浅析建筑构件遮阳系数确定中存在的问题

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    摘要：  在夏季 ,通过窗户进入室内的空调负荷主要来自太阳辐射。采用减少外窗缝隙的空气渗透或者减少外窗的传热系数等手段来降低外窗的负荷和能耗 ,作用很有限 ,必须采取有效的遮阳措施 ,来遮挡太阳辐射照度。
       
1.建筑构件遮阳系数的确定方法
在夏季 ,通过窗户进入室内的空调负荷主要来自太阳辐射。采用减少外窗缝隙的空气渗透或者减少外窗的传热系数等手段来降低外窗的负荷和能耗 ,作用很有限 ,必须采取有效的遮阳措施 ,来遮挡太阳辐射照度。
综合遮阳系数是玻璃遮蔽系数与窗户内外遮阳的遮阳系数的乘积。其中 ,计算建筑外遮阳对透过窗户 玻璃幕墙 进入室内的太阳辐射热量是一个十分复杂的问题。太阳在天空中按既定的轨道运行 ,它的高度和方位角每时每刻都在不断变化 ,室外的气象条件也不稳定 ,造成太阳辐射强度随时间不断变化 ,使建筑外遮阳在窗 幕墙 面上的辐射照度极不相同。建筑外遮阳对直射辐射和散射的遮蔽作用也是不同的 ,因此 ,存在多种外遮阳系数的确定方法 ,也没有统一的标准。GB50189 - 2005《公共建筑节能设计标准 》中采用的外遮阳系数确定方法 ,是利用建筑能耗模拟计算程序进行模拟计算而得到计算遮阳系数方程的系数，其计算过程如下。
1.1建立回归方程
水平遮阳板外遮阳系数:
SD H= a H OPF2 + b H OPF + 1
垂直遮阳板外遮阳系数:
SD N= a N SPF2 + b N SPF +1
式中 　OPF =A /B———表示水平遮阳板的外挑系数
SPF =A /B———表示垂直遮阳板的外挑系数
 
只要确定了回归系数 aH , b H,某一地理位置某一朝向建筑外遮阳的遮阳系数 ,即可用回归方程确定。
1.2确定回归系数 aH , b H
确定的方法是通过建筑能耗模拟计算程序DOE - 2代替实验法进行模拟计算。假设一个建筑基本模型如图 2所示 ,此模型在外遮阳系数分析时, 只考虑单独的水平遮阳或垂直遮阳。然后输入气象资料对建筑物进行全年动态能量模拟分析,并对数据进行分析计算 ,将计算出来的多组 SD值和 OPF（SPF）值代入回归方程而得到相关系数aH , bH。
 
2.存在问题及其对遮阳系数的影响分析
2.1存在问题
首先 ,为了减少计算的参数 ,所假设的建筑模型中 ,水平遮阳板的板宽同窗口宽度 ,且两端对齐;垂直遮阳板的板高同窗口高度 ,两端对齐 ,未考虑水平遮阳板两边挑出窗口的距离和垂直遮阳板挑出窗口上沿高度对遮阳效果产生的影响。其次 ,全国有不同类型的气候地区 ,有的需要遮阳减少空调能耗 ,有的却需要减少遮阳以减少采暖能耗 ,也有的既需要空调降温 ,又需要采暖升温 ,这就需要处理建筑遮阳时兼顾不同的需要。在外遮阳研究时 ,应该按空调和采暖计算期 ,对外遮阳的遮阳系数进行分别计算。然而 ,在《公共建筑节能设计标准 》中所提供的计算系数 aH , bH ,是考虑固定外遮阳在整个采暖期和空调期对进入室内太阳辐射得热影响的一个平均折减 ,不能分别反映空调计算期和采暖计算期对遮阳系数的不同要求。
2.2水平遮阳板两边出挑对遮阳系数的影响分析
阴影角规图画出了从某个观察点所看到的被产生阴影的遮阳板所遮挡的天空 ,能直观地反映遮阳板的遮阳效果。本文用绘制遮阳板阴影角规图的方法 ,来分析出挑对遮阳效果的影响。如图 3所示 ,水平遮阳板 A两边不出挑 ,板宽与窗口宽度相同 ,遮阳板 B与 A的宽度尺寸相同只是板长的两边出挑 ,假设出挑长度 m = 300mm。从窗户最低点 P点的阴影角规图可以看到 ,遮阳板两端出挑带来的遮阳效果增益是相当明显的。同时 ,从阴影角规图可以看出 ,水平遮阳板的长宽比越大 ,两端出挑带来的遮阳增益越小 ,即应有适宜的长宽比。
 
2.3垂直遮阳板上端出挑对遮阳系数的影响分析
如图 4所示 ,垂直遮阳板 C两端不出挑 ,板高与窗口高度相同 ,遮阳板 D与 C的宽度尺寸相同 , 只是板高上端出挑 ,假设出挑高度 n =300mm。图4下左图是垂直遮阳板板高无限高时 ,窗户最低点 Q点的阴影角规图;图 4下中图是垂直遮阳板宽度无限宽时 Q点东南天空的阴影角规图;图 4下右图是遮阳板 C和 D的阴影角规图。从 3个图中可以看出 ,遮阳板出挑板高的 1/5,也有一些遮阳增益。但若垂直遮阳板的高宽比越大 ,上端出挑所带来的增益越小 ,即应有适合的高宽比。
 
阴影角规图分析表明,宽长比越接近 1的水平遮阳板和垂直遮阳板 ,增加两边出挑 ,对遮阳效果的增益越明显。
2.4空调期和采暖期对遮阳系数的不同要求
在夏季 ,采取窗口外遮阳措施 ,是改善住宅室内热环境、降低空调能耗的一个重要措施 ,但在冬季，太阳辐射对于室内热环境却是非常有利的。因此, 外窗遮阳设计在考虑夏季遮蔽太阳辐射的同时 ,也要兼顾冬季对太阳辐射的需求。
在具体设计遮阳板的过程中 ,始终是遵循利用冬、夏季太阳高度角不同这一原则。其最理想的情况如图 5所示。图 5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日照。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 ,是在设计遮阳板尺寸时所希望达到的最佳状况。但经计算 ,为达到上述要求 ,遮阳板宽度过宽 约（1. 7 m） ,同时 ,遮阳板到窗户上沿的距离也过长 ,在实际中无法实现。由于上述情况 ,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。
 
为了方便计算 ,《标准 》中所提供的计算系数aH , b H ,是考虑固定外遮阳在整个采暖期和空调期对进入室内太阳辐射得热影响的一个平均折减。折减之前 ,回归系数aH , b H有采暖期和空调期两个值。现以上海地区为例 ,来分析空调期和采暖期不同时期的遮阳系数情况。上海属于夏热冬冷地区 ,需要同时兼顾夏天降温和冬天采暖 ,其南向水平遮阳板采暖期的回归系数分别为aH = 0. 4691, bH=-0.7886; 空调期的回归系数分别为aH=0.3368, bH=-0.7995。根据遮阳系数回归方程 ,做出南向水平遮阳板采暖期的 Sd .OPF图和空调期的Sd .OPF图,如图 6所示。从图中可以看出,当 OPF = 1. 2时,空调期的外遮阳系数最小,夏天遮蔽太阳辐射能最多; 当 OPF =1. 7时,采暖期遮阳系数为 1,开始出现满窗照射。
 
图 6较直观地反映了 OPF值变化时相应的采暖期和空调期外遮阳系数的变化关系,现实中 OPF取值在 1. 2～1. 7的范围内, OPF值越接近 1. 2,夏季遮挡太阳辐射的效果越好, OPF值越接近 1. 7,冬天获得太阳辐射的效果越好,设计者可以根据不同的遮阳需要,选择合适的 OPF值。
3.结语
外遮阳系数确定方法虽然多样 ,但无论是哪种方法 ,目的只有两个:一是方便建筑师设计;二是客观全面地反映遮阳效果。通过计算图表的分析 ,笔者认为 ,遮阳系数确定过程中应当注意以下问题。
（1） 水平遮阳板两端出挑和垂直遮阳板上端出挑对遮阳系数的影响是明显的 ,且出挑距离越大 ,遮阳效果越好。建筑设计中 ,应根据建筑立面的设计, 确定适宜的出挑长度。
（2） 空调期和采暖期对遮阳系数有不同要求: 严寒地区 ,应优先考虑采暖期的日照要求;夏热冬暖地区 ,应优先考虑空调期的遮阳要求;夏热冬冷地区 ,应同时兼顾空调期和采暖期的日照要求。