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1、从本学科出发，应着重选对国民经济具有一定实用价值和理论意义的课题。课题具有先进性，便于研究生提出新见解，特别是博士生必须有创新性的成果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 Optimum overhang and vertical shading device dimensions for energy saving in BEijing 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
2、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 a
3、ir-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 fenestr
4、ations 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 seas
5、ons. 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 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
6、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
7、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： 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。故对于冬季采暖期和夏季空调期是外窗遮阳状况，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
8、越小，遮阳对冬季热环境所引起的负面影响越小。 水平遮阳方式 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。本文中取的外窗作为研究对象。2.南窗 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，0,8m和时，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
9、了W=时，夏季和冬季的平均遮阳系数随a和b的变化曲线。 图南窗夏季平均遮阳系数随a，b的变化图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大于后对冬季遮阳系数的影响很小。这样，可考虑取b为。 根据上述的分析，对W=的情况，分别取a=0
10、.4m,b=,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=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的取值分别定为和。表1不同a和b下的冬、夏季平均遮阳系数比较 遮阳尺寸 夏季 冬季 a=,b= a=0,b=00. .2.遮阳板宽度W的影响 由上分析，a=.4m,b=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变化时，夏季遮阳系数的提高快，大于后，遮阳系数的变化趋势趋于平缓。图南窗冬、夏季平
11、均遮阳系数随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为时，夏季平均遮阳系数为，冬季平均遮阳系数为，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。 2.西窗 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
12、增大而增大。但a增大到后，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的取值为较为合理。 图夏季平均遮阳系数随a，b的变化图 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=,b=0m是比较合理的取值。 表 不同a和b下的平均遮阳系数比较 遮阳尺寸
13、 夏季 冬季 a=0m,b=0ma=,b=a=,b=0ma=,b=0m 0. .3.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=时夏季的平均遮阳系数仅达到，而冬季的平均遮阳系数为。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。图西窗冬、夏季平均遮阳系数随W的变化 垂直遮阳方式 遮阳构造垂直遮阳方式的具体构造见图8所示
14、。图中：X-外窗宽度；Y-外窗高度；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.南窗 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下，夏季和冬季平均遮阳系数随a和b的变化趋势。 图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。在这种情况下，对应a值为的冬季遮阳系数不超过，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的取值分别定为和。遮阳板宽度W和长度l的影响进一步再分
