天津地区住宅建筑南向墙遮阳板构型设计

1前言

太阳对于建筑的影响体现在建筑热环境、采光、空调采暖能耗以及建筑周围局部微气候等方面。在建筑的供暖、空调系统设计中，太阳辐射对供暖、空调负荷有重要的影响。因此，合理的遮阳就成为暖通空调领域节能的一个有效途径^[1]。

"SFlFMw,a0遮阳措施概括起来可分为三类：利用绿化的遮阳、结合建筑构件处理的遮阳、专门设置的遮阳。专门设置的遮阳又包括：水平外遮阳、垂直外遮阳、百叶内遮阳、内遮阳加镀膜、活动百叶外遮阳等。遮阳板属于水平外遮阳。本文以天津地区典型气象年气象资料为依据，对天津地区住宅建筑南向墙遮阳板的构造进行建模分析，对遮阳板在不同构型尺寸条件下所能遮挡的能耗值进行编程计算。在遮阳板宽度w、遮阳板到窗户上沿距离d取不同值的条件下，通过遮阳板在夏季遮蔽的能量与冬季遮蔽的能量的差值E_s-E_w来评价遮阳板构型尺寸的好坏。同时给出在不同d、w情况下，对应E_s-E_w的曲线，以供设计时参考。绿色建筑博客["V!y&k M

2气象数据分析

气象参数是影响建筑室内热环境和供暖空调能耗的一个主要因素。本文的气象资料取自中国建筑科学研究院与美国劳伦斯.伯克利国家实验室进行技术合作共同开发的26个中国城市的典型气象年（TMY）逐时气象资料。典型气象年由12个典型气象月组成，它们的选择原则如下：所选月份应是其气象参数与16年（1982-1997）平均值最为接近的月份。月与月之间的一些气象参数应该变化平滑没有突变。绿色建筑博客 |#?%F ko

X4LfI ahp|+\7U8LY0本文所用到的天津地区典型气象年气象资料中，各典型气象月所取自的年份见下表：

为了对遮阳板进行能耗计算时方便，在已获得的气象资料数据的基础上用MATLAB软件对其每天的数据进行拟合，并用拟合取得的表达式的系数构成一个数据文件，从而为遮阳板的能耗分析提供数据。

3南向墙遮阳板构型设计

窗户遮阳设计有避免日照和争取日照两个方面的要求。当夏季室外气温较高时，为防止阳光射入室内，应使窗口处于遮阳构件的阴影之中；在冬季室外气温较低时，应争取阳光照射到室内，以提高室内温度。因此适当选择遮阳构件和遮阳尺寸，是遮阳设计的主要任务之一。太阳照射在南墙面时，高度角较高，故在南向及接近南向的窗口上，宜设置水平式遮阳板。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能达到很好的遮阳效果。下面主要对南向墙水平遮阳板进行建模分析。绿色建筑博客$jdV.m-l4aO

Vta'Fcz:ZaB03.1数学模型的建立

南向墙遮阳板的数学模型如图1：

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图1 南向墙遮阳板的数学模型

窗口上遮阳板的宽度w与遮阳板距窗户上沿的距离d之间关系：绿色建筑博客dj5{3K&nF,r s`.F

|i~O+w4H8^ E0在图1中，遮阳板宽度 W=ac=bd绿色建筑博客!e.[@B[5{m

Q1x#rsHCk-g0遮阳板到窗户下沿的距离 H=d+h_w

H=aa′ bc=ac×secγ cc′=b′c′tgh

bc=b′c′

则 cc′=ac×secγ×tgh绿色建筑博客3GE4bG)f@\X

0Ayp-e"eM$U.S0H=W×secγ×tgh=W/(cosγ×ctgh) (3-1)绿色建筑博客fpJO[q$R.Qo-]Y
^1c

式中： h_w——窗户高度（本文主要针对住宅建筑，取1.5m）绿色建筑博客'aL5h'g,A2\|

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\0[D V_0γ——太阳方位与墙面法线的夹角绿色建筑博客Y!c2p3M$X Yf:Z9h

h——太阳高度角

由于现在的住宅建筑较以往更重视采光，窗户面积即窗墙比明显增大。在这种情况下水平遮阳板可连成一条。在单个窗户的遮阳板设计计算时，如图1所示只能实现半窗遮阳。如需要满窗遮阳，还需求出水平板两端的延伸长度。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其长度认为无限长，不需要考虑端部延伸的问题。

7o"kOd(kE0由以上建立的数学模型可以看出，我们应该利用冬、夏两季太阳高度角、方位角的变化，最大限度地增大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W、d即为适合天津地区住宅建筑南向墙遮阳板的最佳尺寸。绿色建筑博客 X`m&DdF2^$DKP

3.2具体研究方法的确定绿色建筑博客 i UvyD,_"@w)X4b-x

3@RM|-S+u0在遮阳板的设计中，我们始终是遵循利用冬、夏季太阳高度角不同这条原则。其最理想的情况如图2所示：绿色建筑博客x4YW2nfy:C_

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.X+I b%w)g0在图中采暖季太阳高度角最高的情况下，太阳射线恰好照射到窗户的上沿。这样就可以在任意情况下保证采暖季的满窗照射。同时在空调季太阳高度角最低的情况下太阳射线恰好照射到窗户的下沿，这样就可以在任意情况下保证空调季的满窗遮阳。上述情况是我们在设计遮阳板尺寸时所希望达到的最佳情况。但经计算，为达到上述要求，遮阳板长度过长（约1.7米），同时导致遮阳板到窗户上沿的距离也过长，在实际中无法实现。绿色建筑博客Z'^$K6]~f&K

由于上述情况，我们在设计遮阳板尺寸时只能尽量兼顾夏季的遮阳和冬季的日照。由于天津地区气候的特点在近些年发生了一些变化，夏季持续高温时间明显增长，冬季最低温度也有所下降，气候类型趋近于夏热冬冷型。本文在遮阳板宽度w、遮阳板到窗户上沿距离d取不同值的条件下，通过遮阳板在夏季遮蔽的能量与冬季遮蔽的能量的差值E_s-E_w来判断遮阳板尺寸的好坏。同时给出由在不同d、w情况下，对应E_s-E_w的曲线，以供设计时参考。绿色建筑博客1T&u\}xe0y

通过分析可知，遮阳板所遮蔽的太阳能量是水平面上太阳直射辐射强度、日期和时间的函数。

%x-G ]%A`+n"s#Z:])m1r03.3计算结果及分析绿色建筑博客`'K)B`xP%v+v

为形象起见，本文只给出由具体计算结果生成的数据图（图3、图4）。

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图3 遮阳板在夏、冬季遮蔽的太阳辐射能量差（三维）

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图4 遮阳板在夏、冬季遮蔽的太阳辐射能量差（二维放大）

0{OM%C p%k~.r0经计算证明，要达到上述这种最佳的遮阳效果，遮阳板的长度至少要在1.7米以上，而且遮阳板到窗户上沿的距离也在1米以上。一般住宅建筑的层高在3米以下，而且新建房型多采用1.8米的大窗，再加上一些户型将空调架设置在南向，因此给遮阳板的可调节空间很小。另外，从建筑美学的角度来看，遮阳板的宽度也不宜过长。绿色建筑博客:wo`,w H#q%C

从图中可以看出，d在取0.5m以上的情况下，遮阳板遮蔽的能量曲线趋于平缓。其总的变化趋势是w、d的值越大，遮阳效果越好。但遮阳板的宽度一般不宜过长，一般小于1米。从图中曲线可以看出，每条曲线取最大值时,d、w的值比较接近。这样在w不超过1米的前提下，可同时保证d值不大于1米。这样的距离对于住宅建筑是可行的。绿色建筑博客3e M-t#T'I

4结论

通过以上分析计算，可以得到如下结论：绿色建筑博客E^$R3NJ;UOj

vd+c^7TVmx01 外遮阳相对于内遮阳来讲，能够更为有效的遮蔽太阳辐射能量。外遮阳装置本身吸收的太阳辐射热量大部分以对流散热的方式排入室外，从而有效地避免了内遮阳的这一缺陷。绿色建筑博客 e^;K0f4I-F|iT

2 对于南向或接近南向的窗口上，由于太阳照射时的高度角较高，宜设置水平式遮阳板遮阳。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能达到很好的遮阳效果。绿色建筑博客|XF@k+j

a*of!n&\z3{H"X03 遮阳板作为南向或接近南向窗口上的遮阳设备，综合考虑建筑节能、建筑物美观、遮阳板自身材料及住宅建筑的层高等多种因素，其宽度w宜取在0.6～1.0m之间, 遮阳板距窗户上沿距离d相应取0.5～0.9m之间，全年遮阳节能为80～110MJ/m²。

总之，遮阳板是一种简单可行的建筑节能方式，不同地区在不同的气象条件下，遮阳板的适用尺寸和节能情况有待于进一步的研究。

参考文献

.?5ZppW6AGFdB0[1] 杨斌.天津地区住宅建筑南向墙遮阳板构型设计及节能潜力分析,[硕士学位论文]，天津：天津大学，2003，4.

[2] 郎四维， 建筑能耗分析逐时气象资料的开发研究， 暖通空调， 2002，4：1～5绿色建筑博客8CG6?5I#jL

[3] 吉林省建筑设计院编， 建筑日照设计， 北京：中国建筑工业出版社，1979：180~181

张欢，女，1960年12月生,1987年清华大学热能工程专业硕士毕业，天津大学环境学院建筑环境与设备系副教授，系副主任绿色建筑博客N4b `V;k5g

通讯地址:天津市南开区天津大学环境学院建筑环境与设备工程系,300072绿色建筑博客'X6Cm/y q"sd ?'?I

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G0Tel: 022-27405211, 27400832, 13820834971绿色建筑博客9rU3`Q7c

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