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
   
   

    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。（参考《建筑中文网》）
    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

    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。
   
   

    遮阳尺寸

    夏季

    冬季

    0.30
    0.28
    0.34
    0.34

    0.17
    0.16
    0.22
    0.24