夏季建筑能耗中南外窗傾斜度影響的數值模擬

劉劍剛 李攀 刁永發 宋菲嫣

夏季建筑能耗中南外窗傾斜度影響的數值模擬

劉劍剛1李攀2刁永發2宋菲嫣2

1沈陽天一冷熱源技術有限公司
2東華大學環境科學與工程學院

根據我國的地理位置和建筑朝向特點，一般建筑通常是南向窗戶占墻的比例最大。由于現代建筑追求美觀和欣賞功能，玻璃窗占墻的面積也是越來越大，所以建筑南向窗戶的節能變得不容忽視，既要考慮夏季遮陽，也要考慮冬季保溫。本文就通過Ecotect軟件模擬，分析南向外窗的傾斜角度對夏季建筑能耗的影響。

建筑能耗數值模擬外窗角度

0 引言

在夏季的建筑能耗中，通過窗戶，尤其是南向的窗戶，消耗的冷負荷占據了很大的一部分。一般情況下通過安裝百葉外遮陽系統來解決問題。當希望夏季起到很好的遮陽效果，冬季不需要遮陽的情況下，遮陽的存在卻或多或少阻擋了一部分陽光[1]。可以通過改變外窗的安裝位置，省去安裝外遮陽這道工序。根據太陽在天空中的位置，在夏季時太陽高度角較大，所以將外窗向外側傾斜一定角度。本文通過建立模型用Ecoteet軟件進行模擬，分析傾斜的南向外窗對夏季建筑能耗的影響。

1 模型的建立

公共辦公建筑模型其它參數保持不變，南向外窗尺寸也保持不變，只將南向外窗分別向外傾斜10°、20°、30°（圖1～3），窗戶與建筑南向外墻連接處仍是墻體[2]。

圖1 南窗傾斜10°時建筑模型示意圖

圖2 南窗傾斜20°時建筑模型示意圖

圖3 南窗傾斜30°時建筑模型示意圖

2 模擬結果及分析

2.1外窗遮陽情況

表1為7月20日南向外窗遮陽情況的模擬結果，表2為整個夏季南向外窗遮陽情況的模擬結果。

表1 7月20日南向外窗遮陽百分比

表2 夏季南向外窗遮陽百分比

1）單日的情況，除了外窗傾斜10°的位置時，不能保證全天都沒有太陽光直射輻射進入室內，在12:00左右有部分太陽直射輻射進入室內，13:00全部進入室內；傾斜20°和30°的位置時，太陽直射輻射得熱沒有通過外窗進入室內，這兩個位置的外窗可省去了設置遮陽設施的麻煩。

2）夏季，傾斜30°和傾斜20°卻發揮了很好的遮陽效果，從全年的遮陽模擬結果看，較熱的月份（6～8月）期間，外窗都沒有太陽光直射輻射，而傾斜10°位置時，6月份沒有太陽直射輻射，7月份有少部分太陽直射輻射，8月份有大量的太陽直射輻射，那么對于此位置的外窗便需要加設合理的遮陽設施，以免通過外窗進入室內大量的太陽直射輻射得熱[3]。

2.2外窗與太陽輻射能的關系

7月20日照射到南向外窗、南向外窗吸收、透過南向外窗進入室內的太陽輻射能模擬結果分別如圖4～6，表3為7月份南外窗接收到總太陽直射輻射能。

圖4 7月20日照射到南外窗上的太陽直射輻射（W）

圖5 7月20日南外窗吸收的太陽直射輻射能（W）

圖6 7月20日透過南外窗的太陽直射輻射能（W）

表3 7月份南外窗接收到的總的太陽直射輻射能（W）

從單日外窗與太陽輻射能的關系看，正如遮陽百分比所顯示的結果，只有當南向外窗傾斜10°時有太陽直射輻射，傾斜20°與30°時外窗沒有受到太陽直射輻射；傾斜10°位置時，在7月20日這天12:00左右有部分太陽直射輻射，在13:00左右沒有任何阻擋的接收太陽直射輻射，但是雖有太陽光直接照射到南向外窗上，這部分熱量卻沒有進入室內，形成室內冷負荷。

2.3建筑結構得熱

7月20日和7月份的建筑太陽直射輻射得熱如圖7、8所示；7月20日和7月份平均建筑結構總得熱量的如圖9、10所示。

建筑的太陽直射輻射得熱和建筑結構得熱量都是先增大后減小的變化趨勢，太陽直射輻射得熱峰值發生在11:00～12:00之間，結構得熱在14:00左右達到峰值。由于外窗傾斜30°建筑總的墻體結構最大，建筑總得熱最多，其次是外窗傾斜20°，與傾斜10°時建筑總得熱相差較小。

圖7 7月20日建筑太陽直射輻射得熱

圖8 7月份平均建筑太陽直射輻射得熱

圖8 7月20日建筑結構總得熱量

圖9 7月份平均建筑結構得熱量

2.4建筑室溫

7月20日室溫變化模擬結果如下：

圖10 7月20日建筑室溫

對于三種不同位置的外窗來說，室溫在這天也是先升高后降低的變化趨勢，14:00左右達到峰值，但三種不同位置比較并無明顯差異。

3 結論

1）南向外窗的太陽輻射得熱：從6月到8月期間，傾斜20°與30°時沒有受到太陽直射輻射，南向外窗傾斜10°時在7月份有少量的太陽直射輻射，8月份則有大量的太陽直射輻射通過外窗。

2）建筑得熱與室溫：夏季的建筑總得熱和室溫都是先升高后降低的變化趨勢；由于外窗傾斜30°時有較大的建筑墻體面積，總得熱較大一些，傾斜20°和10°相差很小；對室溫的影響差別幾乎沒有。

相較之下，冬季來說，建筑太陽輻射得熱和室溫都是先升高后降低的變化趨勢，熱損失是先降低后升高的變化趨勢；外窗傾斜10°時，建筑總的太陽直射輻射得熱最多，熱損失最少，所以室溫最高；傾斜30°時，建筑總的太陽直射輻射得熱最少，熱損失最大，室溫最低；傾斜20°居中，但是由于冬季太陽的高度較低，各角度之間相差很小。

綜合各方面因素考慮，南窗戶向外側傾斜20°時是比較理想的位置。

[1]彥啟森.建筑熱過程[M].北京:中國建筑工業出版社,1986

[2]朱穎心.模擬技術輔助綠色節能建筑設計[M].北京:清華大學, 2006

[3]云朋.ECOTECT建筑環境設計教程[M].北京:中國建筑工業出版社,2007

Num e ric a l Sim ula tion of the Angle of Southe rn Window s’Influe nc e on Sum m e r Building Ene rgy Cons um ption

LIU Jian-gang1,LI Pan2,DIAO Yong-fa2,SONG Fei-yan2
1 Shenyang Tianyi Cold and Heat Source Technique Co.Ltd.
2 School of Environmental Science and Engineering,Donghua University

According to geographical location and building orientation in our country,it is a bigger percentage of south windows in a common building.Due to the modern architecture pursuit of aesthetics and appreciation functions,Glass Windows’area of the wall is also increasing.So energy saving of south window in building should not be ignored,we both want to consider the summer sunshade and the winter heat preservation.This article analyzed the southern windows’angle influence on summer building energy consumption by Ecotect software.

building energy consumption,numerical simulation,window angle

1003-0344（2014）06-066-3

2013-8-12

劉劍剛（1956～），男，工程師；沈陽市皇姑區寧山中路5號6088室（110031）；E-mail:foxchang@163.com