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水平和垂直遮阳方式对北京地区西窗和南窗遮阳效果的分析 |
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发布时间：
2013/4/11 21:49:51
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摘要：
窗口外遮阳是改善住宅夏季室内热环境、降低空调能耗的一个重要措施，但太阳辐射对于冬季室内热环境却是非常有利的，因此，外窗遮阳设计要平衡冬、夏季对太阳辐射的不同需求。本文以平均遮阳系数作为衡量遮阳效果的指标，选择北京地区的西窗和南窗为研究对象，针对水平和垂直遮阳两种方式，定量分析了遮阳板的安装位置和构造尺寸对冬夏季遮阳效果的影响程度。并在综合考虑冬夏季不同需求的基础上，给出了遮阳板合理的安装位置和构造尺寸的推荐值。
关键词：平均遮阳系数：冬、夏季；水平遮阳；垂直遮阳
Abstract:
The application of overhangs or vertical-shading devices over windows is an important method to ameliorate the indoor environments and reduce the energy consumption of air-conditioning in summer. However, solar heat gains are beneficial to the indoor environments in winter. In the design of exfernal shading devices, different requirements for solar heat gains in the hot season and cold season should be taken into account. In view of southward and northward fenestrations in Beijing, this paper presents quantitative analyses to the prediction of instantaneous irradiance on the shaded face at every tilt and azimuth during winter or summer. And average shading coefficients in winter or in summer have been selected for evaluating shading effects in different seasons. Optimal configuration dimensions of horizontal and vertical shading devices are recommended on the basis of different requirements for solar heat gains in winter and in summer.
Keywords: average shading coefficient; winter or summer; overhang; vertical shading device
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引言
住宅窗口外遮阳的目的在于减少夏季进入到室内的太阳辐射热，从而改善室内热环境，降低空调制冷负荷。然而，遮阳板对于冬季的室内热环境是不利的，因为其降低了冬季进入到室内的太阳辐射热。另一方面，遮阳效果是随遮阳形式及遮阳板构造尺寸而变化的，如垂直遮阳板对东西向窗口就几乎未起到遮阳的作用[1]。因此，理想的遮阳形式及遮阳板构造尺寸要能够同时满足冬、夏季不同时刻室内热环境对太阳辐射热的不同要求，故对不同遮阳形式的遮阳效果进行分析就十分必要。
对于北京地区，在东、南、西、北四个不同朝向中，西向的夏季太阳辐射强度最大，西向窗口对夏季遮阳的要求最为迫切；而南向的冬季太阳辐射最强，确定南向窗口的遮阳状况时应尽量减少其对冬季太阳辐射得热的影响，基于此，本文以西窗和南窗为例， 定量分析水平遮量板和垂直遮阳板在不同构造尺寸下的遮阳效果，为建筑师在设计过程中采用合理的遮阳形式及确定遮阳板构造尺寸提供参考。
1 分析方法
采用遮阳系数表示遮阳板对外窗的遮阳效果，遮阳系数是指遮阳板在太阳光线照射下形成的外窗日影区面积与外窗表面积的比值，即为：
 （1）
式中：k--遮阳系数；As--外窗日影区面积； A--外窗表面积。
外窗日影区面积是根据遮阳板构造尺寸及太阳高度角和方位角计算确定的，因此，遮阳系数是随太阳高度角和方位角逐时变化的。故对于冬季采暖期（11月16日至3月15日）和夏季空调期（6、7、8月）是外窗遮阳状况，可采用相应时期逐时遮阳系数的平均值来衡量。
夏季的平均遮阳系数越大，遮阳效果赵好；而冬季的平均遮阳系数越小，遮阳对冬季热环境所引起的负面影响越小。
2 水平遮阳方式
2.1 遮阳构造
水平遮阳方式的具体构造见图1所示。
图1 水平遮阳构造
图中：X--外窗宽度；Y--外窗高度；W--遮阳板宽度；a--遮阳板距离窗户侧边距离；b--遮阳板距离窗户顶边距离。
研究水平遮阳构造的遮阳效果，实质上是分析不同的遮阳板宽度及遮阳板与外窗相对距离的条件下，外窗夏季和冬季平均遮阳系数的变化趋势。正同对南窗和西窗分别分析。本文中取1.5m×1.5m的外窗作为研究对象。
2.2 南窗
2.2.1 遮阳板与外窗相对距离a，b的影响
首先分析计算遮阳板宽度W分别为0.2m，0.4m，0,8m和1.0m时，冬、夏季的平均遮阳系数。
对于不同的W值，相同季节平均遮阳系数a和b的变化趋势是一致的。图2、图3分别给出了W=0.4m时，夏季和冬季的平均遮阳系数随a和b的变化曲线。
 
图2 南窗夏季平均遮阳系数随a，b的变化 图3 南窗冬季平均遮阳系数随a，b的变化
对于夏季和冬季，虽然其平均遮阳系数均随着遮阳板距窗户侧边距离a的增大而增大，增大a有利于夏季的遮阳，却不利于冬季的太阳得热。但由于冬季平均遮阳系数之间的差异则较小，因此，可尽量增加a值。
对于夏季和冬季，平均遮阳系数均随遮阳板距窗户顶边距离b的增大而减小，因此，增大b不利于夏季的遮阳，却有利于冬季的太阳得热，但相比较夏季平均遮阳系数，冬季的平均遮阳系数整体上都较小，并且b大于0.12m后对冬季遮阳系数的影响很小。这样，可考虑取b为0.12m。
根据上述的分析，对W=0.8m的情况，分别取a=0 .4m,b=0.12m,和a=b=0m计算冬、夏季平均遮阳系数，计算结果如表1所示。计算结果表明：对于a=0 .4m,b=0.12m的情况，夏季平均遮阳系数更大，而冬季平均遮阳系数更小，故a，b的取值分别定为0.4m和0.12m。
表1 不同a和b下的冬、夏季平均遮阳系数比较
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遮阳尺寸
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夏季
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冬季
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a=0.4,b=0.12
a=0,b=0
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0.78
0.65
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0.17
0.21
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2.2.2 遮阳板宽度W的影响
由上分析，a=.4m,b=0.12m是一个比较理想的取值，在这种情况下，分析遮阳板宽度W的影响。如图4所示。不论冬夏季，遮阳系数都是随W的增大而增大，这对夏季遮阳有利，对冬季获取太阳辐射热却不利。但遮阳板宽度从0～0.5m变化时，夏季遮阳系数的提高快，大于0.5m后，遮阳系数的变化趋势趋于平缓。
图４ 南窗冬、夏季平均遮阳系数随Ｗ的变化
由于冬季通过南窗的太阳辐射是房间得热的主要来源，这对于提高室温，降低供暖流能耗有重要意义，因此在提高夏季遮阳系数的同时，必须将冬季的遮阳系数控制在一定范围内。当W为0.5m时，夏季平均遮阳系数为0.71，冬季平均遮阳系数为0.09，基本能满足夏季遮阳和冬季得热的综合要求。因此推荐W的取值在0.5m左右。总体上说来，水平遮阳对于南向是一种比较理想的遮阳方式。
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2.3 西窗
2.3.1 遮阳板与外窗相对距离a，b的影响
首先仍分析在不同的W取值（0.2～1.2m）下，遮阳板与外窗相对距离a和b对平均遮阳系数的影响。结果表明：对于不同的W，平均遮阳系数随a和b的变化趋热是一致的。
从图5和６可看出，冬、夏季平均遮阳系数随a的变化趋势一致，均是随a的增大而增大。但a增大到0.4m后，夏季平均遮阳系数基本保持一致，而冬季平均遮阳系数的变化则仍十分明显，故a的取值为0.4m较为合理。
 
图5 夏季平均遮阳系数随a，b的变化 图 6 西窗冬季平均遮阳系数随a，b的变化
另一方面，冬、夏的平均遮阳系数均随b的增大而减小。但对于北京地区，西窗在夏季有大量的太阳辐射热进入，对室内热环境相当不利；而冬季，西窗并不是主要的得热窗口，因此，b的取值应首先考虑西窗夏季的遮阳问题，保证遮阳系数在夏季尽量大，这样，b的值取为0m。
表2给出在W为0.4m的情况下，对应不同a，b取值的冬、夏季平均遮阳系数，可以直观地看到，a=0.4m,b=0m是比较合理的取值。
表 2 不同a和b下的平均遮阳系数比较
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遮阳尺寸
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夏季
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冬季
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a=0m,b=0m
a=0.4m,b=0.1m
a=0.4m,b=0m
a=0.6m,b=0m
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0.30
0.28
0.34
0.34
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0.17
0.16
0.22
0.24
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2.3.2 遮阳板宽度W的影响
以上的分析确定了a，b的取值。在这种较理想的遮阳构造形式下，分析遮阳板宽度W的影响，如图7所示，无论夏季还是冬季，平均遮阳系数都随着遮阳板宽度的增大而增大。当W=1.5m时夏季的平均遮阳系数仅达到0.68，而冬季的平均遮阳系数为0.36。考虑到冬季西向的太阳辐射强度在80W/m2左右，约为南向的一半，即冬季西窗并不是主要的得热窗口，因此，在条件允许的情况下，应尽量增加西窗遮阳板的宽度，但总的来说，西窗的水平遮阳效果并不理想。
图7 西窗冬、夏季平均遮阳系数随W的变化
3 垂直遮阳方式
3.1 遮阳构造
垂直遮阳方式的具体构造见图8所示。图中：X--外窗宽度（1.5m）；Y--外窗高度（1.5m）；W--遮阳板宽度；l--遮阳板长度；a--遮阳板与窗侧边的距离；b--遮阳板顶与窗顶的距离。
图8 垂直遮阳构造
与水平遮阳构造的分析方法一致，研究垂直方式的遮阳效果，实质上也是分析在不同的遮阳板宽度、长度及遮阳板与外窗相对距离的条件下，外窗夏季和冬季平均遮阳系数的变化趋势。下面对南窗和西窗分别分析。
3.2 南窗
3.2.1 遮阳板与外窗相对距离a，b的影响
首先分析遮阳板与外窗的相对距离a和b的影响状况。图9、图10分另表示出在一定的遮阳板宽度和长度（W=0.4，l=1.0m）下，夏季和冬季平均遮阳系数随a和b的变化趋势。
 
图9 南窗夏季平均遮阳系数随a，b的变化 图10 南窗冬季平均遮阳系数随a、b的变化
分析比较图9和图10，夏季和冬季平均遮阳系数均是随a的降低而增加，而随b的变化趋势则相反，夏季遮阳系数随b的增加而增加，冬季遮阳系数随b的增加而降低。因此，冬、夏季遮阳状况对a的要求是相互矛盾的，而对b的要求则是相互一致的，b 值的增加同时有利于改进遮阳状况和降低对冬季得热的负面影响，故取b值为0.4m。在这种情况下，对应a值为0.2m的冬季遮阳系数不超过0.08，这说明可略该尺寸遮阳构造对冬季太阳辐射得热的影响。因此，a，b的取值分别定为0.2m和0.4m。
3.2.2 遮阳板宽度W和长度l的影响
进一步再分析遮阳板宽度W与长度l对遮阳效果的影响。根据以上确定的a，b取值，图11、图12分别表示在不同遮阳板宽度W和长度l下，夏季和冬季平均遮阳系数的变化规律。
 
图11 南窗夏季平均遮阳系数随W，l的变化 图12 南窗冬季平均遮阳系数随W, l的变化
图11和图12表明：夏季和冬季平均遮阳系数均是随W，l的增加而增加，因此，冬、夏季遮阳状况对W，l的要求也是相互矛盾的，但超过0.4m后，遮阳板宽度W对夏季平均遮阳系数的影响基本保持不变，而对应0.4m遮阳板宽度的冬季遮阳系数也在0.1左右，故W的取值定为0.4m。
以上综合考虑冬、夏季的太阳辐射特点，确定了比较合理的a，b，W值。在这种情况下，图13表示出南窗夏季和冬季平均遮阳系数随遮阳板长度变化。
 
图13 不同遮阳板长度下南窗夏季和冬季平均遮阳系数 图14 不同遮阳板长度下西窗夏季和冬季平均遮阳系数比较
冬、夏季的平均遮阳系数均随遮阳板长度的增加而增加，但即使针对这种较理想的遮阳构造，当遮阳板长度增加到1.6m时，南窗夏季的遮阳系数也仅为0.35左右，而冬季的平均遮阳系数已超过0.1。因此，垂直遮阳方式对于南窗的遮阳效果并不明显。
3.3 西窗
考虑夏季"西晒"的太阳辐射特性，采用与南窗垂直遮阳效果分析相同的方法，确定比较理想的a，b，W值分别为0，0.4及0.4m。在这种情况下，图14表示出西窗夏季和冬季平均遮阳系数随遮阳板长度l的变化。
虽然冬季和夏季平均遮阳系数均随遮阳板长度的增加而增加。但即使对较理想的遮阳构造，冬季的遮阳系数反而比夏季的遮阳系数大2到3倍。当遮阳板长度增加到1.6m时，西窗夏季的遮阳系数也仅为0.1左右，而冬季的平均遮阳系数却接近0.4。因此，垂直遮阳对西窗几乎没有产生任何遮阳效果，却会在较大程度上降低冬季的太阳辐射得热。故对于西窗，不应该采用单独的垂直遮阳方式。
4 结论
对于水平遮阳，南窗在合适的构造尺寸下基本能满足夏季遮阳和冬季得热的综合要求，此时a，b和W的取值分别 为0.4m，0.12m和0.5m，而对于西窗，为了满足夏季的遮阳要求，就要取b值为0，并尽量增加a和W的值，但总的来说，西窗的水平遮阳效果并不理想。
对于垂直遮阳，南窗夏季最理想的平均遮阳系数仅为水平遮阳的一半。而对于西窗，垂直遮阳几乎没有产生遮阳效果，相反却在较大程度上降低了冬季的太阳辐射得热。
综上所述，对于南窗可以考虑水平和垂直两种遮阳方式结合使用，而西窗则不应采用垂直遮阳，加之西窗的水平遮阳效果也不理想，因此，从改善夏季室内热环境的角度出发，应尽量减少西窗的设置。
参考文献
[1] 叶歆. 垂直遮阳板不宜用作东西向向窗口遮阳[1]. 世界建筑，1998，（4）：86-87.
[2] 彦启森, 赵庆珠. 建筑热过程[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1986.
（发布时间:2005-12-25） |
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