基于太陽光的可調節綜合方向的遮陽裝置研究

韋曉婷，格日勒

(中冶京誠工程技術有限公司,北京 100176)

0 引言

建筑節能是實現碳達峰與碳中和目標的關鍵問題。在降低建筑能耗問題上,充分利用并改善現有遮陽產品,可以有效降低建筑冷熱負荷與室內照明負荷,進而達到降低建筑總能耗的目的。目前,我國各地的建筑物一般僅在新建建筑設計階段,結合建筑外立面造型進行簡單設置,且多為單一方向不可調節的固定外遮陽設施。現有常用的外遮陽產品存在以下問題:1)缺乏綜合方向的靈活調節;2)缺乏結合室內冷熱負荷與室內光環境因素控制的智能調節;3)缺乏適用于改造建筑的活動外遮陽產品。

近年來,已有諸多學者對外遮陽百葉進行了不同程度的研究[1-4]。隨著對被動式節能技術的深入研究,動態化、智能化的遮陽形式已成為了遮陽技術未來研究的重點。熊偉通過對水平和垂直遮陽板翻轉角度影響因素的研究,提出動態百葉遮陽板的算法設計思路[5]。姜俞龍等通過模擬建筑在各時刻下11種百葉傾角對應的綜合能耗,取各時刻綜合能耗最小值對應的百葉傾角作為動態百葉開啟角度,提出了基于綜合能耗下的外遮陽百葉控制策略[6]。對于廣州市的東南向或西南向房間的遮陽問題,張墅陽等通過Ecotect軟件模擬和與普通遮陽板比較,提出一種基于太陽高度角變化的動態外遮陽構件[7]。劉國丹等以青島某辦公建筑為例,利用EnergyPlus軟件模擬和光熱耦合綜合能耗的評價模型來確定最合適的百葉外遮陽角度[8]。

本文首先以北京地區辦公建筑為研究案例,對13種水平百葉傾角下的全年建筑能耗進行模擬計算,獲得最佳百葉傾角后,分析最佳百葉傾角下固定遮陽和動態遮陽對建筑能耗的影響。其次,通過分析夏季和冬季時水平百葉和垂直百葉的翻轉角度計算原理,得出影響百葉翻轉角度的關鍵因素,最終提出一種綜合方向可調節的遮陽裝置。

1 固定外遮陽百葉熱模擬

1.1 工程概況

為了探討固定外遮陽對于公共建筑能耗的影響,本文建立一個虛擬辦公建筑模型,對13種百葉傾角(30°～90°)下的全年建筑能耗進行模擬計算。建筑模型是一個簡易的單層辦公房間,如圖1所示。房間尺寸為6 m×4 m×3.5 m,南北向窗戶尺寸為4 m×2 m,東西向窗戶尺寸為2.4 m×2 m;窗臺高0.8 m,窗墻比為0.37。主要外圍護結構傳熱系數如表1所示。主要內擾負荷功率密度如表2所示。

表1 主要外圍護結構傳熱系數

表2 主要內擾負荷功率密度

根據GB 50189—2015公共建筑節能設計標準以及GB 50033—2013建筑采光設計標準的要求設置該房間各參數及時刻表。該建筑模型采用理想空調系統,空調、照明與室內設備開啟時間為工作日的8:00—19:00。夏季室內設計溫度為24 ℃,冬季室內設計溫度為22 ℃,氣象數據選擇北京典型氣象年(CSWD)的氣象參數。以水平百葉傾角為變量,5°為步長,其他參數作為常量考慮。其中,水平百葉傾角是指百葉與水平面的夾角。

1.2 固定遮陽百葉全年綜合能耗分析

圖2為房間在13種百葉傾角(0°～60°)下全年綜合能耗分布規律示意圖。

由圖2可知,水平固定遮陽百葉在不同傾角下會極大地影響房間的全年綜合能耗。35°為該模型的最佳水平固定遮陽百葉傾角。基于最佳傾角,將遮陽控制方式改為基于太陽光的動態控制后,全年綜合能耗由原來的3 651.54 kWh下降至3 054 kWh,節能率為16.36%。由此可見,可根據室外光環境實現動態調節的外遮陽能有效降低建筑能耗,實現建筑節能。

2 動態葉片翻轉角度計算

2.1 水平百葉葉片翻轉角度計算公式

2.1.1 夏季水平百葉葉片模型及計算公式

夏季水平百葉葉片模型如圖3所示[5],圖3中B為葉片寬度;H為葉片間距;β為葉片翻轉角度(0°～90°);b和h分別為葉片翻轉后在水平方向和垂直方向上的投影長度;α為太陽光線垂直陰影角。

葉片翻轉角度β與太陽光線垂直陰影角α之間的關系:當α確定時,葉片翻轉β角度后,太陽光線垂直陰影角小于α時,葉片不能遮擋太陽直射光線;反之,太陽光線垂直陰影角大于α時,葉片可完全遮擋太陽直射光線。

由上述模型中的各參數關系推導出的翻轉角度β的通用計算公式見式(1):

(1)

其中,H為葉片間距,mm;β為葉片寬度,mm;α為太陽光線垂直陰影角,(°)。

由式(1)可以看出,在夏季,葉片寬度、葉片間距和太陽光線垂直陰影角是水平百葉翻轉角度的主要影響因素。當葉片寬度和葉片間距確定后,太陽光線垂直陰影角是水平百葉翻轉角度的唯一決定因素。

2.1.2 冬季水平百葉葉片模型及計算公式

冬季水平百葉葉片模型如圖4所示[5]。

葉片翻轉角度β與太陽光線垂直陰影角α1之間的關系為:葉片翻轉角度β應等于太陽光線垂直陰影角α1,即:β=α1。這是因為在冬季,水平百葉應讓盡可能多的太陽直射光線照進入室內,因此需使水平百葉葉片與太陽直射光線保持平行。

當葉片翻轉角為α1時,入室最大太陽光線垂直陰影角稱為角α2。角α2的大小是冬季時水平百葉翻轉角度是否有利于更多太陽光線進入室內的判斷依據。當葉片寬度不大于葉片間距時,水平葉片翻轉角為α1時,0°～α1角度之間的太陽直射光線都能進入室內,即對最小太陽光線垂直陰影角沒有要求。而當葉片寬度大于葉片間距時,允許照射進室內太陽直射光線的最小太陽光線垂直陰影角受具體百葉尺寸影響,因此本文不對此種情況進行研究。

入室最大太陽光線垂直陰影角α2的通用計算公式見式(2):

(2)

其中,H為葉片間距,mm;β為葉片寬度,mm;α1為太陽光線垂直陰影角,(°)。

由式(2)可以看出,在冬季,葉片寬度、葉片間距和太陽光線垂直陰影角α1是入室最大太陽光線垂直陰影角α2的主要影響因素。當葉片寬度和葉片間距確定后,太陽光線垂直陰影角α1是入室最大太陽光線垂直陰影角α2的唯一決定因素。

2.2 垂直百葉葉片翻轉角度計算公式

2.2.1 夏季垂直百葉葉片模型及計算公式

夏季垂直百葉葉片模型如圖5所示[5],圖5中B為葉片寬度,H為葉片間距,β為葉片翻轉角度,r為太陽光線水平陰影角(即太陽方位角與墻方位角的差值差),A為太陽方位角,Aw為墻方位角。

夏季垂直百葉葉片翻轉角度β是指葉片與墻面法線之間的夾角(0°～180°,順時針)。當r確定時,葉片翻轉β角度后,當太陽光線水平陰影角的絕對值小于|r|時,太陽直射光線無法被葉片遮擋;反之,當太陽光線水平陰影角的絕對值大于|r|時,太陽直射光線可被葉片完全遮擋。夏季,取葉片與墻面法線平行時作為夏季葉片翻轉起始或結束狀態點。如圖5(a)所示,由對稱性得垂直百葉葉片在翻轉角度為0°或180°時能遮擋的太陽直射光線的水平陰影角范圍為(見式(3)):

(3)

得需要翻轉葉片才能遮擋太陽直射光線的水平陰影角范圍為(見式(4)):

(4)

當r<0,即A

sinβ×B-cosβ×tanr×B=H

(5)

同理得,當r>0,即A>Aw時,太陽方位角始終在墻方位角左邊,如圖5(c)所示,得β的計算公式見式(6):

sin(180-β)×B-cos(180-β)×tanr×B=H

(6)

式(5),式(6)都能滿足r=0(即A=Aw)時的情況。

綜上分析得式(7),式(8):

(7)

(8)

其中,H為葉片間距,mm;B為葉片寬度,mm;r為太陽光線水平陰影角,(°)。

由式(8)可以看出,在夏季,葉片寬度、葉片間距和太陽光線水平陰影角是垂直百葉葉片翻轉角度的主要影響因素。當葉片寬度和葉片間距確定后,太陽光線水平陰影角r是垂直百葉翻轉角度β的唯一影響因素。

2.2.2 冬季垂直百葉葉片模型及計算公式

冬季垂直百葉葉片模型如圖6所示[5],圖6中B為葉片寬度,H為葉片間距,β為葉片翻轉角度,r1和r2均為太陽光線水平陰影角(即太陽方位角與墻方位角之差),A為太陽方位角,Aw為墻方位角。冬季垂直百葉葉片翻轉角度β是指葉片與墻面法線之間的夾角(0°～180°,順時針)。在冬季,垂直百葉應盡量讓較多的太陽直射光線照射入室內,因此需使垂直百葉葉片與太陽直射光線保持平行。因此葉片翻轉角度β與太陽光線垂直陰影角r1之間的關系為:

當r≥0,即A≥Aw時,太陽方位角位于墻方位角左邊,如圖6(b)所示,此時:β=r1。

當r<0,即A

當A≥Aw時,入室最大太陽光線水平陰影角稱為角r2;當A≤Aw時,入室最小太陽光線水平陰影角稱為角r2。角α2的大小是冬季時垂直百葉翻轉角度是否有利于更多太陽光線進入室內的判斷依據。

已知當角r1確定時,太陽光線水平陰影角r2的計算公式如下:

當r1≤0,即A≤Aw時,太陽方位角位于墻方位角右邊,如圖6(c)所示,此時,r2為(見式(9)):

(9)

同理得,當r1≥0,即A≥Aw時,太陽方位角位于墻方位角左邊,如圖6(c)所示,此時,r2為(見式(10)):

(10)

其中,H為葉片間距,mm;B為葉片寬度,mm;r1為太陽光線水平陰影角,(°)。

由上式可以看出,太陽光線水平陰影角r2與葉片寬度、葉片間距和太陽光線水平陰影角r1有關,在葉片寬度和葉片間距確定后,太陽光線水平陰影角r2僅與角r1有關。

3 綜合方向可調節的遮陽裝置

當葉片寬度和葉片間距確定后,基于前述水平百葉和垂直百葉在冬夏季葉片翻轉角度的計算分析,總結出:調節水平百葉翻轉的關鍵因素是太陽光線垂直陰影角,而太陽光線垂直陰影角與太陽高度角、太陽方位角和墻方位角相關。調節垂直百葉翻轉的關鍵因素是太陽光線水平陰影角,太陽光線水平陰影角與太陽方位角和墻方位角相關。因此,本文提出一種綜合方向可調節的遮陽裝置方案,如圖7所示。該裝置包括遮陽框架、遮陽葉片、第一調節機構、第二調節機構、光感傳感器、轉軸和電磁控制機構。遮陽框架上端通過轉軸鉸接于外窗上邊緣,遮陽框架所在平面大小可以完全覆蓋外窗,若干遮陽葉片均勻布置在遮陽框架上。遮陽裝置上固定設置雙調節機構,第一調節機構設置于遮陽裝置整體兩側,負責帶動遮陽框架以轉軸為轉軸,整體水平轉動,達到調節外窗水平遮陽的目的。第二調節機構布置于遮陽框架上每個遮陽葉片的上下側,負責帶動遮陽葉片左右翻轉,達到調節外窗垂直遮陽的目的。第一調節機構包括阻尼滑軌、磁鐵滑塊、電磁鐵和連接桿,如圖8所示。其中,阻尼滑軌固定設置于外窗兩側邊緣上,滑軌底部固定設置一塊電磁鐵,滑軌中設置一塊磁鐵滑塊,連接桿分別與磁鐵滑塊和遮陽框架外邊框鉸接。一個所述遮陽裝置包括兩個第一調節機構,分設于外窗左右兩側。

第二遮陽機構包括阻尼滑軌、電磁鐵、電磁鐵、磁鐵滑塊、連接桿和遮陽葉片,如圖9所示。其中阻尼滑軌布置于遮陽框架上,位于每個遮陽葉片的上下側。滑軌兩端固定設置兩塊電磁鐵,中間設置一個磁鐵滑塊。連接桿分別與磁鐵滑塊和遮陽葉片鉸接。

遮陽裝置上設置了若干個光照傳感器和一個電磁控制機構。光照傳感器均布,用于檢測外窗逐時太陽光照輻射強度、太陽方位角、太陽高度角等光照信息,并將實時檢測信號傳輸到電磁控制機構中。電磁控制機構為整個遮陽裝置的控制核心部件,內置智能優化算法,可根據室外太陽輻射情況,綜合考慮通過外窗進入室內的光量對室內冷熱負荷和室內照度的影響,經過優化計算得出該時刻最佳透光量,進而計算出遮陽框架翻轉角度與遮陽葉片左右傾斜角度。電磁控制機構通過改變第一調節機構中的電磁鐵的電流大小,改變電磁鐵和磁鐵滑塊之間的磁力大小,通過連接桿的帶動,最終可改變遮陽框架翻轉的角度。

電磁控制機構通過改變第二調節機構中的左右電磁鐵的電流大小和磁極方向,改變電磁鐵和磁鐵滑塊之間的磁力大小,通過連接桿的帶動,最終可改變遮陽葉片左右翻轉的角度。

4 結語

本文首先以北京地區辦公建筑為研究案例,模擬0°～60°范圍內13種水平百葉傾角下的建筑能耗,獲得最佳百葉傾角是35°,此時最佳固定遮陽傾角下的建筑能耗為3 651.54 kWh。將遮陽控制方式改為基于太陽光的動態控制后,全年建筑能耗下降至3 054 kWh,節能率為16.36%。

其次,通過分析夏季和冬季時水平百葉和垂直百葉的翻轉角度計算原理,得出當葉片寬度和葉片間距確定后,調節水平百葉翻轉的關鍵因素是太陽光線垂直陰影角,而太陽光線垂直陰影角與太陽高度角、太陽方位角和墻方位角相關。調節垂直百葉翻轉的關鍵因素是太陽光線水平陰影角,太陽光線水平陰影角與太陽方位角和墻方位角相關。

最后,本文基于前述分析提出了一種綜合方向可調節的遮陽裝置。該裝置核心調節部件為第一調節機構、第二調節機構、光照傳感器和電磁控制機構。以水平百葉和垂直百葉的翻轉計算原理為核心,在電磁控制機構內置智能優化算法,可根據光照傳感器檢測的室外太陽輻射情況,綜合考慮通過外窗進入室內的光量對室內冷熱負荷和室內照度的影響,經過優化計算得出該時刻最佳透光量,進而計算出遮陽框架翻轉角度與遮陽葉片左右傾斜角度。該遮陽裝置既適用于新建建筑,可納入建筑智能化家居控制系統中,也適用于既有建筑外立面遮陽改造。

通過本文研究,可總結出相較于傳統的固定外遮陽,基于太陽光照的可調節綜合方向的動態遮陽裝置能有效降低建筑能耗,促進建筑節能與可持續發展。