遮陽裝置可調(diào)節(jié)葉片狀態(tài)與太陽位置對建筑遮陽性能的影響分析

姜欽青，朱 杰

（江西省建筑技術促進中心，江西 南昌）

引言

在建筑物中，太陽能輻射是影響夏季室內(nèi)空調(diào)制冷能耗的主要因素，如果室內(nèi)進入的太陽能輻射較高，則會在夏季增加室內(nèi)能耗。所以，在透光的圍護結構上增加遮陽裝置，可以達到降低建筑物內(nèi)能耗的目的，讓夏季空調(diào)能耗節(jié)省到25%左右，而冬季則可以讓采暖能耗按制在10%左右。如此，本文通過葉片角系數(shù)的確認，生成遮陽性能較高的數(shù)學模型，以了解太陽高度角、葉片傾角以及d/l 值對建筑物遮陽性能產(chǎn)生的影響，從而節(jié)省制冷能耗，增加在建筑物供暖環(huán)節(jié)的支持[1-2]。

1 建筑遮陽性能的評價指標

對于遮陽裝置而言，為實現(xiàn)對其性能的分析，需要運用試驗臺測試以及模擬計算的方法，在自然的條件下進行測試，以實現(xiàn)對光照條件的模擬，而其中的遮陽系數(shù)需采用評價的方式，在確認產(chǎn)品是否具備隔熱性能后，設置其遮陽系數(shù)，讓玻璃、門窗和遮陽產(chǎn)品中存在的遮陽系數(shù)都能在規(guī)定的范圍內(nèi)，從而運用相對統(tǒng)一的方式，了解在各個區(qū)域內(nèi)這樣系數(shù)之間的差異。

1.1 遮陽產(chǎn)品的系數(shù)

結合相關規(guī)章制度中的內(nèi)容進行分析，了解到在標準情況下，3 mm 厚度的白玻璃與遮陽產(chǎn)品之間的組合熱量，也就是“Q”，得到二者之間的比值Q1。這樣則可實現(xiàn)遮陽產(chǎn)品具體遮陽系數(shù)的測定，公式如下：

1.2 窗戶的遮陽系數(shù)

在窗戶的這樣系數(shù)確認過程中，需要在特定的情況下執(zhí)行操作。首先，應了解外窗在室內(nèi)環(huán)境內(nèi)所能夠得到的熱量，通過標準玻璃上所具備的熱量，了解二者熱量比。例如：普通窗戶需要選擇地取窗玻璃，運用其中的這樣系數(shù)與窗玻璃的面積相互對接，以得到具體的遮陽系數(shù)。若需要計算整個窗戶的太陽熱透比，則可以運用公式：

其中gg表示整個窗戶的總透射比；gf表示鑲嵌板及窗玻璃在特定區(qū)域內(nèi)的總透射比；Ag表示鑲嵌板及窗玻璃的面積；Af表示窗框的面積；A 表示窗戶的總面積。

其次，通過綜合遮陽系數(shù)的計算，可以了解到窗戶與窗口在連接過程中可能產(chǎn)生的遮陽效果，該系數(shù)是Se，則建筑外的遮陽系數(shù)則為Sd，由此，可以得到綜合遮陽系數(shù)Sw，公式如下：

1.3 玻璃的遮陽系數(shù)

在玻璃遮陽系數(shù)確認時，應了解在無特殊遮陽的前提下，通過太陽直接照射而得到對應的熱量，通過對其減弱程度的分析，可以了解到玻璃的可見光透射比、太陽能總透射比、太陽光直透射比、玻璃參數(shù)以及紫外線透射比等內(nèi)容。在特定的入射條件下，運用透光系統(tǒng)，保證太陽能總透射比能夠與自然條件下相同。讓其作用于3 mm 厚度的標準玻璃中，則可得出總透射的比值（Se）。而針對不同類型的比例結構，則可運用公式來完成計算，具體如下：

Se=g/Tδ

其中g 表示在實驗條件下太陽能的總透射比；Tδ 表示在3 mm 厚度的平板玻璃當中，太陽能的總透射比，文中可取值為88.9%。

如此，為實現(xiàn)對建筑遮陽性能的分析，可以讓室內(nèi)的熱量分別是，通過太陽能輻射而帶來的熱量傳遞以及室內(nèi)溫差而導致的溫差傳熱。同時，通過太陽輻射得到的熱量，可以區(qū)分為玻璃在吸收輻射后，運用對流的方式，將熱量傳輸?shù)绞覂?nèi)環(huán)境。另一種則是太陽直接進行輻射，穿過玻璃，使得進入室內(nèi)環(huán)境中的熱能都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?。在此背景下，太陽能的總透射比，需要通過二者的比值進行計算，具體如下：

其中q 表示室內(nèi)環(huán)境中所具備的二次熱傳遞系數(shù)；而t 則表示此時的直接透射比。

2 遮陽裝置可調(diào)節(jié)葉片狀態(tài)與太陽位置對建筑遮陽性能的影響

2.1 創(chuàng)建遮陽裝置的計算模型

利用可調(diào)節(jié)葉片遮陽裝置的安裝，讓工作人員加強對其長度以及寬度的分析，讓葉片可以比作為無限長的平面，讓葉片能夠均勻地進行漫反射，從而得到角系數(shù)，截取葉片的橫截面作為后續(xù)計算的前提。并且，在模型的創(chuàng)建前期，應注重可能對太陽輻射強度產(chǎn)生影響的因素，從而保證后續(xù)在葉片調(diào)整過程中不會出現(xiàn)問題。

首先，可以將兩個相鄰的葉片進行處理，讓室內(nèi)開口的平面為1，則其寬度是d1，而室外的開口平面則為2，則其寬度是d2。這樣一來，通過計算平面的方法，得到上下葉片的截面以及橫截面4 和3，其寬度分別為l4 與l3。同時，可以增加兩個計算平面[3]。

其次，由于葉片的傾角與角系數(shù)在計算過程中是有關聯(lián)的，所以，遮陽裝置的太陽方位與遮陽性能之間的參數(shù)是具有較為密切的關聯(lián)的，那么，太陽若進行直射，則可繪制出輔助線，以方便相關人員對遮陽裝置的狀態(tài)進行分析（具體如圖1 所示）。

圖1 可調(diào)節(jié)葉片的角系數(shù)模型示意圖

對此，則可讓l1 與l2 擔任輔助平面的位置，而α1、α2、β1、β、β2 都可以稱之為輔助角，而其中的l3 與l4 表示圖中上葉片與下葉片的寬度，l5 與l6 則表示葉片進行直射的寬度；l7 與l8 則表示為進行直射時，上葉片以及下葉片的寬度。

所以，在可調(diào)節(jié)葉片應用過程中，需根據(jù)現(xiàn)場的情況，將葉片的夾角進行設置，在保證葉片寬度是固定的前提下，保證相鄰兩個葉片之間是有距離的，并且結合產(chǎn)品的應用需求，完成對應的調(diào)節(jié)工作即可[4]。而為保證計算工作能夠順利實施，也可通過設定圖的繪制，將葉片的寬度分別設置為1（主要是l3、l4），這樣，則可得到實際葉片寬度的商值。

最后，可以站在輻射傳熱的層面上進行分析，若各系數(shù)都在同一平面當中，則彼此之間所產(chǎn)生的夾角則是“0”。也就是面1-8 中的夾角系數(shù)都是0，而面5與面3 的夾角則為Φ53；其中面6 和面4 之間的夾角則是Φ64，經(jīng)比對，其都是0。若此時，結合對稱的基本原理，則可確認面4 對面2 的夾角系數(shù)是Φ42，而面3 與面1 之間的夾角系數(shù)為Φ31，彼此之間存在相互對稱的關系。但如若在同一平面上，需要依靠能量的守恒定量，實現(xiàn)對面5 與面1 之間Φ 的計算，則可運用公式得出Φ51，具體如下：

同時，為保證角系數(shù)是相對完整的，可以讓面1和面2 之間的夾角系數(shù)為Φ12，則面3 和面4 之間的夾角系數(shù)為Φ34。采用分別計算的方法，得到準確數(shù)值。具體如下：

另外，在模型創(chuàng)建過程中可以根據(jù)太陽光的垂直狀態(tài)，讓方位角為0°，而太陽高度角則為45°，其中的葉片傾角則為45°，如此，測定葉片與太陽光入射后的間距比為d/l=1 的角系數(shù)，具體取值如表1 內(nèi)容所示。

表1 角系數(shù)變化數(shù)據(jù)表

并且當太陽光呈現(xiàn)出垂直照射的狀態(tài)，太陽高度角為45°時，葉片傾角為65°，方位角為0°時，測定葉片與太陽光入射后的間距比為d/l=0.87±0.03,則角系數(shù)如表2 所示。

表2 角系數(shù)變化數(shù)據(jù)表

若此時的方位角為0°，太陽的高度角為30°，葉片傾角是120°，則葉片不存在太陽直接射入的情況，可能葉片正處于臨界的區(qū)域，所以，其中的間距比為d/l=0.87±0.03 時，其中的角系數(shù)以表3 內(nèi)容為準。

表3 角系數(shù)變化數(shù)據(jù)表

2.2 明確葉片傾角產(chǎn)生的影響

根據(jù)室內(nèi)條件下，葉片遮陽裝置的應用效果進行分析，了解葉片傾角在變化過程中可能產(chǎn)生的影響。例如：若在葉片傾角以及太陽高度角呈現(xiàn)出相同狀態(tài)時，d/l=0.87 的前提下，半球透比及太陽光直射都會比d/l=1 的情況要低。所以，前者的遮陽效果會比后者要好，也要優(yōu)于d/l=1 的情況。

2.3 確認太陽方位所帶來的影響

文中影響室內(nèi)葉片裝置在應用過程中具有較多的規(guī)格，使得葉片的寬度分別為16 mm、25 mm、50 mm、80 mm 以及90 mm，使得葉片傾角進行調(diào)整時，把按葉片的中心距離，運用定向調(diào)整的方式，確認遮陽裝置的規(guī)格，讓葉片寬度與葉片中心距之間的比d/l能夠在0.87 左右。如此，則可運用d/l=0.87 完成后續(xù)的計算操作。

首先，可以了解現(xiàn)場內(nèi)建筑物的實際狀況，讓遮陽裝置在設置過程中能夠以葉片的角度為基礎，依靠人為選擇的方式，保證葉片可以隨時進行調(diào)整，以跟上太陽高度角的變化速度。并且，應增加對太陽直射率的關注，了解在遮陽裝置合理設置的情況下，能夠強化現(xiàn)場內(nèi)的遮陽效果。若葉片的傾角位置和太陽方位角之間存在差異，則遮陽裝置內(nèi)的遮陽效果則會產(chǎn)生較大的差異[5]。

如此，則可將固定葉片的傾角設置為45°，而在特定的情況下太陽光是可以進行直射的，其中的半球透射比會跟隨太陽高度角的變化而持續(xù)增大。這樣一來，則可讓遮陽裝置中產(chǎn)生的直射光有所減少。而發(fā)生這一狀況的主要是因為，太陽高度角是持續(xù)增大的，而當葉片材料中所具備的光熱性能不發(fā)生改變的前提下，遮陽裝置會對太陽的直射面積帶來較小的影響。所以，在葉片傾角的角度相同的狀況下，d/l=0.87的前提下，遮陽裝置中的太陽光半透射比會小于d/l=1。由此可見，d/l 值與太陽高度角都會對葉片遮陽裝置的遮陽效果帶來直接的影響。

其次，可以結合圖2 中的內(nèi)容，掌握葉片傾角是如何進行變化的。（具體如圖2 內(nèi)容所示）。

圖2 若d/l=0.87 遮陽性能變化圖

根據(jù)圖中內(nèi)容，可以了解到遮陽裝置會跟隨陽光的變化而產(chǎn)生變化，使得半球透射比、太陽高度角之間的呈現(xiàn)出持續(xù)變化的狀態(tài)。并且，若半球透射比、遮陽裝置的太陽光直射環(huán)節(jié)，圖中的變化趨勢曲線會發(fā)生一定的變化，則葉片內(nèi)的傾角則會變化，使得其對遮陽性能產(chǎn)生較大的影響。

最后，若基于建筑節(jié)能效果方面進行思考，如果太陽高度角呈現(xiàn)出持續(xù)變化的狀態(tài)，則可其中的不可按因素數(shù)量則會增加，使得其中的葉片傾角持續(xù)縮小，讓能夠進入室內(nèi)的直射輻射能也有所降低。這也表明，在夏季時節(jié)，建筑物內(nèi)的節(jié)能效果會大幅提升。而適當?shù)卦黾尤~片傾角，可以增加室內(nèi)的太陽能輻射能力，在冬季時節(jié)，可以保證住戶在日常居住環(huán)節(jié)能夠消耗較少的能耗，達到節(jié)能降耗的目的。

3 結論

綜上所述，結合葉片材料的特殊性進行分析，對于特定情況下的葉片傾角及材料而言，其會根據(jù)太陽高度角產(chǎn)生的變化而產(chǎn)生相應的改變，如若太陽高度角變大，則可以讓遮陽裝置對太陽的直射面積有所減小，不斷地對葉片遮陽裝置進行調(diào)整，使其半球透射比、太陽光直射能夠呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，讓太陽直射光也有所減少，反之，則太陽直射光則會增加。另外，d/l 越小，則可調(diào)節(jié)的半球透射比、太陽光直射也會更小。