3,theindoorenergyconsumptionisrelativelyminimumonthepremiseofsatisfyingthelighting.However,thelengthofthehorizontalvisorisstilllarge.BytiltingthehorizontalvisoratacertainAngle,thesizeofthevisorcanbereduced,butitcannotmeettheneedsofindoorlighting.Finally,theexternalshadingwithmulti-layerverticalsunvisorisadopted.Consideringthefactorsoflighting,energyconsumptionandmaterialsaving,theexternalshadingwith8-layerverticalsunvisorisadopted.Thebestshadingiswhenthesunvisortilts40°.atthistimeofindoordaylightingcoefficientwas4.72%,theaverageintensityofilluminationforthe565lx,indoorcoldconsumptionis117.05kWh/m2,heatconsumptionof65.62kWh/m2,indoortotalenergyconsumptionof182.67kWh/m2,relativewithoutexternalblindstheenergy-savingrateof3.58%.Therefore,theexternalwindowoftheeastfacingclassroomshouldadopttheexternalsunshadingwith8layersofverticalsunvisors,withatiltof40°.Thespecificsizeisasfollows:theoverhanginglengthoftheverticalsunvisorsis426mm,andthespacingis675mm.③Intheoptimizationdesignsimulationofshadingoutsidethewindowofthewestfacingclassroom,baffleshadingisfirstlyadopted.Althoughbaffleshadingcanreducethetotalenergyconsumption,itslightingcoefficientandaverageilluminationdonotmeetthelightingrequirementsofteachingbuildingsinChengdu,sobaffleshadingisnotsuitableforthewestfacing.Then,theexternalshadingwithmulti-layerhorizontalsunshadewasadopted.Whentheexternalshadingwithfive-layerhorizontalsunshadewasthebest,theindoorlightingcoefficientwas3.94%,theaverageilluminationwas471lx,theindoorcoolingconsumptionwas106.80kWh/m2,theheatconsumptionwas66.64kWh/m2,andthetotalindoorenergyconsumptionwas173.44kWh/m2,andtheenergysavingratewas2.66%comparedwiththatwithoutexternalshading.Therefore,theexteriorshadingof5layersofhorizontalsunvisorsshouldbeusedfortheexteriorwindowofthewestern-facingclassroom.Thespecificdimensionsareasfollows:theoverhanginglengthofthehorizontalboardis394mm,andthespacingofthesunvisorsis480mm.Theresearchinthispapercanprovidereferencefortheselectionofshadingformsandsizeoptimizationinpracticalengineering,whichhascertainengineeringsignificance.KeyWords：Teachingbuilding;Shadingdesignoutsidethewindow;Thetheoreticalcalculation；Numericalsimulation。1、緒論1.1、研究背景。1.1.1、我們國家建筑能耗現(xiàn)在狀況。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和生活水平迅速提高，同時人口急劇增長，導(dǎo)致能源消耗越來越嚴(yán)重。2001年至2022年我們國家城鎮(zhèn)化高速發(fā)展，大量人口由鄉(xiāng)村向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，城鎮(zhèn)居民人口數(shù)從2001年的4.81億迅速增長到8.48億，農(nóng)村人口數(shù)從2001年的7.96億降低到5.52億，城鎮(zhèn)率從2001年的37.7%增長到60.6%[1]，如此圖1.1所示。城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展使得我們國家建筑業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，城鄉(xiāng)面積大幅增加。據(jù)國家統(tǒng)計局頒布的每年建筑完工面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：我們國家建筑每年的完工面積從2018年的27.75億m2增加到2022年的40.23億m2[1]，如此圖1.2所示。2020年以前，我們國家每年的建筑完工面積增長迅速，自2020年至今，我們國家每年的建筑完工面積已連續(xù)多年的小幅下降，但基本穩(wěn)定在40億m2[1]。每年大量的建筑完工使得我們國家建筑面積總量不斷增加，據(jù)資料顯示，2021年我們國家建筑面積總量約為601億m2，華而不實(shí)：城鎮(zhèn)住宅建筑面積為244億m2，農(nóng)村住宅建筑面積為229億m2，公共建筑面積約為128億m2[2]。建筑業(yè)迅猛發(fā)展，使得建筑面積不斷增加，因而造成了宏大能源消耗。建筑能源消耗主要包括建筑建造能耗〔建筑建造經(jīng)過中所導(dǎo)致的從原料開采、建材生產(chǎn)、運(yùn)輸以及現(xiàn)場施工所產(chǎn)生的能源消耗〕以及建筑使用經(jīng)過中的建筑運(yùn)行能耗兩大部分。根據(jù)文獻(xiàn)[2]的資料顯示：2021年我們國家建筑運(yùn)行能耗和建筑建造能耗占總能耗的37%，華而不實(shí)，建筑建造能耗占比14%，建造運(yùn)行能耗占比23%。建筑運(yùn)行能耗包括建筑物通風(fēng)、空調(diào)、供暖、照明、和其他為了實(shí)現(xiàn)建筑各項服務(wù)功能所產(chǎn)生的能耗，一直伴隨建筑物使用經(jīng)過而發(fā)生。隨著我們國家逐步進(jìn)入城鎮(zhèn)化新階段，建設(shè)速度放緩，建筑的排放和運(yùn)行能耗將成為更大的部分。因而，建筑運(yùn)行能耗成為建筑節(jié)能任務(wù)中主要的關(guān)注點(diǎn)。根據(jù)能耗特點(diǎn)，我們國家民用建筑運(yùn)行能耗可分為公共建筑用能、城鎮(zhèn)住宅用能、北方城鎮(zhèn)供暖用能、以及農(nóng)村住宅用能四類[2]，各部分能耗如表1.1所示。從表1.1中能夠看出，公共建筑總能耗〔不含北方供暖〕為3.32億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占建筑總能耗的33%，其面積約占建筑面積總量的1/5，所以從單位面積能耗強(qiáng)度來看，公共建筑能耗強(qiáng)度卻是四類建筑用能強(qiáng)度最高的[2]?？梢姡步ㄖ墓?jié)能迫在眉睫。【由于本篇文章為碩士論文，如需全文請點(diǎn)擊底部下載全文鏈接】1.1.2、我們國家高校建筑能耗現(xiàn)在狀況.1.1.3、教學(xué)建筑外遮陽的必要性1.2、研究目的及意義1.2.1、研究目的1.2.2、研究意義1.3、國內(nèi)外研究現(xiàn)在狀況1.3.1、國內(nèi)研究現(xiàn)在狀況.1.3.2、國外研究現(xiàn)在狀況.1.3.3、文獻(xiàn)評述1.4、研究內(nèi)容及技術(shù)道路1.4.1、研究內(nèi)容1.4.2、技術(shù)道路2、建筑外遮陽相關(guān)概述.2.1、外遮陽的分類.2.1.1、按產(chǎn)品類型分類.2.1.2、按遮陽基本形式分類.2.1.3、按操作方式分類.2.14、按遮陽材料分類.2.2、外遮陽設(shè)計的根據(jù)2.2.1、建筑氣候.2.2.2、房間功能.2.2.3、窗口朝向2.3、建筑外遮陽對節(jié)能和室內(nèi)環(huán)境的影響2.3.1、建筑外遮陽對節(jié)能的影響2.3.2、建筑外遮陽對室內(nèi)光環(huán)境的影響2.4、本章小結(jié)3、成都地區(qū)氣候環(huán)境與教學(xué)建筑特點(diǎn)研3.1、成都地區(qū)氣候環(huán)境3.1.1、太陽輻射3.1.2、溫度分布3.13、濕度分布3.2、教學(xué)建筑特點(diǎn)3.2.1、教學(xué)空間3.2.2、室內(nèi)熱擾3.2.3、建筑能耗3.3、成都地區(qū)教學(xué)建筑遮陽現(xiàn)在狀況3.3.1、調(diào)研目的與調(diào)研內(nèi)容.3.3.2、調(diào)研結(jié)果分析.3.3.3、成都地區(qū)教學(xué)建筑遮陽現(xiàn)在狀況及存在的問題.3.4、本章小結(jié)4、成都地區(qū)教學(xué)建筑外窗外遮陽初步設(shè)計4.1、成都地區(qū)教學(xué)建筑遮陽日期與時間4.1.1、成都地區(qū)教學(xué)建筑設(shè)置外遮陽的條件.4.1.2、成都地區(qū)教學(xué)建筑遮陽日期與時間4.2、成都地區(qū)遮陽日期的太陽位置4.2.1、太陽赤緯角4.2.2、太陽時角4.2.3、太陽高度角4.2.4、太陽方位角4.2.5、成都地區(qū)遮陽期不同日期不同時刻的太陽位置4.3、遮陽板設(shè)計的基本公式及推導(dǎo)4.3.1、水平式遮陽4.3.2、垂直式遮陽4.3.3、擋板式遮陽4.35、多層傾斜水平遮陽.4.3.6、多層垂直式遮陽4.3.7、多層傾斜垂直式遮陽4.4、遮陽板尺寸初步計算4.4.1、遮陽板尺寸計算根據(jù)4.4.2、遮陽板尺寸初步計算4.5、本章小結(jié).5、成都地區(qū)教學(xué)建筑外窗外遮陽優(yōu)化設(shè)計模抑研.5.1、外遮陽優(yōu)化設(shè)計原則與方式方法5.1.1、外遮陽優(yōu)化設(shè)計原則5.1.2、外遮陽優(yōu)化設(shè)計方式方法.5.2、模型建立及外遮陽效果評價指標(biāo)5.2.1、模擬軟件簡介.5.2.2、建立物理模型.5.2.3、模擬參數(shù)設(shè)置，5.2.4、外遮陽評價指標(biāo).5.3、南向遮陽優(yōu)化設(shè)計5.3.1、遮陽尺寸優(yōu)化選擇.5.3.2、不同熱工性能的外窗外遮陽對室內(nèi)能耗和采光影響5.3.3、南向模擬結(jié)果總結(jié).5.4、東向遮陽優(yōu)化設(shè)計5.4.1、采用擋板式遮陽5.4.2、采用多層水平遮陽板的外遮陽.5.4.3、采用多層垂直遮陽板的外遮陽.5.4.4、東向模擬結(jié)果總結(jié).5.5、西向遮陽優(yōu)化設(shè)計5.5.1、采用擋板式遮陽.5.5.2、采用多層水平遮陽板的外遮陽5.5.3、西向模擬結(jié)果總結(jié)5.6、本章小結(jié)6、結(jié)論本文以成都地區(qū)為例，對成都地區(qū)教學(xué)建筑外遮陽進(jìn)行設(shè)計研究。得出主要結(jié)論如下：〔1〕在水平式與垂直式遮陽板尺寸計算公式的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了多層水平式、多層傾斜水平遮陽、多層垂直遮陽以及多層傾斜垂直遮陽的遮陽板尺寸計算公式?！?〕綜合考慮室內(nèi)能耗、采光以及節(jié)材等因素，比擬分析兩種計算根據(jù)得到的外遮陽尺寸，得到實(shí)際工程中按極端高溫天氣日對應(yīng)的太陽高度角和方位角進(jìn)行遮陽構(gòu)件尺寸設(shè)計優(yōu)化的方式方法。〔3〕對建筑南向、東向和西向的外遮陽優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行模擬研究，綜合考慮能耗、采光和節(jié)材等因素，得到不同朝向下的最佳遮陽形式與尺寸。①南向教室外窗宜采用水平式遮陽，其遮陽板尺寸為：遮陽板水平挑出384mm，兩端挑出720mm。相對無外遮陽時節(jié)能率為1.01%。②東向教室外窗宜采用8層垂直遮陽板的外遮陽，遮陽板傾斜40°，詳細(xì)尺寸為：垂直遮陽板出挑長度為426mm，間距為675mm。相對無外遮陽時節(jié)能率為3.58%。③西向教室外窗宜采用5層水平遮陽板的外遮陽，詳細(xì)尺寸：水平板出挑長度為394mm，遮陽板間距為480mm。相對無外遮陽形式時節(jié)能率約為2.66%。以下為參考文獻(xiàn).[1]國家統(tǒng)計局.2020中國統(tǒng)計年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計出版社，2020.[2]清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2020[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2020.[3]清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2021[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2021.[4]楊宇樂.武漢地區(qū)既有高校教學(xué)建筑外遮陽優(yōu)化設(shè)計研究[D].青島理工大學(xué)2020.[5]王雅靜.教學(xué)建筑外遮陽的復(fù)合化設(shè)計研究[D].重慶大學(xué)2021.[6]岳鵬.建筑遮陽技術(shù)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2020.[7]涂逄祥.中國建筑遮陽技術(shù)[M].北京:中國質(zhì)檢出版社2021.[8]簡毅文，王蘇穎，江億.水平和垂直遮陽方式對北京地區(qū)西窗和南窗遮陽效果的分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2001,(03):212-217.[9]張杰吳保華.水平式遮陽構(gòu)件尺寸的計算研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2005,(01):119-120+I27.[l0]朱燕燕，楊坤麗，韋延年.淺析建筑構(gòu)件遮陽系數(shù)確定[].四川建筑科學(xué)研究,2007,(02):143-l45.[1]張建海,姚健,周燕,等.關(guān)于水平遮陽板節(jié)能最優(yōu)化尺寸的討論一--以寧波地區(qū)為例[J]門窗,2008(03):35-38[12]陳震,何嘉鵬.南京地區(qū)南窗外遮陽構(gòu)件尺寸研究[].新型建筑材料,2018,36(06):52-55.[13]唐慧華.建筑遮陽構(gòu)件的構(gòu)造設(shè)計[J].建筑設(shè)計管理2021,3204)68-69.[14]李吳,劉梵思.夏熱冬冷地區(qū)多層建筑屋頂構(gòu)件節(jié)能優(yōu)化設(shè)計---以百葉型遮陽構(gòu)件為例[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2021,27(01):28-32.[15]李鑫.湖南地區(qū)建筑遮陽系統(tǒng)設(shè)計方式方法研究[D].湖南大學(xué)2005.[l6]朱燕燕.夏熱冬冷地區(qū)建筑遮陽系統(tǒng)設(shè)計及其節(jié)能評價[D].西南交通大學(xué)2007.[17]石丹.寓居建筑窗戶外遮陽優(yōu)化設(shè)計研究[D]重慶大學(xué),2008.[18]權(quán)公恕、夏熱冬冷地區(qū)建筑外遮陽與建筑整合設(shè)計研究[D].