成都地区教学建筑外窗外遮阳设计研究,建筑硕士论文

成都地区教学建筑外窗外遮阳设计研究,建筑硕士论文摘要本文主要研究成都地区教学建筑不同朝向适宜的外遮阳形式及尺寸优化设计。首先根据水平式与垂直式遮阳板尺寸计算公式，推导出多层水平遮阳、多层倾斜水平遮阳、多层垂直遮阳以及多层倾斜垂直遮阳的遮阳板尺寸计算公式。基于节能、采光及节材优化设计原则，在外遮阳尺寸理论计算基础上，采用数值模拟方式方法进一步优化外遮阳形式及遮阳构件尺寸。本文主要研究结果如下：〔1〕文中对两种计算根据下得到的不同遮阳构件尺寸的外遮阳形式进行模拟研究，结果发现南向以“充分遮阳线〞对应的太阳高度角和方位角计算出的外遮阳尺寸是以“极端高温天气日〞对应的太阳高度角计算出的外遮阳尺寸的三倍，能耗相差不大，且知足成都地区教学建筑采光要求；东、西向以“充分遮阳线〞对应的太阳高度角和方位角计算出的外遮阳尺寸小于以“极端高温天气日〞对应的太阳高度角计算出的外遮阳尺寸，固然前者节能率稍高一点，但不知足成都地区教学建筑采光要求。因而，实际工程中可按极端高温天气日对应的太阳高度角和方位角进行遮阳构件尺寸设计优化。〔2〕对建筑南向、东向和西向外遮阳优化设计进行模拟研究，综合考虑各影响因素，得到不同朝向最佳的遮阳方式与尺寸。①南向教室外窗宜采用水平式遮阳，其遮阳板尺寸为：遮阳板水平挑出384mm，两端挑出720mm，相对无外遮阳时节能率为1.01%。②东向教室外窗外遮阳优化设计模拟时，首先采用挡板式遮阳，固然能降低总能耗，但是采光系数以及平均照度都不知足成都地区教学建筑的采光要求，因而东向不合适采用挡板式遮阳。接着采用多层水平遮阳板的外遮阳，当水平遮阳板为3层时，在知足采光的前提下，室内能耗相对最小，然而水平遮阳板出挑长度仍较大，将水平遮阳板倾斜一定角度，虽能减少遮阳板出挑尺寸，但不能知足室内采光的需要。最后采用多层垂直遮阳板的外遮阳，综合考虑采光、节能及节材的因素，垂直遮阳板采用8层，倾斜40°时最佳，此时的室内采光系数为4.72%，平均照度为565lx，室内耗冷量为117.05kWh/m2，耗热量为65.62kWh/m2，室内总能耗为182.67kWh/m2，相对无外遮阳时的节能率为3.58%。因而，东向教室外窗宜采用垂直遮阳板采用8层，倾斜40°的外遮阳形式，详细尺寸为：垂直遮阳板出挑长度为426mm，间距为675mm。③西向教室外窗外遮阳优化设计模拟时，首先采用挡板式遮阳，固然能降低总能耗，但是其采光系数以及平均照度都不知足成都地区教学建筑的采光要求，因而西向也不合适采用挡板式遮阳。接着采用多层水平遮阳板的外遮阳，当水平遮阳板为5层时的外遮阳综合效果最佳，此时的室内采光系数为3.94%，平均照度为471lx，室内耗冷量为106.80kWh/m2，耗热量为66.64kWh/m2，室内总能耗为173.44kWh/m2，相对无外遮阳时的节能率为2.66%。因而，西向教室外窗宜采用5层水平遮阳板的外遮阳，详细尺寸：水平板出挑长度为394mm，遮阳板间距为480mm。本文的研究可为实际工程中外遮阳形式选择与尺寸优化提供参考，具有一定的工程意义。本文关键词语：教学建筑；外窗外遮阳设计；理论计算；数值模拟。AbstractThispapermainlystudiestheoptimaldesignofexteriorshadingformandsizefordifferentorientationsofteachingbuildingsinChengdu.Firstly,accordingtothesizecalculationformulaofhorizontalandverticalshading,thesizecalculationformulasofmulti-layerhorizontalshading,multi-layerinclinedhorizontalshading,multi-layerverticalshadingandmulti-layerinclinedverticalshadingarededuced.Basedontheoptimizationdesignprincipleofenergysaving,lightingandmaterialsaving,andonthebasisoftheoreticalcalculationofexteriorshadingsize,numericalsimulationmethodwasadoptedtofurtheroptimizeexteriorshadingformandexteriorshadingcomponentsize.Themainresearchresultsofthispaperareasfollows:(1)Ofthetwokindsofcalculationunderdifferentshadingoutershadingformofthecomponentsizeforsimulationstudy,theresultsfoundthatsouthtofullshadelineofthesolaraltitudeAngleandazimuthAnglecorrespondingtocalculatetheexternalblindssizebasedontheextremehotweatherdayoutsideofthesolaraltitudeanglescorrespondingtocalculatetheshadesizethreetimes,energyconsumptionweresimilar,AndmeetthelightingrequirementsofteachingbuildingsinChengduarea;TheexternalshadingsizecalculatedbythesunheightAngleandazimuthAnglecorrespondingtothefullshadinglineintheeastandwestdirectionissmallerthanthatcalculatedbythesunheightAnglecorrespondingtotheextremehightemperatureday.Althoughtheformerhasaslightlyhigherenergysavingrate,itdoesnotmeetthelightingrequirementsofteachingbuildingsinChengdu.Therefore,thesizedesignoptimizationofshadingcomponentscanbecarriedoutaccordingtothesunaltitudeAngleandazimuthAnglecorrespondingtoextremehightemperaturedaysinpracticalengineering.(2)Theoptimalshadingdesignofthebuildinginthesouth,eastandwestdirectionsissimulatedandstudied.Consideringthefactorsofenergyconsumption,lightingandmaterialsaving,theoptimalshadingmethodandsizefordifferentorientationsareobtained.①Horizontalsunshadeshouldbeusedfortheouterwindowofthesouth-facingclassroom.Thesizeofthesunshadeis384mmhorizontallypickedoutand720mmatbothends.Theenergyrateis1.01%whenthereisnoexternalshading.②Intheoptimizationdesignsimulationofshadingoutsidethewindowsoftheeast-facingclassroom,thebaffleshadingisfirstlyadopted.Althoughthebaffleshadingcanreducethetotalenergyconsumption,itslightingcoefficientandaverageilluminationdonotmeetthelightingrequirementsofteachingbuildingsinChengdu,sothebaffleshadingisnotsuitablefortheeast-facingclassroom.Whenthenumberofhorizontalvisorsis3,theindoorenergyconsumptionisrelativelyminimumonthepremiseofsatisfyingthelighting.However,thelengthofthehorizontalvisorisstilllarge.BytiltingthehorizontalvisoratacertainAngle,thesizeofthevisorcanbereduced,butitcannotmeettheneedsofindoorlighting.Finally,theexternalshadingwithmulti-layerverticalsunvisorisadopted.Consideringthefactorsoflighting,energyconsumptionandmaterialsaving,theexternalshadingwith8-layerverticalsunvisorisadopted.Thebestshadingiswhenthesunvisortilts40°.atthistimeofindoordaylightingcoefficientwas4.72%,theaverageintensityofilluminationforthe565lx,indoorcoldconsumptionis117.05kWh/m2,heatconsumptionof65.62kWh/m2,indoortotalenergyconsumptionof182.67kWh/m2,relativewithoutexternalblindstheenergy-savingrateof3.58%.Therefore,theexternalwindowoftheeastfacingclassroomshouldadopttheexternalsunshadingwith8layersofverticalsunvisors,withatiltof40°.Thespecificsizeisasfollows:theoverhanginglengthoftheverticalsunvisorsis426mm,andthespacingis675mm.③Intheoptimizationdesignsimulationofshadingoutsidethewindowofthewestfacingclassroom,baffleshadingisfirstlyadopted.Althoughbaffleshadingcanreducethetotalenergyconsumption,itslightingcoefficientandaverageilluminationdonotmeetthelightingrequirementsofteachingbuildingsinChengdu,sobaffleshadingisnotsuitableforthewestfacing.Then,theexternalshadingwithmulti-layerhorizontalsunshadewasadopted.Whentheexternalshadingwithfive-layerhorizontalsunshadewasthebest,theindoorlightingcoefficientwas3.94%,theaverageilluminationwas471lx,theindoorcoolingconsumptionwas106.80kWh/m2,theheatconsumptionwas66.64kWh/m2,andthetotalindoorenergyconsumptionwas173.44kWh/m2,andtheenergysavingratewas2.66%comparedwiththatwithoutexternalshading.Therefore,theexteriorshadingof5layersofhorizontalsunvisorsshouldbeusedfortheexteriorwindowofthewestern-facingclassroom.Thespecificdimensionsareasfollows:theoverhanginglengthofthehorizontalboardis394mm,andthespacingofthesunvisorsis480mm.Theresearchinthispapercanprovidereferencefortheselectionofshadingformsandsizeoptimizationinpracticalengineering,whichhascertainengineeringsignificance.KeyWords：Teachingbuilding;Shadingdesignoutsidethewindow;Thetheoreticalcalculation；Numericalsimulation。1、绪论1.1、研究背景。1.1.1、我们国家建筑能耗现在状况。近年来，随着经济高速发展和生活水平迅速提高，同时人口急剧增长，导致能源消耗越来越严重。2001年至2022年我们国家城镇化高速发展，大量人口由乡村向城镇转移，城镇居民人口数从2001年的4.81亿迅速增长到8.48亿，农村人口数从2001年的7.96亿降低到5.52亿，城镇率从2001年的37.7%增长到60.6%[1]，如此图1.1所示。城镇化的快速发展使得我们国家建筑业规模不断扩大，城乡面积大幅增加。据国家统计局颁布的每年建筑完工面积统计数据显示：我们国家建筑每年的完工面积从2018年的27.75亿m2增加到2022年的40.23亿m2[1]，如此图1.2所示。2020年以前，我们国家每年的建筑完工面积增长迅速，自2020年至今，我们国家每年的建筑完工面积已连续多年的小幅下降，但基本稳定在40亿m2[1]。每年大量的建筑完工使得我们国家建筑面积总量不断增加，据资料显示，2021年我们国家建筑面积总量约为601亿m2，华而不实：城镇住宅建筑面积为244亿m2，农村住宅建筑面积为229亿m2，公共建筑面积约为128亿m2[2]。建筑业迅猛发展，使得建筑面积不断增加，因而造成了宏大能源消耗。建筑能源消耗主要包括建筑建造能耗〔建筑建造经过中所导致的从原料开采、建材生产、运输以及现场施工所产生的能源消耗〕以及建筑使用经过中的建筑运行能耗两大部分。根据文献[2]的资料显示：2021年我们国家建筑运行能耗和建筑建造能耗占总能耗的37%，华而不实，建筑建造能耗占比14%，建造运行能耗占比23%。建筑运行能耗包括建筑物通风、空调、供暖、照明、和其他为了实现建筑各项服务功能所产生的能耗，一直伴随建筑物使用经过而发生。随着我们国家逐步进入城镇化新阶段，建设速度放缓，建筑的排放和运行能耗将成为更大的部分。因而，建筑运行能耗成为建筑节能任务中主要的关注点。根据能耗特点，我们国家民用建筑运行能耗可分为公共建筑用能、城镇住宅用能、北方城镇供暖用能、以及农村住宅用能四类[2]，各部分能耗如表1.1所示。从表1.1中能够看出，公共建筑总能耗〔不含北方供暖〕为3.32亿吨标准煤，占建筑总能耗的33%，其面积约占建筑面积总量的1/5，所以从单位面积能耗强度来看，公共建筑能耗强度却是四类建筑用能强度最高的[2]。可见，公共建筑的节能迫在眉睫。【由于本篇文章为硕士论文，如需全文请点击底部下载全文链接】1.1.2、我们国家高校建筑能耗现在状况.1.1.3、教学建筑外遮阳的必要性1.2、研究目的及意义1.2.1、研究目的1.2.2、研究意义1.3、国内外研究现在状况1.3.1、国内研究现在状况.1.3.2、国外研究现在状况.1.3.3、文献评述1.4、研究内容及技术道路1.4.1、研究内容1.4.2、技术道路2、建筑外遮阳相关概述.2.1、外遮阳的分类.2.1.1、按产品类型分类.2.1.2、按遮阳基本形式分类.2.1.3、按操作方式分类.2.14、按遮阳材料分类.2.2、外遮阳设计的根据2.2.1、建筑气候.2.2.2、房间功能.2.2.3、窗口朝向2.3、建筑外遮阳对节能和室内环境的影响2.3.1、建筑外遮阳对节能的影响2.3.2、建筑外遮阳对室内光环境的影响2.4、本章小结3、成都地区气候环境与教学建筑特点研3.1、成都地区气候环境3.1.1、太阳辐射3.1.2、温度分布3.13、湿度分布3.2、教学建筑特点3.2.1、教学空间3.2.2、室内热扰3.2.3、建筑能耗3.3、成都地区教学建筑遮阳现在状况3.3.1、调研目的与调研内容.3.3.2、调研结果分析.3.3.3、成都地区教学建筑遮阳现在状况及存在的问题.3.4、本章小结4、成都地区教学建筑外窗外遮阳初步设计4.1、成都地区教学建筑遮阳日期与时间4.1.1、成都地区教学建筑设置外遮阳的条件.4.1.2、成都地区教学建筑遮阳日期与时间4.2、成都地区遮阳日期的太阳位置4.2.1、太阳赤纬角4.2.2、太阳时角4.2.3、太阳高度角4.2.4、太阳方位角4.2.5、成都地区遮阳期不同日期不同时刻的太阳位置4.3、遮阳板设计的基本公式及推导4.3.1、水平式遮阳4.3.2、垂直式遮阳4.3.3、挡板式遮阳4.35、多层倾斜水平遮阳.4.3.6、多层垂直式遮阳4.3.7、多层倾斜垂直式遮阳4.4、遮阳板尺寸初步计算4.4.1、遮阳板尺寸计算根据4.4.2、遮阳板尺寸初步计算4.5、本章小结.5、成都地区教学建筑外窗外遮阳优化设计模抑研.5.1、外遮阳优化设计原则与方式方法5.1.1、外遮阳优化设计原则5.1.2、外遮阳优化设计方式方法.5.2、模型建立及外遮阳效果评价指标5.2.1、模拟软件简介.5.2.2、建立物理模型.5.2.3、模拟参数设置，5.2.4、外遮阳评价指标.5.3、南向遮阳优化设计5.3.1、遮阳尺寸优化选择.5.3.2、不同热工性能的外窗外遮阳对室内能耗和采光影响5.3.3、南向模拟结果总结.5.4、东向遮阳优化设计5.4.1、采用挡板式遮阳5.4.2、采用多层水平遮阳板的外遮阳.5.4.3、采用多层垂直遮阳板的外遮阳.5.4.4、东向模拟结果总结.5.5、西向遮阳优化设计5.5.1、采用挡板式遮阳.5.5.2、采用多层水平遮阳板的外遮阳5.5.3、西向模拟结果总结5.6、本章小结6、结论本文以成都地区为例，对成都地区教学建筑外遮阳进行设计研究。得出主要结论如下：〔1〕在水平式与垂直式遮阳板尺寸计算公式的基础上，推导出了多层水平式、多层倾斜水平遮阳、多层垂直遮阳以及多层倾斜垂直遮阳的遮阳板尺寸计算公式。〔2〕综合考虑室内能耗、采光以及节材等因素，比拟分析两种计算根据得到的外遮阳尺寸，得到实际工程中按极端高温天气日对应的太阳高度角和方位角进行遮阳构件尺寸设计优化的方式方法。〔3〕对建筑南向、东向和西向的外遮阳优化设计进行模拟研究，综合考虑能耗、采光和节材等因素，得到不同朝向下的最佳遮阳形式与尺寸。①南向教室外窗宜采用水平式遮阳，其遮阳板尺寸为：遮阳板水平挑出384mm，两端挑出720mm。相对无外遮阳时节能率为1.01%。②东向教室外窗宜采用8层垂直遮阳板的外遮阳，遮阳板倾斜40°，详细尺寸为：垂直遮阳板出挑长度为426mm，间距为675mm。相对无外遮阳时节能率为3.58%。③西向教室外窗宜采用5层水平遮阳板的外遮阳，详细尺寸：水平板出挑长度为394mm，遮阳板间距为480mm。相对无外遮阳形式时节能率约为2.66%。以下为参考文献.[1]国家统计局.2020中国统计年鉴[M].北京:中国统计出版社，2020.[2]清华大学建筑节能研究中心建筑节能年度发展研究报告2020[M].北京:中国建筑工业出版社，2020.[3]清华大学建筑节能研究中心中国建筑节能年度发展研究报告2021[M].北京:中国建筑工业出版社，2021.[4]杨宇乐.武汉地区既有高校教学建筑外遮阳优化设计研究[D].青岛理工大学2020.[5]王雅静.教学建筑外遮阳的复合化设计研究[D].重庆大学2021.[6]岳鹏.建筑遮阳技术手册[M].北京:化学工业出版社，2020.[7]涂逄祥.中国建筑遮阳技术[M].北京:中国质检出版社2021.[8]简毅文，王苏颖，江亿.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[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2001,(03):212-217.[9]张杰吴保华.水平式遮阳构件尺寸的计算研究[J].四川建筑科学研究,2005,(01):119-120+I27.[l0]朱燕燕，杨坤丽，韦延年.浅析建筑构件遮阳系数确定[].四川建筑科学研究,2007,(02):143-l45.[1]张建海,姚健,周燕,等.关于水平遮阳板节能最优化尺寸的讨论一--以宁波地区为例[J]门窗,2008(03):35-38[12]陈震,何嘉鹏.南京地区南窗外遮阳构件尺寸研究[].新型建筑材料,2018,36(06):52-55.[13]唐慧华.建筑遮阳构件的构造设计[J].建筑设计管理2021,3204)68-69.[14]李吴,刘梵思.夏热冬冷地区多层建筑屋顶构件节能优化设计---以百叶型遮阳构件为例[J].湖南城市学院学报(自然科学版),2021,27(01):28-32.[15]李鑫.湖南地区建筑遮阳系统设计方式方法研究[D].湖南大学2005.[l6]朱燕燕.夏热冬冷地区建筑遮阳系统设计及其节能评价[D].西南交通大学2007.[17]石丹.寓居建筑窗户外遮阳优化设计研究[D]重庆大学,2008.[18]权公恕、夏热冬冷地区建筑外遮阳与建筑整合设计研究[D].