北京地区住宅建筑南窗固定水平遮阳能效分析

1、北京地区住宅建筑南窗固定水平遮阳能效分析1北方工业大学北京市 100144 ;2清华大学建筑设计研究院有限公司北京市 100083摘要：合理的窗u遮阳设计可以平衡夏季隔热和冬季得热，从而实现建 筑节能。北京地ix居住建筑的主要能耗是采暖，外窗遮阳的设置原则是在保证冬 季得热的前提下，尽量减少夏季太阳辐射得热。木文采用建筑性能分析软件 ecotect对北京地区住宅建筑南窗固定水平遮阳效果进行模拟分析，对其合理构 造给出设计建议。关键词：北京地ix;住宅建筑；南窗固定水平遮阳引言：建筑能耗是当今三大能耗之一，全球能源危机和环境污染对建筑 节能提出了双重要求。我国建筑节能整体上处于第三阶段，达到节能

2、65%的标准。 北京地区属于寒冷（b）区，居住建筑自2013年01月01日起率先执行节能75% 的标准，外墙、屋顶等围护结构的保温性能要求极大提高，在此条件下外窗节能 成为降低能耗的主要途径。一. 建筑遮阳的必要性人们喜欢阳光、向往自然，同时希望有舒适宜人的室内环境。外窗作为 人与外界的交流界面，兼兵通风、采光等功能，玻璃的高透光性使得大量的太阳 辐射热透过外窗进入室内，冬季可有效增加房间得热，降低采暖负荷，但同时也 是夏季降低空调能耗的主要调控对象之一。随着生活水平的提高及城市热岛效应 增强，城市夏季空调能耗逐年增高，在节能标准不断提高的前提下，为进一步节 约能源、提高居住品质，住宅建筑遮阳

3、成为越来越重要的建筑节能措施之一。北京地区居住建筑的主要能耗是采暖能耗，且居住建筑白天以自然采光 为主，外窗需明亮、纯净，住宅外窗（尤其是南向）应首先保证高透光性，增加 冬季外窗得热，并改善室内光环境，夏季辅以固定外遮阳或活动遮阳保证遮阳效 果以降低空调能耗。受地理气候影响，北京地区建筑各朝向中的南向受到太阳辐射量最大， 是北京地区居住建筑的首选朝向。主要的功能用房均尽可能布置在南侧，同时， 南侧外窗的夏季遮阳也是建筑遮阳的主要问题。作为建筑不可分割的部分，固定 外遮阳设施跟建筑是一个整体，安装后不能根据需求进行调节，需在设计之初结 合建筑立面、造型进行一体化设计，下面将采用软件模拟的方法对固

4、定水平遮阳 能效进行分析。二. 南向外窗水平遮阳模拟计算本章通过建筑性能分析软件ecotect模拟计算确定北京住宅南窗水平遮 阳板的位置及尺寸。ecotect是一个全面的技术性能分析辅助设计软件，涵盖了 热环境、风环境、光环境、声环境、日照、经济性及环境影响与可视度等建筑物 理环境的7个方面。本模拟主要采用遮阳系数（sd）表示遮阳板对外窗的遮阳效果，通过计 算设置水平遮阳板吋，窗面在夏季空调期和冬季采暖期的太阳辐射得热量，与无 遮阳吋的太阳辐射得热量的比值确定。夏季模拟分析吋间段为典型气象年下6 月1日至8月31日，日间得热吋间为7:00-19:00;冬季模拟分析时间段为典型 气象年下11月1

5、5日至次年3月15日，日间得热吋间为8:00-16:00。2.1水平遮阳板构造分析不同的水平遮阳板尺寸以及安装位置、窗面夏季和冬季的太阳辐射 得热量、综合变化趋势确定推荐范围。水平遮阳板的构造详见图1所示。图1水平遮阳构造 图片来源：自绘遮阳板距窗边水平挑出长度a （遮阳板长度为2a+窗户宽度）距窗上沿垂直高度b垂直墙面出挑长度（遮阳板宽度）w南墙尺寸:3600mm （宽）*2800mm （高）窗户尺寸：1800mm （宽）*1500mm （高）2.2遮阳模拟计算依据住宅建筑特点，墙面尺t以及窗户的尺吵和位置，确定a、b的取 值范围分别为0900mm、0400mm。间瞞分别为100mm、50m

6、m。参考遮阳 板实际尺、j*，计算参数w取值范围为1001800mm, 1000mm以下间隔100mm, 以上间隔200mm。参考文献1中的论述“对于不同的w值，相同季节平均遮阳 系数随a和b的变化趋势是一致的”，首先以此结论作为前提，计算分析w=500 mm吋，夏季和冬季南窗水平遮阳板的遮阳系数(sd)随a和b的变化规律，模 拟结果见图2、图3。图2南窗夏季遮阳系数随a、b的变化趋势 图片来源：自绘对于夏季，遮阳系数随着距窗边水平挑出长度a的增大而减小，但变化 速率逐渐减小，在0500mm区间变化相对明显；且各曲线近似平行，说明不 同的b值，遮阳系数随a的变化趋势是一致的。另一方面，遮阳系数

7、随着距窗上 沿垂直高度b的增大而增大，且呈明显的线性关系；不同的a值，遮阳系数随b 的变化趋势也是一致的。由各个单一曲线的遮阳系数变化范围接近(约为0.2)， 可知a和b对南窗夏季遮阳的影响都很显著。图3南窗冬季遮阳系数随a、b的变化趋势图片来源：自绘对于冬季，遮阳系数随着距窗边水平挑出长度a的增大而减少，但变化 不明显，即a对南窗的冬季太阳辐射得热的影响很小，尤其是a大于500mm后 可忽略；随着距窗上沿垂直高度b的增大而增大，在0200mm区间接近线性 变化，大于250mm后增加速率逐渐变缓，说明b对南窗冬季太阳辐射得热的影 响较大，但小于对夏季遮阳的影响。综合比较可知：w=500mm，a

8、、b的取值范围分别为0900mm,0 400mm区间吋，夏季和冬季的遮阳系数区间分别为0.2310.559、0.7230.931， 变化量分别为0.328、0.208。此外，增大a冇利于夏季遮阳，而不利于冬季太阳 辐射得热；增大b不利于夏季遮阳，但有利于冬季太阳辐射得热。距窗边水平挑 出长度a和距窗上沿垂直高度b,均是对夏季遮阳系数的影响大，对冬季遮阳系 数影响小。夏季遮阳系数整体小于冬季遮阳系数，即水平遮阳适于南窗，夏季遮 阳明显，且对冬季得热的影响较小。综上，距窗侧边水平挑出长度a取500mm左右，距窗上沿垂直高度b 取250mm左右吋，可兼顾夏季遮阳和冬季得热。a （尤其是对于冬季遮阳系

9、数） 的影响小于b,因此确定a =500 mm,进一步分析夏季和冬季南窗水平遮阳板的遮 阳系数（sd）随b和w的变化规律。其中垂直墙面出挑长度（遮阳板宽度）w 在1001800mm区间，间隔100mm变化，由于w取值大于1000mm吋，水平 遮阳板对南窗冬季遮挡较严重，10001800mm区间的模拟只作为趋势研究，因 此此区间的变化间隔取200mm,模拟结果见图4。图4南窗冬夏两季遮阳系数随b、w的变化趋势图片来源：自绘可知：随着w的逐渐增大，b对南窗冬夏两季遮阳系数的影响逐渐减 小。而相同w吋，不同b之间冬季遮阳系数的差异由零逐渐增大而后趋于平稳； 相反，夏季遮阳系数的差异逐渐减小直至接近相

10、等。由于兼顾夏季遮阳冬季得热 的考虑，需尽可能地权衡，以达到夏季取得较低的遮阳系数而冬季取得较高的遮 阳系数。即同一 b所对应的冬夏季的两条曲线之间的距离越远。因此b =300 mm 时，可以保证冬季较大的遮阳系数，而夏季遮阳系数接近最低平稳值。根据以上分析，取值a=500mm,b=300mm相对理想。在此a和b设置条 件下，模拟分析垂直墙面出挑长度（遮阳板宽度）w在1001500mm区间，间 隔100mm变化吋，水平遮阳板的遮阳效果。通过对无遮阳及各种遮阳板宽度尺1*下的太阳辐射得热量的模拟计算出对应遮阳系数，进而得到如图5的变化曲线。图5南窗冬夏两季遮阳系数随w的变化趋势 图片来源：自绘冬

11、夏两季的遮阳系数均随着遮阳板宽度w的增大而减小，其中夏季的 遮阳系数先迅速减小而后逐渐趋于平缓，冬季的遮阳系数则呈线性降低。由于遮 阳系数越小，夏季遮阳效果越好，但减少了冬季太阳辐射得热，因此需综合权衡 考虑。由图可知：遮阳板宽度从100增加到500mm吋，夏季遮阳系数减小明显， 超过500m之后，遮阳系数降低速率逐渐减小，至800m后基本平缓。基于夏季 南窗遮阳减少建筑空调能耗，冬季通过南窗的太阳辐射得热从而降低建筑供暖能 耗的角度考虑，在提高夏季遮阳系数的同吋必须控制冬季遮阳系数。当 w=500mm时，夏季和冬季的遮阳系数分别为0.340、0.841,基本可以较好地满 足冬夏季得热遮阳的要求，因此推荐w取值约为500mm。2.3遮阳模拟计算结论综上，经软件模拟分析，平衡冬夏两季遮阳节能效果，住宅建筑水平外遮阳的适宜构造取值：a=500mm、b=300mm、w=500mm。三. 南窗固定水平遮阳板构型建议根据软件模拟分析结果，北京地区住宅南窗固定水平遮阳节能效果显著, 结合住宅建筑特点，平衡冬夏两季能耗，住宅建筑水平外遮阳的适宜构造取值：a=500mm、b=200mm300mm、w=500mm800mmo具体设计中水平遮阳板的外挑尺寸w应从外窗的玻璃面算起，可单独 设置，如：铝合金格栅