基于太陽輻射的水平外遮陽調(diào)控策略

丁勇，戴輝自，李百戰(zhàn)，連大旗

（重慶大學(xué) 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶，400045）

已有研究表明：采用固定式外遮陽方法，建筑節(jié)能率最高達(dá)58.52%；而采用可調(diào)控的水平外遮陽這一比例可達(dá)72.67%[1]。建筑外遮陽在大幅度降低建筑能耗的同時(shí)，還能有效改善室內(nèi)自然采光環(huán)境[2]。對(duì)于外遮陽的設(shè)置，夏季需在白天時(shí)段盡可能降低進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射，以降低空調(diào)負(fù)荷，并營造良好的室內(nèi)光環(huán)境；冬季需盡可能擴(kuò)大進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射[3]。而由于太陽高度角和方位角的變化，在夏熱冬冷地區(qū)，例如重慶，在建筑的不同朝向、形式和大小上都基本一致的固定式遮陽無法滿足這一遮陽需求[4]。因此，需要設(shè)置可以隨太陽高度角和方位角進(jìn)行調(diào)節(jié)的活動(dòng)式外遮陽，以滿足對(duì)遮陽效果的需求。本文通過研究夏季不同朝向、不同挑出長度的水平外遮陽的遮陽效果，探索適應(yīng)重慶地區(qū)建筑活動(dòng)水平外遮陽的調(diào)控策略，為更好地實(shí)現(xiàn)建筑外遮陽的效果提供實(shí)際操作指導(dǎo)。

1 水平外遮陽作用

1.1 室內(nèi)環(huán)境對(duì)水平外遮陽的需求

太陽輻射照射到外窗表面后，一部分被反射，不成為房間的得熱；一部分直接透過外窗進(jìn)入室內(nèi)，全部成為房間得熱；還有一部分先被外窗玻璃吸收使玻璃溫度升高，然后，其中的一部分以對(duì)流和輻射的形式進(jìn)入室內(nèi)成為房間的得熱[5]。室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷與室內(nèi)得熱有密切關(guān)系，太陽輻射引起的室內(nèi)得熱增加將顯著提高室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷，因此，采用外遮陽可減少透過外窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射，從而達(dá)到減少夏季空調(diào)負(fù)荷的目的。

對(duì)于建筑垂直面圍護(hù)結(jié)構(gòu)即外窗，當(dāng)晴天無外遮陽時(shí)，其表面接收的太陽輻射IZ主要為太陽直射輻射IDV、太陽散射輻射ISV和地面的反射輻射IRV3者之和。設(shè)置外遮陽后，外窗上會(huì)形成陰影區(qū)，該陰影區(qū)內(nèi)將不能接收太陽直射輻射，因此，進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射量將減少。垂直面的太陽直射輻射計(jì)算如下[6]：

其中：IDN和IDV分別為地球法線平面和垂直面的太陽直射輻射強(qiáng)度（W/m2）；I0為太陽常數(shù)；β為太陽高度角（°）；P為大氣透明度等級(jí)；γ為墻面法線和陽光投影線的夾角（°）；As為太陽方位角（°），太陽偏東為負(fù)，偏西為正；Aw為垂直墻面方位角（°），以正南點(diǎn)為0°，順時(shí)針方向（偏西）夾角為正，逆時(shí)針方向（偏東）夾角為負(fù)。

根據(jù)地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的運(yùn)行規(guī)律，太陽高度角與太陽方位角之間的關(guān)系可由式（4）和式（5）計(jì)算得到[5]。

其中：φ 為地理緯度（°）；δ為太陽赤緯角（°）；h為時(shí)角（°）。

經(jīng)綜合可知：太陽高度角和太陽方位角的變化，將直接導(dǎo)致地球法線平面以及建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的垂直面太陽輻射強(qiáng)度變化。太陽高度角越大，地球法線平面太陽輻射強(qiáng)度也越大。而且某地接受的太陽輻射量的大小，與大氣的透明度及云量有直接關(guān)系。例如，位于北半球的重慶地區(qū)，夏季的太陽高度角、大氣透明度等級(jí)較冬季高，但云量較冬季小[7]。因此，夏季（尤其是7、8月份）室外太陽直射輻射比冬季大，見圖1。而各個(gè)垂直墻面由于方位角不同，垂直墻面太陽輻射強(qiáng)度也存在差異[8]。由圖1可見：在7月份，西向墻面月平均輻射強(qiáng)度約為北向的2倍；西向墻面8月份的月平均輻射強(qiáng)度為1月份的3倍。由此可見：一方面，夏季太陽輻射值高，需要降低透過外窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射，而冬季則需要利用透過外窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射；另一方面，在同一季節(jié)同一天的不同時(shí)刻，在建筑的各個(gè)朝向上，太陽輻射值具有明顯的差別，這對(duì)于外遮陽的設(shè)置的合理性要求也不盡相同。因此，研究合理的外遮陽設(shè)置及控制策略，以適應(yīng)變化的天氣狀況和資源狀態(tài)，提高遮陽性能，是有效利用外遮陽降低室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷并營造良好室內(nèi)環(huán)境的關(guān)鍵。

圖1 重慶地區(qū)典型氣象年全年室外和各朝向墻面月平均輻射強(qiáng)度[9]Fig.1 Monthly average radiation intensity of outside and walls with different orientations in typical meteorological year of Chongqing area[9]

1.2 水平外遮陽效果

水平外遮陽是通過在外窗上形成陰影，減少進(jìn)入室內(nèi)的太陽直射輻射達(dá)到遮陽的效果，形成的陰影面積越大，遮擋的太陽直射輻射也越多，遮陽效果就越顯著[10]。影響陰影面積大小的因素眾多，主要有：水平遮陽的外形、外窗朝向和太陽的方位（即時(shí)刻）。而陰影的幾何參數(shù)可以根據(jù)計(jì)算時(shí)刻的太陽高度角β和墻面法線和陽光投影線的夾角γ計(jì)算得到，如圖2所示。假設(shè)，水平外遮陽的挑出長度為X，則可由式（6）和（7）計(jì)算得到水平遮陽陰影的深度T和陰影的偏移量M[11]：

其中：T為水平遮陽陰影的深度（m）；X為水平外遮陽的挑出長度（m）；M為水平遮陽板陰影的偏移量（m）。

由式（6）和（7）可知，陰影的深度T和偏移量M與水平外遮陽的挑出長度成正比，與太陽高度角β成正相關(guān)。當(dāng)墻面方向一定時(shí)，墻面方位角也就一定，1 d內(nèi)太陽方位角As由負(fù)至正，進(jìn)而引起γ變化，陰影偏移量M先減小后反向增加，而陰影深度T變化不定。因此，水平外遮陽由于挑出長度、太陽高度角和太陽方位角參數(shù)的變化，作用效果將存在明顯的差別。評(píng)價(jià)水平外遮陽效果，需要綜合考慮挑出長度、遮陽朝向、太陽高度角、太陽方位角參數(shù)的影響。根據(jù)研究測算表明：南向外遮陽在10:00時(shí)刻，太陽高度角為54°，太陽方位角為?82.37°，窗陰影區(qū)域占窗戶面積比例為93.2%；在12:00時(shí)刻，這一比例變?yōu)?00%；在14:00時(shí)刻，這一比例又降低至 73.7%。由此可知：1 d中各時(shí)刻外遮陽在窗上形成的陰影區(qū)域處于不斷變化的過程，其大小與外遮陽長寬、建筑朝向和太陽方位等參數(shù)密切相關(guān)。

圖2 水平外遮陽形成的陰影區(qū)域分析Fig.2 Analysis of shadow region formed by horizontal external shading

2 水平外遮陽效果

通過上述分析已得水平外遮陽效果會(huì)受到外遮陽長寬、建筑朝向和太陽方位角的影響。為尋找高效的外遮陽設(shè)置參數(shù)，使水平外遮陽的設(shè)置既能最大限度地滿足遮陽的需求，又能滿足自然采光的需求[12]。通過實(shí)驗(yàn)測試并結(jié)合理論分析，在不同遮陽、遮陽朝向和太陽方位角（隨時(shí)間變化）下進(jìn)行水平活動(dòng)外遮陽設(shè)置策略研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

由于太陽光不因模型比例的縮小而改變自身的特性，且室內(nèi)某點(diǎn)的太陽輻射和照度也不會(huì)因?yàn)楸壤目s小而變化[13]。因此，實(shí)驗(yàn)利用幾何相似的原理，構(gòu)造幾何相似比例為1:3的房間模型，并且保證模型房間和實(shí)際房間的室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的顏色和反射率一致[14]。開展實(shí)驗(yàn)測試房間內(nèi)的太陽輻射值和照度值，分析比較遮陽前后的室內(nèi)太陽輻射和室內(nèi)照度變化，以便反映水平外遮陽的遮陽效果。

根據(jù)幾何相似原理并依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)3個(gè)房間模型，測試研究的水平外遮陽朝向分別為東南、南和西南。參照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[15?17]，確定室內(nèi)外太陽輻射和照度的布點(diǎn)（1，2，3和4）和測試的方法（圖3）。

圖3 室內(nèi)太陽輻射強(qiáng)度及室內(nèi)照度測點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of points for measuring indoor sun radiation intensity and indoor illumination

2.2 建筑水平外遮陽效果分析

為分析不同挑出長度水平遮陽的遮陽效果，研究中給出 5種水平外遮陽挑出長度分別為 0（無遮陽），0.3，0.6，0.9和1.2 m，并在重慶地區(qū)夏季典型的晴天天氣條件下，實(shí)測西南，南和東南3種朝向水平遮陽，并得到3種朝向5種水平遮陽挑出長度下8:00，10:00，12:00，14:00和16:00的室內(nèi)太陽輻射值和室內(nèi)照度。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，室內(nèi)太陽輻射值取室內(nèi)各個(gè)測點(diǎn)太陽輻射值的平均值，室內(nèi)照度取室內(nèi)各個(gè)測點(diǎn)照度的平均值，室內(nèi)太陽輻射降低幅度以同時(shí)刻、同方向的水平遮陽挑出長度為 0（無遮陽）時(shí)室內(nèi)太陽輻射為基準(zhǔn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于同一時(shí)刻下的南向水平外遮陽，隨著挑出長度的增加，室內(nèi)太陽輻射降低但幅度逐漸變緩，其中由0 m增至0.3 m時(shí)降低幅度最大。在8:00時(shí)刻，外遮陽挑出長度分別為0（無遮陽），0.3，0.6，0.9和1.2 m時(shí)，水平遮陽引起的室內(nèi)太陽輻射降幅變化趨勢如圖4所示，每增加的0.3 m挑出長度引起的室內(nèi)太陽輻射降幅分別為 17.4%，15.7%，4.3%和 9.6%。由圖 4可知：當(dāng)水平外遮陽挑出長度達(dá)到0.6 m后，再增加外遮陽的挑出長度對(duì)降低室內(nèi)太陽輻射幅度作用已不明顯，稱此狀態(tài)點(diǎn)為外遮陽效果的分界點(diǎn)。表1所示為南向遮陽每增加0.3 m遮陽室內(nèi)太陽輻射降低百分比。類似地，由表1可知：在10:00，12:00，14:00和 16:00時(shí)刻，外遮陽效果分界點(diǎn)分別在0.6，0.6，0.6和0.3 m。此時(shí)，在8:00—14:00時(shí)段和14:00—16:00時(shí)段分別按0.6和0.3 m設(shè)置水平外遮陽后，8:00—14:00時(shí)段內(nèi) 8:00出現(xiàn)該時(shí)段室內(nèi)照度最低，為635.8 lx；而14:00—16:00時(shí)段室內(nèi)照度最低值為848.8 lx；這些數(shù)據(jù)均完全滿足《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中工作面的照度值大于300 lx的要求。因此，按上述設(shè)置外遮陽可同時(shí)滿足遮擋太陽輻射和采光的要求。

圖4 8:00時(shí)刻南向不同水平外遮陽室內(nèi)太陽輻射變化Fig.4 Changing of indoor sun radiation shading at different horizontals external shading when 8:00 in South orientation

除遮陽尺寸產(chǎn)生的影響外建筑朝向也是影響遮陽效果的重要因素。對(duì)于東南向和西南向的房間，由于朝向成 90°夾角，可知太陽的運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致室內(nèi)太陽輻射變化趨勢相反。圖5所示為8:00和14:00東南向和西南向各遮陽水平下室內(nèi)太陽輻射變化趨勢。在8:00未遮陽時(shí)，西南向的太陽輻射較低，僅為7.5 W/m2，而東南向的為129.6 W/m2。至14:00，西南向的太陽輻射增加至 146.5 W/m2，而東南向則降低至 16.5 W/m2。2種朝向同一時(shí)刻需要遮擋的太陽輻射量大不相同。若在同一時(shí)刻，各朝向設(shè)置同一遮陽，如表 2所示，例如8:00挑出長度為0.3 m時(shí)，西南向和東南向遮陽下室內(nèi)太陽輻射的降幅分別為13.0%和31.3%，相差較大。因此，為充分達(dá)到遮陽效果，需針對(duì)不同朝向及時(shí)間設(shè)置水平遮陽長度。

對(duì)于西南向和東南向水平遮陽，采用類似于南向水平遮陽的分析和研究方法，分別得到關(guān)于西南向和東南向的不同時(shí)段的水平外遮陽控制策略。綜合上述分析，可給出如表3所示的水平外遮陽控制策略。

表1 南向遮陽每增加0.3 m遮陽室內(nèi)太陽輻射降低百分比Table 1 Reducing of indoor sun radiation when the length of south horizontal external shading increasing every 0.3 m %

圖5 8:00和14:00時(shí)刻?hào)|南向和西南向各遮陽水平下室內(nèi)太陽輻射變化Fig.5 Changing of indoor sun radiation in southwest and southeast orientations at different horizontals external shading when 8:00 and 14:00

表2 西南向和東南向不同時(shí)刻不同遮陽水平下的室內(nèi)太陽輻射降幅（相對(duì)于無遮陽）Table 2 Declined indoor sun radiation in southwest and southeast orientations at different time and different horizontals external shading（compared with no-shading condition）%

表3 不同朝向水平外遮陽調(diào)控策略Table 3 Controlling strategy for horizontal external shading in different orientations

3 結(jié)論

（1）各個(gè)朝向下，隨著遮陽挑出長度的增加，室內(nèi)太陽輻射值降低，但隨著遮陽挑出長度值的增大，遮陽的作用效果不再明顯，出現(xiàn)明顯的作用效果分界點(diǎn)。對(duì)于南向的遮陽，挑出長度由0.3 m增至1.2 m時(shí)，室內(nèi)太陽輻射降低幅度由 16.5%增至 40.7%，但到0.6 m后每增加的0.3 m遮陽引起的室內(nèi)太陽輻射降低值減至5.6%。

（2）在相同朝向和遮陽下，不同時(shí)刻遮陽效果也存在較大差別：南向遮陽水平為 0.3 m時(shí)，10:00和12:00時(shí)刻室內(nèi)太陽輻射降幅分別為21.6%和13.7%。

（3）在相同時(shí)刻和遮陽下，不同朝向時(shí)，遮陽效果也存在較大差別，例如西南向和東南向8:00時(shí)刻水平外遮陽為13.0%和5.1%。

（4）南向水平外遮陽的最佳調(diào)控時(shí)段為 10:00—14:00；在8:00—14:00時(shí)段內(nèi)遮陽最佳挑出長度為0.6 m；在 14:00—16:00時(shí)段水平外遮陽調(diào)至0.3 m；東南向水平外遮陽的最佳調(diào)控時(shí)段為8:00—10:00；且該時(shí)段最佳挑出長度為0.6 m；而在14:00—16:00時(shí)間段內(nèi)水平外遮陽挑出長度為0 m；西南向水平外遮陽需求及趨勢與東南向外遮陽相反，其最佳調(diào)控時(shí)段為14:00—16:00，此時(shí)段外遮陽最佳挑出長度為0.6 m，在8:00—12:00時(shí)段水平外遮陽挑出長度為0 m。

[1]田慧峰,孫大明,朱慧賓.廣州地區(qū)建筑外遮陽節(jié)能性能研究[J].建筑節(jié)能,2007,35（10）:27?30.TIAN Hui-feng,SUN Da-ming,ZHU Hui-bin.Research of energy efficiency performance of building exterior shading in Guangzhou region[J].Building Energy Efficiency,2007,35（10）:27?30.

[2]張宬,王冬梅,楊墨池.夏熱冬冷地區(qū)外遮陽對(duì)建筑能耗及采光效果的影響分析[J].建筑科學(xué),2011,27（4）:75?83.ZHANG Cheng,WANG Dong-mei,YANG Mo-chi.Analysis on the influences of external shading on building energy consumption and daylighting effect in hot-summer and cold-winter region[J].Building Science,2011,27（4）:75?83.

[3]DING Yong,ZHANG Li-wen.Function analyses of external shading of window in building energy-saving[J].Journal of Central South University of Technology,2007,14（S3）:12?15.

[4]丁勇,李百戰(zhàn),劉猛,等.高能效活動(dòng)外遮陽:中國,CN101736868A[P].2010?06?16.DING Yong,LI Bai-zhan,LIU Meng,et al.Highly energy-efficient moving shading:China,CN101736868A[P].2010?06?16.

[5]朱穎心.建筑環(huán)境學(xué)[M].2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005:10?45.ZHU Yin-xin.Building Environment[M].2nd ed.Beijing:China Architecture &Building Press,2005:10?45.

[6]華南理工大學(xué)，重慶大學(xué),大連理工大學(xué),等.建筑物理[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2002:34?35.South China University of Technology,Chongqing University,Dalian University of Technology,et al.Architectural physics[M].Guangzhou:South China University of Technology Press,2002:34?35.

[7]丁勇,連大旗,李百戰(zhàn).重慶地區(qū)太陽能資源的建筑應(yīng)用潛力分析[J].太陽能學(xué)報(bào),2011,32（2）:165?170.DING Yong,LI Da-qi,LI Bai-zhan.Potential analysis of architectural application of solar energy resource in Chongqing[J].Acta Energiae Solaris Sinica,2011,32（4）:165?170.

[8]DING Yong,LI Bai-zhan,LUO Qing,et al.Effect of natural resource on improving indoor thermal environment in Chongqing[J].Frontiers of Architecture and Civil Engineering in China,2009,3（2）:211?218.

[9]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室,清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系,中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005:79?87.China’s Weather Information Center Meteorological Reference Room,Architecture Technology Science of Tsinghua University[CD].Beijing:China Architecture and Building Press,2005:79?87.

[10]張雯,張三明.建筑遮陽與節(jié)能[J].華中建筑,2004,22（5）:86?88.ZHANG Wen,ZHANG San-ming.Sunshade and energy efficiency in buildings[J].Huazhong Architecture,2004,22（5）:86?88.

[11]趙書杰.夏熱冬冷地區(qū)建筑遮陽技術(shù)應(yīng)用的探討[J].建筑科學(xué),2006,22（6A）:73?35.ZHAO Shu-jie.Discussion on the application of building sun-shading technology in hot summer and cold winter zone[J].Building Science,2006,22（6A）:73?35.

[12]LIAN Da-qi,DING Yong,YAO Run-ming.Building external shading effecting on indoor light environment[J].Journal of Chongqing University（English edition）,2009,8（s1）:39?43.

[13]劉加平.城市環(huán)境物理[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,1993:41?44.LIU Jia-ping.City environment physical[M].Xi’an:Xi’an Jiaotong University Press,1993:41?44.

[14]宋彧,張貴文,黨星海,等.相似模型與縮尺模型特點(diǎn)分析[J].高等建筑教育,2003,12（4）:57?58.SONG Yu,ZHANG Gui-wen,DANG Xing-hai.Specialties analysis of similar model and reduced - scale model[J].Journal of Architectural Education in Institutions of Higher Learning,2003,12（4）:57?58.

[15]GBT 5699—2008,采光測量方法[S].GBT 5699—2008,Methods of daylighting measurements[S].

[16]GBT 5700—1985,室內(nèi)照明測量方法[S].GBT 5700—1985,Indoor lighting measurement method[S].

[17]GBT 50033—2001,建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].GBT 50033—2001,Standard for daylighting design of buildings[S].