夏季建筑能耗中南外窗倾斜度影响的数值模拟

刘剑刚 李攀 刁永发 宋菲嫣

夏季建筑能耗中南外窗倾斜度影响的数值模拟

刘剑刚1李攀2刁永发2宋菲嫣2

1沈阳天一冷热源技术有限公司
2东华大学环境科学与工程学院

根据我国的地理位置和建筑朝向特点，一般建筑通常是南向窗户占墙的比例最大。由于现代建筑追求美观和欣赏功能，玻璃窗占墙的面积也是越来越大，所以建筑南向窗户的节能变得不容忽视，既要考虑夏季遮阳，也要考虑冬季保温。本文就通过Ecotect软件模拟，分析南向外窗的倾斜角度对夏季建筑能耗的影响。

建筑能耗数值模拟外窗角度

0 引言

在夏季的建筑能耗中，通过窗户，尤其是南向的窗户，消耗的冷负荷占据了很大的一部分。一般情况下通过安装百叶外遮阳系统来解决问题。当希望夏季起到很好的遮阳效果，冬季不需要遮阳的情况下，遮阳的存在却或多或少阻挡了一部分阳光[1]。可以通过改变外窗的安装位置，省去安装外遮阳这道工序。根据太阳在天空中的位置，在夏季时太阳高度角较大，所以将外窗向外侧倾斜一定角度。本文通过建立模型用Ecoteet软件进行模拟，分析倾斜的南向外窗对夏季建筑能耗的影响。

1 模型的建立

公共办公建筑模型其它参数保持不变，南向外窗尺寸也保持不变，只将南向外窗分别向外倾斜10°、20°、30°（图1～3），窗户与建筑南向外墙连接处仍是墙体[2]。

图1 南窗倾斜10°时建筑模型示意图

图2 南窗倾斜20°时建筑模型示意图

图3 南窗倾斜30°时建筑模型示意图

2 模拟结果及分析

2.1外窗遮阳情况

表1为7月20日南向外窗遮阳情况的模拟结果，表2为整个夏季南向外窗遮阳情况的模拟结果。

表1 7月20日南向外窗遮阳百分比

表2 夏季南向外窗遮阳百分比

1）单日的情况，除了外窗倾斜10°的位置时，不能保证全天都没有太阳光直射辐射进入室内，在12:00左右有部分太阳直射辐射进入室内，13:00全部进入室内；倾斜20°和30°的位置时，太阳直射辐射得热没有通过外窗进入室内，这两个位置的外窗可省去了设置遮阳设施的麻烦。

2）夏季，倾斜30°和倾斜20°却发挥了很好的遮阳效果，从全年的遮阳模拟结果看，较热的月份（6～8月）期间，外窗都没有太阳光直射辐射，而倾斜10°位置时，6月份没有太阳直射辐射，7月份有少部分太阳直射辐射，8月份有大量的太阳直射辐射，那么对于此位置的外窗便需要加设合理的遮阳设施，以免通过外窗进入室内大量的太阳直射辐射得热[3]。

2.2外窗与太阳辐射能的关系

7月20日照射到南向外窗、南向外窗吸收、透过南向外窗进入室内的太阳辐射能模拟结果分别如图4～6，表3为7月份南外窗接收到总太阳直射辐射能。

图4 7月20日照射到南外窗上的太阳直射辐射（W）

图5 7月20日南外窗吸收的太阳直射辐射能（W）

图6 7月20日透过南外窗的太阳直射辐射能（W）

表3 7月份南外窗接收到的总的太阳直射辐射能（W）

从单日外窗与太阳辐射能的关系看，正如遮阳百分比所显示的结果，只有当南向外窗倾斜10°时有太阳直射辐射，倾斜20°与30°时外窗没有受到太阳直射辐射；倾斜10°位置时，在7月20日这天12:00左右有部分太阳直射辐射，在13:00左右没有任何阻挡的接收太阳直射辐射，但是虽有太阳光直接照射到南向外窗上，这部分热量却没有进入室内，形成室内冷负荷。

2.3建筑结构得热

7月20日和7月份的建筑太阳直射辐射得热如图7、8所示；7月20日和7月份平均建筑结构总得热量的如图9、10所示。

建筑的太阳直射辐射得热和建筑结构得热量都是先增大后减小的变化趋势，太阳直射辐射得热峰值发生在11:00～12:00之间，结构得热在14:00左右达到峰值。由于外窗倾斜30°建筑总的墙体结构最大，建筑总得热最多，其次是外窗倾斜20°，与倾斜10°时建筑总得热相差较小。

图7 7月20日建筑太阳直射辐射得热

图8 7月份平均建筑太阳直射辐射得热

图8 7月20日建筑结构总得热量

图9 7月份平均建筑结构得热量

2.4建筑室温

7月20日室温变化模拟结果如下：

图10 7月20日建筑室温

对于三种不同位置的外窗来说，室温在这天也是先升高后降低的变化趋势，14:00左右达到峰值，但三种不同位置比较并无明显差异。

3 结论

1）南向外窗的太阳辐射得热：从6月到8月期间，倾斜20°与30°时没有受到太阳直射辐射，南向外窗倾斜10°时在7月份有少量的太阳直射辐射，8月份则有大量的太阳直射辐射通过外窗。

2）建筑得热与室温：夏季的建筑总得热和室温都是先升高后降低的变化趋势；由于外窗倾斜30°时有较大的建筑墙体面积，总得热较大一些，倾斜20°和10°相差很小；对室温的影响差别几乎没有。

相较之下，冬季来说，建筑太阳辐射得热和室温都是先升高后降低的变化趋势，热损失是先降低后升高的变化趋势；外窗倾斜10°时，建筑总的太阳直射辐射得热最多，热损失最少，所以室温最高；倾斜30°时，建筑总的太阳直射辐射得热最少，热损失最大，室温最低；倾斜20°居中，但是由于冬季太阳的高度较低，各角度之间相差很小。

综合各方面因素考虑，南窗户向外侧倾斜20°时是比较理想的位置。

[1]彦启森.建筑热过程[M].北京:中国建筑工业出版社,1986

[2]朱颖心.模拟技术辅助绿色节能建筑设计[M].北京:清华大学, 2006

[3]云朋.ECOTECT建筑环境设计教程[M].北京:中国建筑工业出版社,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

刘剑刚（1956～），男，工程师；沈阳市皇姑区宁山中路5号6088室（110031）；E-mail:foxchang@163.com