建筑遮阳对室内光、热环境舒适性及建筑用能的影响研究

作者：江湖笑笑生目 录1 绪论11.1 选题背景11.2 相关领域国内外技术现状、发展趋势11.3本文研究的内容和目标21.3.1 课题实施的主要研发目标21.3.2 研究与开发的具体内容22 外遮阳在建筑节能中的意义和作用52.1外遮阳常用形式和种类52.2外遮阳对室内环境的影响72.2.1外遮阳与室内热环境72.2.2外遮阳与室内光环境82.2.3 外遮阳与室内通风82.3 总结93 课题的主要研究内容103.1 天空亮度分布模型103.2 照度计算模型143.2.1 室外水平面照度计算143.2.2 室内水平面照度计算153.2.3 室内光环境评价指标183.3 Radiance 光照模拟软件简介193.3.1 模型建立203.3.2 外遮阳参数的设计计算203.3.3 模拟工况选择233.4 光照模拟结果分析253.4.1 水平遮阳（南向）253.4.2 垂直遮阳（西北向）273.4.3 综合遮阳（南向）283.4.4 挡板遮阳（西向）293.4.5 百叶遮阳（南向）313.4.6 眩光的常用评价指标333.4.7 外遮阳对室内眩光控制分析343.4.8 小结354 外遮阳对室内光环境影响的实验验证374.1 实验模型的建立374.2 实验误差分析374.3 测试仪器394.4 各表面相关参数的测量414.3.1 测试时间及测试工况424.3.2 实验结果对比分析424.5 小结475.结论48作者：江湖笑笑生1 绪论1.1 选题背景随社会的发展，节约能源、节能降耗已上升到社会可持续发展的战略高度目前，国家大力提倡绿色建筑、节能建筑，并且出台一系列标准、规范，对建筑节能设计提出了许多具体的要求。建筑遮阳是建筑节能的一项重要措施，遮阳设施能合理的控制太阳光进入室内，减少建筑空调能耗和人工照明用电，改善室内光环境。如何采取有效的遮阳措施，降低外窗太阳辐射产生的建筑空调负荷、减少人工照明用能，实现建筑节能，使建筑更符合绿色环保的要求，更符合人类生产、生活的需要，其意义重大而深远。1.2 相关领域国内外技术现状、发展趋势人们对建筑遮阳的研究由来已久。最早对遮挡问题的文字叙述来源于古希腊时期的作家赞诺芬，他在其著作中提到关于设置柱廊以遮挡角度较高的夏季阳光而又使角度较低的冬季阳光射入室内的问题。公元前1世纪，维特鲁威在其建筑专著建筑十书中，在选址部分乃至全章中都提到要避免南向辐射热的建议。文艺复兴时期，阿尔伯蒂的论建筑中也阐明了为使房间保持凉爽，防晒措施应如何选址。总的来讲，从古罗马到17、18世纪的建筑师们没有涉及到计算层面上，没有对遮阳专门研究，基本以经验来考虑防晒问题，对建筑遮阳的认识停滞不前。20世纪初，赖特率先把太阳几何学引入建筑设计领域。在他的成名作罗比住宅和威立茨住宅中，赖特根据当地春秋分等特定时间的太阳高度角以及各房间对阳光的需求设计了错落有致、深浅不一的挑檐，这些造型舒展的屋顶不仅成就了享誉世界的草原风格，而且开创了遮阳设计的先河。但赖特设计的作品多为别墅，他的建筑遮阳设计理念没有波及到当时正蓬勃发展的现代建筑（如多层、高层建筑）中，且挑檐也不是严格意义上的遮阳板。因此，人们公认的现代建筑遮阳板的发明人是另一位建筑大师勒柯布西耶。在同时代，勒柯布西耶在巴黎设计的建筑有着大面积的玻璃窗，一年中虽然有十个月很宜人，但剩下的两个月却非常酷热，“为了解决这种状况，我得发明些什么才行。”勒柯布西耶在玻璃的外侧加上水平板、垂直板、或格栅板，来阻止阳光直接照射在隔热效果差的玻璃上，这种现今为大家所习惯的立面形式，即遮阳，便是此时由勒柯布西耶所发明的。在1928年他首先在迦太基住宅设计中使用了遮阳设施。1936年他给迈耶尼等人为里约热内卢国家教育与公共卫生大楼的设计，提出采用百叶遮阳的建议。在这之后，“遮阳”被作为一种立面语言，正像他的大部分创作一样风靡一时，在各种气候地区，也不考虑遮阳原理，一律附在建筑物上。这种风尚为时四分之一世纪之久。勒柯布西耶本人对日照研究也很简单通常是几张草图，或是夏至日和冬至日中午的太阳高度角。如他设计的奈穆尔方案，只在图纸示意要“排除太阳的热量”。理查德诺伊特拉对建筑遮阳做出了里程碑式的贡献，他是第一个根据气象资料并请专业人员设计全天候建筑遮阳系统的现代建筑师。他在晚年对太阳几何学作了更深层次的研究，并取得了突破性进展。在洛杉矶档案馆的设计中，标注太阳轨迹并研究了各种遮阳的方案，最后实施的是由屋顶上太阳自动跟踪系统控制的活动式垂直百叶窗。1.3本文研究的内容和目标1.3.1 课题实施的主要研发目标1）预期总体目标认真分析研究建筑遮阳对室内光、热环境舒适性及建筑用能影响的相关因素进行分析，形成可研报告，将研发内容转化为实物，提出如何选择合理的建筑遮阳形式和遮阳产品，应用到建筑工程当中去。2）阶段性目标（1）大量查阅建筑遮阳技术的理论书籍和相关技术文献,总结研究分析成果和研究现状。（2）在查阅书籍及资料的基础之上,认真分析建筑遮阳对室内光、热环境舒适性及建筑用能影响的相关因素并进行总结。（3）分析研究建筑遮阳形式和分类。（4）分析研究建筑遮阳的设计与应用。（5）探索研究开发建筑遮阳创新技术。1.3.2 研究与开发的具体内容1）认真分析建筑遮阳对室内光、热环境舒适性及建筑用能影响的相关因素。建筑遮阳对热舒适性和视觉舒适的影响热舒适性体现了人们对周围环境冷热适宜性的主观满意度，是对人们在室内生活、工作的热环境基本要求。影响热舒适的主要因素有室内空气温度、相对湿度、平均辐射温度、空气流速、太阳光直射程度、衣着和活动量等。从光学角度分析，遮阳装置对室内热舒适性影响的主要参数有：太阳能总透射比、向室内侧的二次热传递系数和直射一直射太阳光透射比。其中，太阳能总透射比是指通过窗户传入室内的太阳辐射与入射太阳辐射的比值，玻璃窗和遮阳装置综合的太阳能总透射比用舶表示；向室内侧的二次热传递系数是指通过玻璃窗和遮阳装置综合吸收的太阳辐射通过辐射和对流释放到室内的部分与入射太阳辐射的比值；直射一直射太阳能透射比是指通过遮阳装置后，避免室内的人和环境直接遭受太阳辐射。用玻璃窗和遮阳装置综合的直射一直射太阳能透射比表示。在影响热舒适性的几个主要因素中，空气温度、平均辐射温度和太阳光直射程度等可通过建筑遮阳设施调节控制。视觉舒适是指人对光环境的心理感觉的舒适程度，是一个心理感觉量。影响视觉舒适度的因素很多，其主要因素有光效环境照度等f如运动场、会客厅、卧室等)，这些因素均可通过建筑遮阳设施来控制。影响室内视觉舒适性因素之一的照度可由遮阳装置的日光利用性能确定：光效环境均受遮阳装置的不透光度、眩光调节、夜间私密性、透视外界的能力和Et光利用的五个性能综合影响。其中，不透光度是指遮阳装置不透光性能即遮光能力的体现；眩光调节是指通过调节遮阳装置，使视野中的亮度分布、范围或对比有所调整。以降低亮度极端对比产生的视觉不舒适感提高观察细部和目标的能力；夜间私密性是指室内正常照明状态下，遮阳装置完全关闭后，阻隔外部观察避免被外界透视的能力：透视外界的能力是指在遮阳装置完全关闭后人站在室内对外界识别看清目标的能力：日光利用是指在室内需要照明时，通过调节遮阳装置利用太阳光采光减少照明用电，提高Et光利用率的能力。建筑遮阳的类型与节能效果测试分析建筑遮阳设施因结构不同、安装位置不同，其遮阳效果有较大差别。我国常用的建筑遮阳按照其不同的安装位置可分为三种类型：外遮阳、中置遮阳和内遮阳。遮阳设施使进入室内的热辐射量减少，玻璃内表面温度降低，太阳光的炙烤感减弱。遮阳装置按对改善室内热舒适性能的影响由大至小分别为外遮阳、中置遮阳、内遮阳：从实测试结果表明，窗户如采用外遮阳装置当外遮阳百叶帘全部关闭时，仅有1020太阳能进入室内；采用中置遮阳装置，当百叶全部关闭时约有3040太阳能进人室内：采用内遮阳装置，当百叶帘或织物卷帘关闭时。约有6070的太阳能进入室内；可见外遮阳与其他遮阳方式相比进人室内的热辐射量最少改善室内热舒适性影响和节能效果最佳，当达到室内热舒适性时所消耗的空调能量与其他遮阳方式相比最少。从空调耗电角度比较，采用内遮阳设施，仅能减少建筑空调能耗的810 ；采用中置遮阳设施。室内温度可降低23(见图1)，可减少空调能耗20左右；采用外遮阳设施，室内温度可降低57，可减少空调能耗约30。2 外遮阳在建筑节能中的意义和作用 在建筑能耗中，夏季空调能耗和冬季采暖能耗约占 55的比例，如何有效的降低空调系统能耗已经成为建筑节能的关键之一。在夏季空调能耗中，由太阳辐射引起的负荷又占很大的比重，建筑外遮阳作为夏季建筑隔热的即经济，又有效的措施，能够吸收和反射大部分的太阳辐射，减少进入室内的太阳辐射热量，从而大大降低夏季室内的空调能耗。而且，在新建建筑中，由于追求建筑的通透艺术和室内观景功能的需要，大面积玻璃幕墙在建筑上的使用越来越多，也越来越广泛。夏季强烈的太阳直射及玻璃的温室效应更增大了夏季空调系统的能耗，增加合适的外遮阳措施对降低建筑能耗更显得尤为重要。 随着我国对建筑节能的日益重视，外遮阳作为相对较低成本的有效节能措施也受到了越来越多的关注，在相继出台的公共建筑节能设计标准，夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准、民用建筑热工设计规范等多个标准中做了相关的规定。 公共建筑节能设计标准4.2.5 条规定：公共建筑窗墙面积较大时，应对窗口和透明幕墙采取外遮阳措施；在附录 A 中给出了水平遮阳板和垂直遮阳板的遮阳系数的计算方法，此计算公式是通过计算机模拟得出的拟合公式。附录 A 中还给出了外遮阳挡板遮阳系数的计算公式，此公式是根据挡板的透光率为基础计算得到。 夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准：在附录 A 中同样给出了和公共建筑节能设计标准中一样的水平遮阳、垂直遮阳和遮阳挡板的遮阳系数的简易计算方法。在 4.0.9 条中规定，居住建筑的外窗在可能的情况下，应优先采用活动或固定的建筑外遮阳设施，以达到比窗户本身遮阳和窗户内遮阳更好的遮阳隔热效果。 民用建筑热工设计规范：第 3.3.3 条规定建筑物的向阳面，特别是东、西向窗户，应采用有效的遮阳措施。第 3.4.8 条规定向阳面，特别是东、西向窗户，应采用热反射玻璃、反射阳光涂膜、各种固定式和活动式遮阳等有效措施。 2.1外遮阳常用形式和种类 外遮阳的种类繁多, 建筑师为了立面效果的需要, 外遮阳的形状也越来越多, 但都离不开其中的五种基本形式, 即水平遮阳、垂直遮阳、综合遮阳、挡板遮阳以及百叶遮阳，五种基本遮阳形式的结构如图 1.1 所示。对于这五种基本遮阳形式，都有其不同的遮阳特性和不同的遮阳效果，也各有它的使用条件。 图 1.1 建筑遮阳的基本形式1）水平遮阳 水平遮阳可以有效的遮挡从窗口上方投射下来的高度角较大的太阳直射，适宜布置在南向或接近南向的窗口上，在北回归线以南则适宜安装在北向或接近北向的窗口上。此时能形成较理想的阴影区。对于水平式遮阳，合理的遮阳板设计参数和位置能有效的遮挡夏季日光的同时又能较小的影响冬季日光的进入。 水平遮阳设置的位置不同会带来不同的遮阳效果。如将遮阳板放置于窗户最上方，则需要设置较大的外挑长度才能够达到良好的遮阳效果。如果将遮阳板的位置下移，则可以减小遮阳板挑出的长度，利于节省制作材料。此时遮阳板亦可以将上表面接受的太阳辐射反射至室内顶棚，再经过顶棚反射室内深处，增加室内深处的亮度，提高室内光环境的均匀度和舒适性。 2）垂直遮