遮陽(yáng)裝置可調(diào)節(jié)葉片狀態(tài)與太陽(yáng)位置對(duì)建筑遮陽(yáng)性能的影響分析

姜?dú)J青，朱 杰

（江西省建筑技術(shù)促進(jìn)中心，江西 南昌）

引言

在建筑物中，太陽(yáng)能輻射是影響夏季室內(nèi)空調(diào)制冷能耗的主要因素，如果室內(nèi)進(jìn)入的太陽(yáng)能輻射較高，則會(huì)在夏季增加室內(nèi)能耗。所以，在透光的圍護(hù)結(jié)構(gòu)上增加遮陽(yáng)裝置，可以達(dá)到降低建筑物內(nèi)能耗的目的，讓夏季空調(diào)能耗節(jié)省到25%左右，而冬季則可以讓采暖能耗按制在10%左右。如此，本文通過(guò)葉片角系數(shù)的確認(rèn)，生成遮陽(yáng)性能較高的數(shù)學(xué)模型，以了解太陽(yáng)高度角、葉片傾角以及d/l 值對(duì)建筑物遮陽(yáng)性能產(chǎn)生的影響，從而節(jié)省制冷能耗，增加在建筑物供暖環(huán)節(jié)的支持[1-2]。

1 建筑遮陽(yáng)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于遮陽(yáng)裝置而言，為實(shí)現(xiàn)對(duì)其性能的分析，需要運(yùn)用試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試以及模擬計(jì)算的方法，在自然的條件下進(jìn)行測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光照條件的模擬，而其中的遮陽(yáng)系數(shù)需采用評(píng)價(jià)的方式，在確認(rèn)產(chǎn)品是否具備隔熱性能后，設(shè)置其遮陽(yáng)系數(shù)，讓玻璃、門(mén)窗和遮陽(yáng)產(chǎn)品中存在的遮陽(yáng)系數(shù)都能在規(guī)定的范圍內(nèi)，從而運(yùn)用相對(duì)統(tǒng)一的方式，了解在各個(gè)區(qū)域內(nèi)這樣系數(shù)之間的差異。

1.1 遮陽(yáng)產(chǎn)品的系數(shù)

結(jié)合相關(guān)規(guī)章制度中的內(nèi)容進(jìn)行分析，了解到在標(biāo)準(zhǔn)情況下，3 mm 厚度的白玻璃與遮陽(yáng)產(chǎn)品之間的組合熱量，也就是“Q”，得到二者之間的比值Q1。這樣則可實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)產(chǎn)品具體遮陽(yáng)系數(shù)的測(cè)定，公式如下：

1.2 窗戶的遮陽(yáng)系數(shù)

在窗戶的這樣系數(shù)確認(rèn)過(guò)程中，需要在特定的情況下執(zhí)行操作。首先，應(yīng)了解外窗在室內(nèi)環(huán)境內(nèi)所能夠得到的熱量，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)玻璃上所具備的熱量，了解二者熱量比。例如：普通窗戶需要選擇地取窗玻璃，運(yùn)用其中的這樣系數(shù)與窗玻璃的面積相互對(duì)接，以得到具體的遮陽(yáng)系數(shù)。若需要計(jì)算整個(gè)窗戶的太陽(yáng)熱透比，則可以運(yùn)用公式：

其中g(shù)g表示整個(gè)窗戶的總透射比；gf表示鑲嵌板及窗玻璃在特定區(qū)域內(nèi)的總透射比；Ag表示鑲嵌板及窗玻璃的面積；Af表示窗框的面積；A 表示窗戶的總面積。

其次，通過(guò)綜合遮陽(yáng)系數(shù)的計(jì)算，可以了解到窗戶與窗口在連接過(guò)程中可能產(chǎn)生的遮陽(yáng)效果，該系數(shù)是Se，則建筑外的遮陽(yáng)系數(shù)則為Sd，由此，可以得到綜合遮陽(yáng)系數(shù)Sw，公式如下：

1.3 玻璃的遮陽(yáng)系數(shù)

在玻璃遮陽(yáng)系數(shù)確認(rèn)時(shí)，應(yīng)了解在無(wú)特殊遮陽(yáng)的前提下，通過(guò)太陽(yáng)直接照射而得到對(duì)應(yīng)的熱量，通過(guò)對(duì)其減弱程度的分析，可以了解到玻璃的可見(jiàn)光透射比、太陽(yáng)能總透射比、太陽(yáng)光直透射比、玻璃參數(shù)以及紫外線透射比等內(nèi)容。在特定的入射條件下，運(yùn)用透光系統(tǒng)，保證太陽(yáng)能總透射比能夠與自然條件下相同。讓其作用于3 mm 厚度的標(biāo)準(zhǔn)玻璃中，則可得出總透射的比值（Se）。而針對(duì)不同類型的比例結(jié)構(gòu)，則可運(yùn)用公式來(lái)完成計(jì)算，具體如下：

Se=g/Tδ

其中g(shù) 表示在實(shí)驗(yàn)條件下太陽(yáng)能的總透射比；Tδ 表示在3 mm 厚度的平板玻璃當(dāng)中，太陽(yáng)能的總透射比，文中可取值為88.9%。

如此，為實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑遮陽(yáng)性能的分析，可以讓室內(nèi)的熱量分別是，通過(guò)太陽(yáng)能輻射而帶來(lái)的熱量傳遞以及室內(nèi)溫差而導(dǎo)致的溫差傳熱。同時(shí)，通過(guò)太陽(yáng)輻射得到的熱量，可以區(qū)分為玻璃在吸收輻射后，運(yùn)用對(duì)流的方式，將熱量傳輸?shù)绞覂?nèi)環(huán)境。另一種則是太陽(yáng)直接進(jìn)行輻射，穿過(guò)玻璃，使得進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境中的熱能都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊Ｔ诖吮尘跋?，太?yáng)能的總透射比，需要通過(guò)二者的比值進(jìn)行計(jì)算，具體如下：

其中q 表示室內(nèi)環(huán)境中所具備的二次熱傳遞系數(shù)；而t 則表示此時(shí)的直接透射比。

2 遮陽(yáng)裝置可調(diào)節(jié)葉片狀態(tài)與太陽(yáng)位置對(duì)建筑遮陽(yáng)性能的影響

2.1 創(chuàng)建遮陽(yáng)裝置的計(jì)算模型

利用可調(diào)節(jié)葉片遮陽(yáng)裝置的安裝，讓工作人員加強(qiáng)對(duì)其長(zhǎng)度以及寬度的分析，讓葉片可以比作為無(wú)限長(zhǎng)的平面，讓葉片能夠均勻地進(jìn)行漫反射，從而得到角系數(shù)，截取葉片的橫截面作為后續(xù)計(jì)算的前提。并且，在模型的創(chuàng)建前期，應(yīng)注重可能對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度產(chǎn)生影響的因素，從而保證后續(xù)在葉片調(diào)整過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

首先，可以將兩個(gè)相鄰的葉片進(jìn)行處理，讓室內(nèi)開(kāi)口的平面為1，則其寬度是d1，而室外的開(kāi)口平面則為2，則其寬度是d2。這樣一來(lái)，通過(guò)計(jì)算平面的方法，得到上下葉片的截面以及橫截面4 和3，其寬度分別為l4 與l3。同時(shí)，可以增加兩個(gè)計(jì)算平面[3]。

其次，由于葉片的傾角與角系數(shù)在計(jì)算過(guò)程中是有關(guān)聯(lián)的，所以，遮陽(yáng)裝置的太陽(yáng)方位與遮陽(yáng)性能之間的參數(shù)是具有較為密切的關(guān)聯(lián)的，那么，太陽(yáng)若進(jìn)行直射，則可繪制出輔助線，以方便相關(guān)人員對(duì)遮陽(yáng)裝置的狀態(tài)進(jìn)行分析（具體如圖1 所示）。

圖1 可調(diào)節(jié)葉片的角系數(shù)模型示意圖

對(duì)此，則可讓l1 與l2 擔(dān)任輔助平面的位置，而α1、α2、β1、β、β2 都可以稱之為輔助角，而其中的l3 與l4 表示圖中上葉片與下葉片的寬度，l5 與l6 則表示葉片進(jìn)行直射的寬度；l7 與l8 則表示為進(jìn)行直射時(shí)，上葉片以及下葉片的寬度。

所以，在可調(diào)節(jié)葉片應(yīng)用過(guò)程中，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，將葉片的夾角進(jìn)行設(shè)置，在保證葉片寬度是固定的前提下，保證相鄰兩個(gè)葉片之間是有距離的，并且結(jié)合產(chǎn)品的應(yīng)用需求，完成對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)工作即可[4]。而為保證計(jì)算工作能夠順利實(shí)施，也可通過(guò)設(shè)定圖的繪制，將葉片的寬度分別設(shè)置為1（主要是l3、l4），這樣，則可得到實(shí)際葉片寬度的商值。

最后，可以站在輻射傳熱的層面上進(jìn)行分析，若各系數(shù)都在同一平面當(dāng)中，則彼此之間所產(chǎn)生的夾角則是“0”。也就是面1-8 中的夾角系數(shù)都是0，而面5與面3 的夾角則為Φ53；其中面6 和面4 之間的夾角則是Φ64，經(jīng)比對(duì)，其都是0。若此時(shí)，結(jié)合對(duì)稱的基本原理，則可確認(rèn)面4 對(duì)面2 的夾角系數(shù)是Φ42，而面3 與面1 之間的夾角系數(shù)為Φ31，彼此之間存在相互對(duì)稱的關(guān)系。但如若在同一平面上，需要依靠能量的守恒定量，實(shí)現(xiàn)對(duì)面5 與面1 之間Φ 的計(jì)算，則可運(yùn)用公式得出Φ51，具體如下：

同時(shí)，為保證角系數(shù)是相對(duì)完整的，可以讓面1和面2 之間的夾角系數(shù)為Φ12，則面3 和面4 之間的夾角系數(shù)為Φ34。采用分別計(jì)算的方法，得到準(zhǔn)確數(shù)值。具體如下：

另外，在模型創(chuàng)建過(guò)程中可以根據(jù)太陽(yáng)光的垂直狀態(tài)，讓方位角為0°，而太陽(yáng)高度角則為45°，其中的葉片傾角則為45°，如此，測(cè)定葉片與太陽(yáng)光入射后的間距比為d/l=1 的角系數(shù)，具體取值如表1 內(nèi)容所示。

表1 角系數(shù)變化數(shù)據(jù)表

并且當(dāng)太陽(yáng)光呈現(xiàn)出垂直照射的狀態(tài)，太陽(yáng)高度角為45°時(shí)，葉片傾角為65°，方位角為0°時(shí)，測(cè)定葉片與太陽(yáng)光入射后的間距比為d/l=0.87±0.03,則角系數(shù)如表2 所示。

表2 角系數(shù)變化數(shù)據(jù)表

若此時(shí)的方位角為0°，太陽(yáng)的高度角為30°，葉片傾角是120°，則葉片不存在太陽(yáng)直接射入的情況，可能葉片正處于臨界的區(qū)域，所以，其中的間距比為d/l=0.87±0.03 時(shí)，其中的角系數(shù)以表3 內(nèi)容為準(zhǔn)。

表3 角系數(shù)變化數(shù)據(jù)表

2.2 明確葉片傾角產(chǎn)生的影響

根據(jù)室內(nèi)條件下，葉片遮陽(yáng)裝置的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，了解葉片傾角在變化過(guò)程中可能產(chǎn)生的影響。例如：若在葉片傾角以及太陽(yáng)高度角呈現(xiàn)出相同狀態(tài)時(shí)，d/l=0.87 的前提下，半球透比及太陽(yáng)光直射都會(huì)比d/l=1 的情況要低。所以，前者的遮陽(yáng)效果會(huì)比后者要好，也要優(yōu)于d/l=1 的情況。

2.3 確認(rèn)太陽(yáng)方位所帶來(lái)的影響

文中影響室內(nèi)葉片裝置在應(yīng)用過(guò)程中具有較多的規(guī)格，使得葉片的寬度分別為16 mm、25 mm、50 mm、80 mm 以及90 mm，使得葉片傾角進(jìn)行調(diào)整時(shí)，把按葉片的中心距離，運(yùn)用定向調(diào)整的方式，確認(rèn)遮陽(yáng)裝置的規(guī)格，讓葉片寬度與葉片中心距之間的比d/l能夠在0.87 左右。如此，則可運(yùn)用d/l=0.87 完成后續(xù)的計(jì)算操作。

首先，可以了解現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)建筑物的實(shí)際狀況，讓遮陽(yáng)裝置在設(shè)置過(guò)程中能夠以葉片的角度為基礎(chǔ)，依靠人為選擇的方式，保證葉片可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以跟上太陽(yáng)高度角的變化速度。并且，應(yīng)增加對(duì)太陽(yáng)直射率的關(guān)注，了解在遮陽(yáng)裝置合理設(shè)置的情況下，能夠強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)的遮陽(yáng)效果。若葉片的傾角位置和太陽(yáng)方位角之間存在差異，則遮陽(yáng)裝置內(nèi)的遮陽(yáng)效果則會(huì)產(chǎn)生較大的差異[5]。

如此，則可將固定葉片的傾角設(shè)置為45°，而在特定的情況下太陽(yáng)光是可以進(jìn)行直射的，其中的半球透射比會(huì)跟隨太陽(yáng)高度角的變化而持續(xù)增大。這樣一來(lái)，則可讓遮陽(yáng)裝置中產(chǎn)生的直射光有所減少。而發(fā)生這一狀況的主要是因?yàn)?，太?yáng)高度角是持續(xù)增大的，而當(dāng)葉片材料中所具備的光熱性能不發(fā)生改變的前提下，遮陽(yáng)裝置會(huì)對(duì)太陽(yáng)的直射面積帶來(lái)較小的影響。所以，在葉片傾角的角度相同的狀況下，d/l=0.87的前提下，遮陽(yáng)裝置中的太陽(yáng)光半透射比會(huì)小于d/l=1。由此可見(jiàn)，d/l 值與太陽(yáng)高度角都會(huì)對(duì)葉片遮陽(yáng)裝置的遮陽(yáng)效果帶來(lái)直接的影響。

其次，可以結(jié)合圖2 中的內(nèi)容，掌握葉片傾角是如何進(jìn)行變化的。（具體如圖2 內(nèi)容所示）。

圖2 若d/l=0.87 遮陽(yáng)性能變化圖

根據(jù)圖中內(nèi)容，可以了解到遮陽(yáng)裝置會(huì)跟隨陽(yáng)光的變化而產(chǎn)生變化，使得半球透射比、太陽(yáng)高度角之間的呈現(xiàn)出持續(xù)變化的狀態(tài)。并且，若半球透射比、遮陽(yáng)裝置的太陽(yáng)光直射環(huán)節(jié)，圖中的變化趨勢(shì)曲線會(huì)發(fā)生一定的變化，則葉片內(nèi)的傾角則會(huì)變化，使得其對(duì)遮陽(yáng)性能產(chǎn)生較大的影響。

最后，若基于建筑節(jié)能效果方面進(jìn)行思考，如果太陽(yáng)高度角呈現(xiàn)出持續(xù)變化的狀態(tài)，則可其中的不可按因素?cái)?shù)量則會(huì)增加，使得其中的葉片傾角持續(xù)縮小，讓能夠進(jìn)入室內(nèi)的直射輻射能也有所降低。這也表明，在夏季時(shí)節(jié)，建筑物內(nèi)的節(jié)能效果會(huì)大幅提升。而適當(dāng)?shù)卦黾尤~片傾角，可以增加室內(nèi)的太陽(yáng)能輻射能力，在冬季時(shí)節(jié)，可以保證住戶在日常居住環(huán)節(jié)能夠消耗較少的能耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

3 結(jié)論

綜上所述，結(jié)合葉片材料的特殊性進(jìn)行分析，對(duì)于特定情況下的葉片傾角及材料而言，其會(huì)根據(jù)太陽(yáng)高度角產(chǎn)生的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的改變，如若太陽(yáng)高度角變大，則可以讓遮陽(yáng)裝置對(duì)太陽(yáng)的直射面積有所減小，不斷地對(duì)葉片遮陽(yáng)裝置進(jìn)行調(diào)整，使其半球透射比、太陽(yáng)光直射能夠呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)，讓太陽(yáng)直射光也有所減少，反之，則太陽(yáng)直射光則會(huì)增加。另外，d/l 越小，則可調(diào)節(jié)的半球透射比、太陽(yáng)光直射也會(huì)更小。