高校圖書館外立窗遮陽裝置模擬分析及優(yōu)化設計

摘 要：文章針對圖書館外部遮陽設備對太陽輻射的影響進行了仿真分析，利用Weather Tool軟件對圖書館外部環(huán)境進行了分析，提出了對建筑熱舒適影響最小的改動方案是采取被動式遮陽措施，利用Ecotect生態(tài)建筑仿真軟件分析了遮陽板對建筑室內(nèi)太陽輻射的影響，在CAD制圖軟件進行圖書館模型建模的基礎上，導入氣候數(shù)據(jù)，通過Ecotect進行網(wǎng)格劃分，分析了不同情況下遮陽板對閱覽室內(nèi)太陽輻射的改變，給出了相應遮陽板調節(jié)的控制策略，并在此基礎上設計了一款腳踩式遮陽裝置，更方便學生的使用。

關鍵詞：高校圖書館；遮陽設備；ECOTECT；控制；腳踩式

現(xiàn)有的圖書館環(huán)境控制大多是當室內(nèi)溫濕度、光照度與外部環(huán)境差異較大時，管理員才會進行空調、燈具、遮陽板等的調節(jié)來改變圖書館室內(nèi)環(huán)境，而這種根據(jù)經(jīng)驗進行的調節(jié)因為不能得到有效的反饋，常常會出現(xiàn)調節(jié)前后差值過大而難以量化控制，因此分析不同情況下圖書館外立窗的最佳遮陽角度，可以改善環(huán)境的舒適度和間接提高工作、學習效率。

我國高校圖書館建筑的南向窗戶占墻的比例越來越大，所以在追求冬季南向玻璃外窗采光取暖和照明的同時，要對夏季光照過強進行遮光處理，文章就通過ECOTECT生態(tài)建筑大師模擬軟件對上海海洋大學圖書館閱覽室南向外窗橫向百葉結遮陽板對光照度的影響進行模擬仿真。共進行了三組不同情況的對比分析：

（1）一樓安裝了橫向百葉遮陽板，二樓未安裝橫向百葉遮陽板，研究了在相同太陽方位角不同高度角時，安裝橫向百葉結遮陽板對室內(nèi)光照度的影響；

（2）一樓東邊6扇外窗安裝了橫向百葉結遮陽板，一樓西邊6扇外窗未安裝橫向百葉結遮陽板，研究了在相同太陽高度角不同方位角時，同一閱覽室內(nèi)安裝橫向百葉結遮陽板區(qū)域的光照情況；

（3）一樓安裝的橫向百葉結遮陽板，當處在水平、傾斜30°、傾斜60°集中不同角度時對室內(nèi)光照度的影響。

1 外部環(huán)境分析

1.1 外部氣候特征分析

浦東新區(qū)臨港新城位于上海東南角，具有上海地區(qū)的一切氣候特征，同時因為靠近東海水域，更加的濕潤。利用Weather Tool工具導入上海地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，可以直觀地看出上海海洋大學圖書館所處的外部氣候特征。

借用Weather Tool分析工具生成當?shù)刂饡r干球溫度、濕度分布如圖1所示，橫坐標為月份和日期，縱坐標分別為干球溫度/℃和濕度/%，從圖1（a）可以看出該地區(qū)年平均干球溫度在16℃左右，其中1月份溫度最低，平均溫度為5℃，7-8月份溫度最高，平均干球溫度為28℃，為典型的夏熱冬冷型氣候。從圖1（b）可以看出該地區(qū)全年濕度比較高，一年平均濕度在60%～85%之間，且大多處于70%～80%之間，據(jù)此可知該地區(qū)典型氣候為夏季悶熱潮濕、冬季陰冷潮濕。

1.2 太陽輻射分析

在對上海地區(qū)進行太陽輻射分析時，選用2015年6月21這天12：15的太陽輻射投影。在采用笛卡爾坐標系進行分析時，橫坐標是太陽方位角，縱坐標是太陽高度角，如圖2所示。由圖看出此時太陽方位角為-150.9°，即西南60.9°。高度角為81.0°，即太陽入射方向與地平面夾角為81.0°，接近垂直，此時太陽在建筑西南方向接近正上方，如太陽輻射球面影圖2所示位置。

2 外立窗遮陽分析

2.1 建筑模型設計

文章采用的建筑模型是上海海洋大學圖書館一、二樓西南向閱覽室，這兩間閱覽室都是大多數(shù)高校圖書館類借閱合一的模式，圖書館閱覽室靠西南面的是玻璃圓弧形外窗，白天基本使用自然光照，在夏季時，應盡量避免陽光過強的直接入射，導致太陽輻射熱過大。由于透明玻璃幕墻已建好，應根據(jù)采光要求安裝遮陽板及進行角度分析。

一樓墻高4米，二樓外墻高1米，中墻高3米，內(nèi)墻高4米，閱覽室內(nèi)書架均高2.0米，閱覽書桌高1.0米。采用橫向百葉結遮陽板進行遮陽設計，實際建筑如圖3所示。

圖3 上海海洋大學圖書館閱覽室一二樓外遮陽窗

根據(jù)Ecotect軟件自帶建模功能，建立一、二樓閱覽室模型如圖4所示。其中一樓外立窗面共12扇玻璃窗，西向6扇玻璃窗不安裝遮陽板，東向6扇安裝遮陽板。一扇窗戶玻璃高3800mm，遮陽板寬200mm，一扇玻璃上共19片遮陽板，兩片之間間隔200mm，最上層百葉緊靠窗頂，遮陽板可自由旋轉，模型中Y軸指向與指北針相同。

圖4 帶遮陽板模型圖

2.2 晴天夏季百葉窗遮陽系統(tǒng)模擬分析

在建立的模型中導入氣象數(shù)據(jù)“Shanghai.CSWD”，考慮到夏季遮陽板的主要功能是進行遮陽，因此將建筑模型中遮陽板的位置設置為水平、下傾30°和下傾60°三種情況進行太陽能輻射模擬分析比較，建筑模型的正面效果如圖5所示。

（a）遮陽板水平時建筑模型正面效果圖

（b）遮陽板下傾30°時建筑模型正面效果圖

（c）遮陽板下傾60°時建筑模型正面效果圖

圖5 夏天遮陽板不同角度建筑模型正面效果圖

2.2.1 相同高度角遮陽情況分析

對夏天某個晴天6月22日上海海洋大學圖書館一樓外立玻璃窗的遮陽情況進行分析，將遮陽板調至下傾60°角放置，一樓東邊6扇窗戶有遮陽板，西邊6扇窗戶無遮陽板，在相同太陽高度角時分析太陽輻射情況如圖6和圖7所示。

仿真得出有遮陽板一邊的太陽平均輻射值為1451.60Wh，等值線范圍為900-1500Wh，步長為60Wh；無遮陽板一邊的太陽平均輻射值為1522.56Wh，等值線范圍為1000-1500Wh，步長為50Wh。可見在相同太陽高度角下，有遮陽板能降低室內(nèi)太陽輻射值，輻射步長降低16.7%左右，減光效果很明顯。

2.2.2 相同方位角遮陽情況分析

對上海海洋大學圖書館二樓閱覽室進行遮陽仿真，與一樓的閱覽室無遮陽板部分進行對比分析，在同一時間相同方位角時，不同的高度角下，二樓閱覽室太陽輻射情況如圖7所示。

對比圖6可知，二樓外立窗太陽輻射平均值為2169.48Wh，等值線范圍為1400-2400Wh，輻射步長為100Wh，比一樓外立窗玻璃同方位角的太陽輻射均值增大42.5%，輻射步長增加1倍，太陽輻射增大情況明顯。

2.2.3 遮陽板不同角度遮陽分析

對夏天6月22日及6月份整月的外立玻璃窗的遮陽情況進行分析，分別將遮陽板水平、下傾30°角及下傾60°角放置，得到太陽輻射情況如圖8至10所示。

表1 遮陽板不同角度太陽輻射值

將一樓遮陽板在不同位置的輻射情況匯總成表1所示，從表中可以看出，在11：30-15：00之間，遮陽板水平放置時，太陽輻射均值為3998.65Wh，下傾30°時平均輻射值為2836.06Wh，下傾60°時平均輻射值為1851.12Wh；遮陽板從水平到下傾30°時輻射步長減短了33.3%，從下傾30°到下傾60°時輻射步長減短了12.5%，遠低于33.3%，說明對太陽照射的遮擋效果已趨減小，而太陽輻射值從水平至30°的29.1%減小到30°到60°的34.7%，太陽輻射減小效果很明顯，使得室內(nèi)光線變暗，因在30°角時上遮陽板下邊陰影已經(jīng)擋住了下遮陽板上邊，此時在增大遮陽板角度，只會讓室內(nèi)光照度變得更低，亮度更暗。因此在11：30-15：00之間時候，遮陽板下傾角度在30°即可。

2.3 晴天冬季百葉窗遮陽系統(tǒng)模擬分析

為了不同于夏天遮陽板情況，將冬天遮陽板設置為、上傾30°和上傾60°。對兩種情況的太陽輻射情況進行模擬分析，不同位置的遮陽板建筑正面模型如圖11所示。

根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，取冬季中具有代表性的2015年12月6日太陽輻射情況為研究目標，模擬如圖12所示，并得出2015年全年的太陽平均外窗遮陽情況數(shù)據(jù)，如表2所示。

由圖12可以看出，遮陽板上傾30°和60°時外窗受太陽輻射較少，9：00以后南向玻璃外窗太陽輻射開始增強，在9：00-13：00之間，太陽高度角逐漸變大，太陽輻射也隨之增強，此時，上傾30°和上傾60°角遮陽板的遮陽效果開始明顯。在13：00時刻，水平遮陽板、上傾30°角的遮陽效果特別明顯，輻射最少。過了13：00以后，太陽開始西落，水平遮陽和30°角遮陽的效果開始減弱，而60°角的遮陽板效果持續(xù)增強，此時遮陽板下方收到太陽輻射，60°角的位置時剛好下面遮陽板下方擋住了上面玻璃窗的上方，遮陽效果加強。

2.4 陰天百葉窗遮陽系統(tǒng)模擬分析

為了研究陰天環(huán)境下，遮陽板對室內(nèi)光照度的調節(jié)情況，選用陰天6月8日環(huán)境數(shù)據(jù)進行研究分析，仿真出太陽統(tǒng)計輻射如圖13所示。

從圖13可以看出此時遮陽板全打開，即0°角時，室內(nèi)平均輻射值為647.8Wh，遠小于晴天時輻射值，此時室內(nèi)光照度最高值為1160Wh，尚且不能滿足照明需求，因此在陰天時遮陽板不需采取遮陽措施，可全天候保持水平打開。

3 遮陽板控制策略

根據(jù)上文對上海海洋大學圖書館外立玻璃窗進行遮陽板仿真可得出如下結論：

（1）在晴天的氣候下，相同高度角時，一樓外立窗處有遮陽板半邊太陽輻射值遠小于無遮陽板半邊，說明遮陽板能大大降低室內(nèi)太陽輻射值；

（2）在晴天的氣候下，相同方位角時，二樓高度角大于一樓外立窗，因一天中輻射百分比高的時刻太陽直射進二樓，導致在一天中二樓平均輻射值遠大于一樓；

（3）在晴天的氣候下，8：00-10：00時，太陽輻射值較小，可以水平打開遮陽板，在10：00-11：30期間，太陽輻射值增大，遮陽板需下傾60°角進行遮陽處理才不至于讓室內(nèi)光照度過大，在11：30-15：00時，太陽高度角增大，此時遮陽板下傾30°即可保證太陽輻射值處在合理區(qū)間，且保證了室內(nèi)光照度充分；

（4）在晴天的冬季時，9：00-13：00時間內(nèi)，遮陽板上傾30°角即可保證室內(nèi)太陽輻射量在穩(wěn)定區(qū)間，13：00以后，遮陽板需上傾60°保證控制室內(nèi)太陽輻射量在可接受范圍；

（5）在陰天時，因太陽輻射值比較弱，遮陽板可完全開啟保持水平狀態(tài)。

根據(jù)得出的結論，將之總結為遮陽板控制策略見表3，根據(jù)研究進展，后期可將遮陽板控制策略導入監(jiān)控系統(tǒng)中，進行自動控制調節(jié)控制策略。

4 遮陽裝置優(yōu)化設計——腳踩式遮陽裝置

現(xiàn)有的遮陽設備一般需要用手轉動或拉動操作桿（繩）來控制百葉窗的開閉，操作者（例如正在閱讀書籍的人），需要站立起來，走到百葉窗跟前，用手對百葉窗進行開閉操作，仍然十分不方便，因此我們在現(xiàn)有設備的基礎上進行優(yōu)化設計，通過腳踩的方式，實現(xiàn)遮陽裝置的開閉。

本設計的有益效果在于：

（1）結構簡單、安裝方便、制造成本低廉。

（2）用腳的單向運動可帶動遮陽板的往復開關多項運動，使用簡便。

（3）機械結構及控制方式設計巧妙。

（4）尤其適合圖書館、小區(qū)活動室等場所。

（5）同時方便沒有手的殘障人士或行走不便的人士進行使用。

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作者簡介：李晴，女，碩士研究生，研究方向：機械設計及理論。