淺析建筑構件遮陽系數確定中存在的問題

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    摘要：  在夏季 ,通過窗戶進入室內的空調負荷主要來自太陽輻射。采用減少外窗縫隙的空氣滲透或者減少外窗的傳熱系數等手段來降低外窗的負荷和能耗 ,作用很有限 ,必須采取有效的遮陽措施 ,來遮擋太陽輻射照度。
       
1.建筑構件遮陽系數的確定方法
在夏季 ,通過窗戶進入室內的空調負荷主要來自太陽輻射。采用減少外窗縫隙的空氣滲透或者減少外窗的傳熱系數等手段來降低外窗的負荷和能耗 ,作用很有限 ,必須采取有效的遮陽措施 ,來遮擋太陽輻射照度。
綜合遮陽系數是玻璃遮蔽系數與窗戶內外遮陽的遮陽系數的乘積。其中 ,計算建筑外遮陽對透過窗戶 玻璃幕墻 進入室內的太陽輻射熱量是一個十分復雜的問題。太陽在天空中按既定的軌道運行 ,它的高度和方位角每時每刻都在不斷變化 ,室外的氣象條件也不穩(wěn)定 ,造成太陽輻射強度隨時間不斷變化 ,使建筑外遮陽在窗 幕墻 面上的輻射照度極不相同。建筑外遮陽對直射輻射和散射的遮蔽作用也是不同的 ,因此 ,存在多種外遮陽系數的確定方法 ,也沒有統(tǒng)一的標準。GB50189 - 2005《公共建筑節(jié)能設計標準 》中采用的外遮陽系數確定方法 ,是利用建筑能耗模擬計算程序進行模擬計算而得到計算遮陽系數方程的系數，其計算過程如下。
1.1建立回歸方程
水平遮陽板外遮陽系數:
SD H= a H OPF2 + b H OPF + 1
垂直遮陽板外遮陽系數:
SD N= a N SPF2 + b N SPF +1
式中 　OPF =A /B———表示水平遮陽板的外挑系數
SPF =A /B———表示垂直遮陽板的外挑系數
 
只要確定了回歸系數 aH , b H,某一地理位置某一朝向建筑外遮陽的遮陽系數 ,即可用回歸方程確定。
1.2確定回歸系數 aH , b H
確定的方法是通過建筑能耗模擬計算程序DOE - 2代替實驗法進行模擬計算。假設一個建筑基本模型如圖 2所示 ,此模型在外遮陽系數分析時, 只考慮單獨的水平遮陽或垂直遮陽。然后輸入氣象資料對建筑物進行全年動態(tài)能量模擬分析,并對數據進行分析計算 ,將計算出來的多組 SD值和 OPF（SPF）值代入回歸方程而得到相關系數aH , bH。
 
2.存在問題及其對遮陽系數的影響分析
2.1存在問題
首先 ,為了減少計算的參數 ,所假設的建筑模型中 ,水平遮陽板的板寬同窗口寬度 ,且兩端對齊;垂直遮陽板的板高同窗口高度 ,兩端對齊 ,未考慮水平遮陽板兩邊挑出窗口的距離和垂直遮陽板挑出窗口上沿高度對遮陽效果產生的影響。其次 ,全國有不同類型的氣候地區(qū) ,有的需要遮陽減少空調能耗 ,有的卻需要減少遮陽以減少采暖能耗 ,也有的既需要空調降溫 ,又需要采暖升溫 ,這就需要處理建筑遮陽時兼顧不同的需要。在外遮陽研究時 ,應該按空調和采暖計算期 ,對外遮陽的遮陽系數進行分別計算。然而 ,在《公共建筑節(jié)能設計標準 》中所提供的計算系數 aH , bH ,是考慮固定外遮陽在整個采暖期和空調期對進入室內太陽輻射得熱影響的一個平均折減 ,不能分別反映空調計算期和采暖計算期對遮陽系數的不同要求。
2.2水平遮陽板兩邊出挑對遮陽系數的影響分析
陰影角規(guī)圖畫出了從某個觀察點所看到的被產生陰影的遮陽板所遮擋的天空 ,能直觀地反映遮陽板的遮陽效果。本文用繪制遮陽板陰影角規(guī)圖的方法 ,來分析出挑對遮陽效果的影響。如圖 3所示 ,水平遮陽板 A兩邊不出挑 ,板寬與窗口寬度相同 ,遮陽板 B與 A的寬度尺寸相同只是板長的兩邊出挑 ,假設出挑長度 m = 300mm。從窗戶最低點 P點的陰影角規(guī)圖可以看到 ,遮陽板兩端出挑帶來的遮陽效果增益是相當明顯的。同時 ,從陰影角規(guī)圖可以看出 ,水平遮陽板的長寬比越大 ,兩端出挑帶來的遮陽增益越小 ,即應有適宜的長寬比。
 
2.3垂直遮陽板上端出挑對遮陽系數的影響分析
如圖 4所示 ,垂直遮陽板 C兩端不出挑 ,板高與窗口高度相同 ,遮陽板 D與 C的寬度尺寸相同 , 只是板高上端出挑 ,假設出挑高度 n =300mm。圖4下左圖是垂直遮陽板板高無限高時 ,窗戶最低點 Q點的陰影角規(guī)圖;圖 4下中圖是垂直遮陽板寬度無限寬時 Q點東南天空的陰影角規(guī)圖;圖 4下右圖是遮陽板 C和 D的陰影角規(guī)圖。從 3個圖中可以看出 ,遮陽板出挑板高的 1/5,也有一些遮陽增益。但若垂直遮陽板的高寬比越大 ,上端出挑所帶來的增益越小 ,即應有適合的高寬比。
 
陰影角規(guī)圖分析表明,寬長比越接近 1的水平遮陽板和垂直遮陽板 ,增加兩邊出挑 ,對遮陽效果的增益越明顯。
2.4空調期和采暖期對遮陽系數的不同要求
在夏季 ,采取窗口外遮陽措施 ,是改善住宅室內熱環(huán)境、降低空調能耗的一個重要措施 ,但在冬季，太陽輻射對于室內熱環(huán)境卻是非常有利的。因此, 外窗遮陽設計在考慮夏季遮蔽太陽輻射的同時 ,也要兼顧冬季對太陽輻射的需求。
在具體設計遮陽板的過程中 ,始終是遵循利用冬、夏季太陽高度角不同這一原則。其最理想的情況如圖 5所示。圖 5中采暖季太陽高度角最高的情況下 ,太陽射線恰好照射到窗戶的上沿。這樣 ,就可以在任意情況下保證采暖季的滿窗日照。同時 ,在空調季太陽高度角最低的情況下 ,太陽射線恰好照射到窗戶的下沿 ,這樣 ,就可以在任意情況下保證空調季的滿窗遮陽。上述情況 ,是在設計遮陽板尺寸時所希望達到的最佳狀況。但經計算 ,為達到上述要求 ,遮陽板寬度過寬 約（1. 7 m） ,同時 ,遮陽板到窗戶上沿的距離也過長 ,在實際中無法實現。由于上述情況 ,在設計遮陽板尺寸時 ,只能盡量兼顧夏季的遮陽和冬季的日照。
 
為了方便計算 ,《標準 》中所提供的計算系數aH , b H ,是考慮固定外遮陽在整個采暖期和空調期對進入室內太陽輻射得熱影響的一個平均折減。折減之前 ,回歸系數aH , b H有采暖期和空調期兩個值?，F以上海地區(qū)為例 ,來分析空調期和采暖期不同時期的遮陽系數情況。上海屬于夏熱冬冷地區(qū) ,需要同時兼顧夏天降溫和冬天采暖 ,其南向水平遮陽板采暖期的回歸系數分別為aH = 0. 4691, bH=-0.7886; 空調期的回歸系數分別為aH=0.3368, bH=-0.7995。根據遮陽系數回歸方程 ,做出南向水平遮陽板采暖期的 Sd .OPF圖和空調期的Sd .OPF圖,如圖 6所示。從圖中可以看出,當 OPF = 1. 2時,空調期的外遮陽系數最小,夏天遮蔽太陽輻射能最多; 當 OPF =1. 7時,采暖期遮陽系數為 1,開始出現滿窗照射。
 
圖 6較直觀地反映了 OPF值變化時相應的采暖期和空調期外遮陽系數的變化關系,現實中 OPF取值在 1. 2～1. 7的范圍內, OPF值越接近 1. 2,夏季遮擋太陽輻射的效果越好, OPF值越接近 1. 7,冬天獲得太陽輻射的效果越好,設計者可以根據不同的遮陽需要,選擇合適的 OPF值。
3.結語
外遮陽系數確定方法雖然多樣 ,但無論是哪種方法 ,目的只有兩個:一是方便建筑師設計;二是客觀全面地反映遮陽效果。通過計算圖表的分析 ,筆者認為 ,遮陽系數確定過程中應當注意以下問題。
（1） 水平遮陽板兩端出挑和垂直遮陽板上端出挑對遮陽系數的影響是明顯的 ,且出挑距離越大 ,遮陽效果越好。建筑設計中 ,應根據建筑立面的設計, 確定適宜的出挑長度。
（2） 空調期和采暖期對遮陽系數有不同要求: 嚴寒地區(qū) ,應優(yōu)先考慮采暖期的日照要求;夏熱冬暖地區(qū) ,應優(yōu)先考慮空調期的遮陽要求;夏熱冬冷地區(qū) ,應同時兼顧空調期和采暖期的日照要求。