基于太阳光的可调节综合方向的遮阳装置研究

韦晓婷，格日勒

(中冶京诚工程技术有限公司,北京 100176)

0 引言

建筑节能是实现碳达峰与碳中和目标的关键问题。在降低建筑能耗问题上,充分利用并改善现有遮阳产品,可以有效降低建筑冷热负荷与室内照明负荷,进而达到降低建筑总能耗的目的。目前,我国各地的建筑物一般仅在新建建筑设计阶段,结合建筑外立面造型进行简单设置,且多为单一方向不可调节的固定外遮阳设施。现有常用的外遮阳产品存在以下问题:1)缺乏综合方向的灵活调节;2)缺乏结合室内冷热负荷与室内光环境因素控制的智能调节;3)缺乏适用于改造建筑的活动外遮阳产品。

近年来,已有诸多学者对外遮阳百叶进行了不同程度的研究[1-4]。随着对被动式节能技术的深入研究,动态化、智能化的遮阳形式已成为了遮阳技术未来研究的重点。熊伟通过对水平和垂直遮阳板翻转角度影响因素的研究,提出动态百叶遮阳板的算法设计思路[5]。姜俞龙等通过模拟建筑在各时刻下11种百叶倾角对应的综合能耗,取各时刻综合能耗最小值对应的百叶倾角作为动态百叶开启角度,提出了基于综合能耗下的外遮阳百叶控制策略[6]。对于广州市的东南向或西南向房间的遮阳问题,张墅阳等通过Ecotect软件模拟和与普通遮阳板比较,提出一种基于太阳高度角变化的动态外遮阳构件[7]。刘国丹等以青岛某办公建筑为例,利用EnergyPlus软件模拟和光热耦合综合能耗的评价模型来确定最合适的百叶外遮阳角度[8]。

本文首先以北京地区办公建筑为研究案例,对13种水平百叶倾角下的全年建筑能耗进行模拟计算,获得最佳百叶倾角后,分析最佳百叶倾角下固定遮阳和动态遮阳对建筑能耗的影响。其次,通过分析夏季和冬季时水平百叶和垂直百叶的翻转角度计算原理,得出影响百叶翻转角度的关键因素,最终提出一种综合方向可调节的遮阳装置。

1 固定外遮阳百叶热模拟

1.1 工程概况

为了探讨固定外遮阳对于公共建筑能耗的影响,本文建立一个虚拟办公建筑模型,对13种百叶倾角(30°～90°)下的全年建筑能耗进行模拟计算。建筑模型是一个简易的单层办公房间,如图1所示。房间尺寸为6 m×4 m×3.5 m,南北向窗户尺寸为4 m×2 m,东西向窗户尺寸为2.4 m×2 m;窗台高0.8 m,窗墙比为0.37。主要外围护结构传热系数如表1所示。主要内扰负荷功率密度如表2所示。

表1 主要外围护结构传热系数

表2 主要内扰负荷功率密度

根据GB 50189—2015公共建筑节能设计标准以及GB 50033—2013建筑采光设计标准的要求设置该房间各参数及时刻表。该建筑模型采用理想空调系统,空调、照明与室内设备开启时间为工作日的8:00—19:00。夏季室内设计温度为24 ℃,冬季室内设计温度为22 ℃,气象数据选择北京典型气象年(CSWD)的气象参数。以水平百叶倾角为变量,5°为步长,其他参数作为常量考虑。其中,水平百叶倾角是指百叶与水平面的夹角。

1.2 固定遮阳百叶全年综合能耗分析

图2为房间在13种百叶倾角(0°～60°)下全年综合能耗分布规律示意图。

由图2可知,水平固定遮阳百叶在不同倾角下会极大地影响房间的全年综合能耗。35°为该模型的最佳水平固定遮阳百叶倾角。基于最佳倾角,将遮阳控制方式改为基于太阳光的动态控制后,全年综合能耗由原来的3 651.54 kWh下降至3 054 kWh,节能率为16.36%。由此可见,可根据室外光环境实现动态调节的外遮阳能有效降低建筑能耗,实现建筑节能。

2 动态叶片翻转角度计算

2.1 水平百叶叶片翻转角度计算公式

2.1.1 夏季水平百叶叶片模型及计算公式

夏季水平百叶叶片模型如图3所示[5],图3中B为叶片宽度;H为叶片间距;β为叶片翻转角度(0°～90°);b和h分别为叶片翻转后在水平方向和垂直方向上的投影长度;α为太阳光线垂直阴影角。

叶片翻转角度β与太阳光线垂直阴影角α之间的关系:当α确定时,叶片翻转β角度后,太阳光线垂直阴影角小于α时,叶片不能遮挡太阳直射光线;反之,太阳光线垂直阴影角大于α时,叶片可完全遮挡太阳直射光线。

由上述模型中的各参数关系推导出的翻转角度β的通用计算公式见式(1):

(1)

其中,H为叶片间距,mm;β为叶片宽度,mm;α为太阳光线垂直阴影角,(°)。

由式(1)可以看出,在夏季,叶片宽度、叶片间距和太阳光线垂直阴影角是水平百叶翻转角度的主要影响因素。当叶片宽度和叶片间距确定后,太阳光线垂直阴影角是水平百叶翻转角度的唯一决定因素。

2.1.2 冬季水平百叶叶片模型及计算公式

冬季水平百叶叶片模型如图4所示[5]。

叶片翻转角度β与太阳光线垂直阴影角α1之间的关系为:叶片翻转角度β应等于太阳光线垂直阴影角α1,即:β=α1。这是因为在冬季,水平百叶应让尽可能多的太阳直射光线照进入室内,因此需使水平百叶叶片与太阳直射光线保持平行。

当叶片翻转角为α1时,入室最大太阳光线垂直阴影角称为角α2。角α2的大小是冬季时水平百叶翻转角度是否有利于更多太阳光线进入室内的判断依据。当叶片宽度不大于叶片间距时,水平叶片翻转角为α1时,0°～α1角度之间的太阳直射光线都能进入室内,即对最小太阳光线垂直阴影角没有要求。而当叶片宽度大于叶片间距时,允许照射进室内太阳直射光线的最小太阳光线垂直阴影角受具体百叶尺寸影响,因此本文不对此种情况进行研究。

入室最大太阳光线垂直阴影角α2的通用计算公式见式(2):

(2)

其中,H为叶片间距,mm;β为叶片宽度,mm;α1为太阳光线垂直阴影角,(°)。

由式(2)可以看出,在冬季,叶片宽度、叶片间距和太阳光线垂直阴影角α1是入室最大太阳光线垂直阴影角α2的主要影响因素。当叶片宽度和叶片间距确定后,太阳光线垂直阴影角α1是入室最大太阳光线垂直阴影角α2的唯一决定因素。

2.2 垂直百叶叶片翻转角度计算公式

2.2.1 夏季垂直百叶叶片模型及计算公式

夏季垂直百叶叶片模型如图5所示[5],图5中B为叶片宽度,H为叶片间距,β为叶片翻转角度,r为太阳光线水平阴影角(即太阳方位角与墙方位角的差值差),A为太阳方位角,Aw为墙方位角。

夏季垂直百叶叶片翻转角度β是指叶片与墙面法线之间的夹角(0°～180°,顺时针)。当r确定时,叶片翻转β角度后,当太阳光线水平阴影角的绝对值小于|r|时,太阳直射光线无法被叶片遮挡;反之,当太阳光线水平阴影角的绝对值大于|r|时,太阳直射光线可被叶片完全遮挡。夏季,取叶片与墙面法线平行时作为夏季叶片翻转起始或结束状态点。如图5(a)所示,由对称性得垂直百叶叶片在翻转角度为0°或180°时能遮挡的太阳直射光线的水平阴影角范围为(见式(3)):

(3)

得需要翻转叶片才能遮挡太阳直射光线的水平阴影角范围为(见式(4)):

(4)

当r<0,即A

sinβ×B-cosβ×tanr×B=H

(5)

同理得,当r>0,即A>Aw时,太阳方位角始终在墙方位角左边,如图5(c)所示,得β的计算公式见式(6):

sin(180-β)×B-cos(180-β)×tanr×B=H

(6)

式(5),式(6)都能满足r=0(即A=Aw)时的情况。

综上分析得式(7),式(8):

(7)

(8)

其中,H为叶片间距,mm;B为叶片宽度,mm;r为太阳光线水平阴影角,(°)。

由式(8)可以看出,在夏季,叶片宽度、叶片间距和太阳光线水平阴影角是垂直百叶叶片翻转角度的主要影响因素。当叶片宽度和叶片间距确定后,太阳光线水平阴影角r是垂直百叶翻转角度β的唯一影响因素。

2.2.2 冬季垂直百叶叶片模型及计算公式

冬季垂直百叶叶片模型如图6所示[5],图6中B为叶片宽度,H为叶片间距,β为叶片翻转角度,r1和r2均为太阳光线水平阴影角(即太阳方位角与墙方位角之差),A为太阳方位角,Aw为墙方位角。冬季垂直百叶叶片翻转角度β是指叶片与墙面法线之间的夹角(0°～180°,顺时针)。在冬季,垂直百叶应尽量让较多的太阳直射光线照射入室内,因此需使垂直百叶叶片与太阳直射光线保持平行。因此叶片翻转角度β与太阳光线垂直阴影角r1之间的关系为:

当r≥0,即A≥Aw时,太阳方位角位于墙方位角左边,如图6(b)所示,此时:β=r1。

当r<0,即A

当A≥Aw时,入室最大太阳光线水平阴影角称为角r2;当A≤Aw时,入室最小太阳光线水平阴影角称为角r2。角α2的大小是冬季时垂直百叶翻转角度是否有利于更多太阳光线进入室内的判断依据。

已知当角r1确定时,太阳光线水平阴影角r2的计算公式如下:

当r1≤0,即A≤Aw时,太阳方位角位于墙方位角右边,如图6(c)所示,此时,r2为(见式(9)):

(9)

同理得,当r1≥0,即A≥Aw时,太阳方位角位于墙方位角左边,如图6(c)所示,此时,r2为(见式(10)):

(10)

其中,H为叶片间距,mm;B为叶片宽度,mm;r1为太阳光线水平阴影角,(°)。

由上式可以看出,太阳光线水平阴影角r2与叶片宽度、叶片间距和太阳光线水平阴影角r1有关,在叶片宽度和叶片间距确定后,太阳光线水平阴影角r2仅与角r1有关。

3 综合方向可调节的遮阳装置

当叶片宽度和叶片间距确定后,基于前述水平百叶和垂直百叶在冬夏季叶片翻转角度的计算分析,总结出:调节水平百叶翻转的关键因素是太阳光线垂直阴影角,而太阳光线垂直阴影角与太阳高度角、太阳方位角和墙方位角相关。调节垂直百叶翻转的关键因素是太阳光线水平阴影角,太阳光线水平阴影角与太阳方位角和墙方位角相关。因此,本文提出一种综合方向可调节的遮阳装置方案,如图7所示。该装置包括遮阳框架、遮阳叶片、第一调节机构、第二调节机构、光感传感器、转轴和电磁控制机构。遮阳框架上端通过转轴铰接于外窗上边缘,遮阳框架所在平面大小可以完全覆盖外窗,若干遮阳叶片均匀布置在遮阳框架上。遮阳装置上固定设置双调节机构,第一调节机构设置于遮阳装置整体两侧,负责带动遮阳框架以转轴为转轴,整体水平转动,达到调节外窗水平遮阳的目的。第二调节机构布置于遮阳框架上每个遮阳叶片的上下侧,负责带动遮阳叶片左右翻转,达到调节外窗垂直遮阳的目的。第一调节机构包括阻尼滑轨、磁铁滑块、电磁铁和连接杆,如图8所示。其中,阻尼滑轨固定设置于外窗两侧边缘上,滑轨底部固定设置一块电磁铁,滑轨中设置一块磁铁滑块,连接杆分别与磁铁滑块和遮阳框架外边框铰接。一个所述遮阳装置包括两个第一调节机构,分设于外窗左右两侧。

第二遮阳机构包括阻尼滑轨、电磁铁、电磁铁、磁铁滑块、连接杆和遮阳叶片,如图9所示。其中阻尼滑轨布置于遮阳框架上,位于每个遮阳叶片的上下侧。滑轨两端固定设置两块电磁铁,中间设置一个磁铁滑块。连接杆分别与磁铁滑块和遮阳叶片铰接。

遮阳装置上设置了若干个光照传感器和一个电磁控制机构。光照传感器均布,用于检测外窗逐时太阳光照辐射强度、太阳方位角、太阳高度角等光照信息,并将实时检测信号传输到电磁控制机构中。电磁控制机构为整个遮阳装置的控制核心部件,内置智能优化算法,可根据室外太阳辐射情况,综合考虑通过外窗进入室内的光量对室内冷热负荷和室内照度的影响,经过优化计算得出该时刻最佳透光量,进而计算出遮阳框架翻转角度与遮阳叶片左右倾斜角度。电磁控制机构通过改变第一调节机构中的电磁铁的电流大小,改变电磁铁和磁铁滑块之间的磁力大小,通过连接杆的带动,最终可改变遮阳框架翻转的角度。

电磁控制机构通过改变第二调节机构中的左右电磁铁的电流大小和磁极方向,改变电磁铁和磁铁滑块之间的磁力大小,通过连接杆的带动,最终可改变遮阳叶片左右翻转的角度。

4 结语

本文首先以北京地区办公建筑为研究案例,模拟0°～60°范围内13种水平百叶倾角下的建筑能耗,获得最佳百叶倾角是35°,此时最佳固定遮阳倾角下的建筑能耗为3 651.54 kWh。将遮阳控制方式改为基于太阳光的动态控制后,全年建筑能耗下降至3 054 kWh,节能率为16.36%。

其次,通过分析夏季和冬季时水平百叶和垂直百叶的翻转角度计算原理,得出当叶片宽度和叶片间距确定后,调节水平百叶翻转的关键因素是太阳光线垂直阴影角,而太阳光线垂直阴影角与太阳高度角、太阳方位角和墙方位角相关。调节垂直百叶翻转的关键因素是太阳光线水平阴影角,太阳光线水平阴影角与太阳方位角和墙方位角相关。

最后,本文基于前述分析提出了一种综合方向可调节的遮阳装置。该装置核心调节部件为第一调节机构、第二调节机构、光照传感器和电磁控制机构。以水平百叶和垂直百叶的翻转计算原理为核心,在电磁控制机构内置智能优化算法,可根据光照传感器检测的室外太阳辐射情况,综合考虑通过外窗进入室内的光量对室内冷热负荷和室内照度的影响,经过优化计算得出该时刻最佳透光量,进而计算出遮阳框架翻转角度与遮阳叶片左右倾斜角度。该遮阳装置既适用于新建建筑,可纳入建筑智能化家居控制系统中,也适用于既有建筑外立面遮阳改造。

通过本文研究,可总结出相较于传统的固定外遮阳,基于太阳光照的可调节综合方向的动态遮阳装置能有效降低建筑能耗,促进建筑节能与可持续发展。