1 前言

太陽對于建筑的影響體現(xiàn)在建筑熱環(huán)境、采光、空調(diào)采暖能耗以及建筑周圍局部微氣候等方面。在建筑的供暖、空調(diào)系統(tǒng)設計中，太陽輻射對供暖、空調(diào)負荷有重要的影響。因此，合理的遮陽就成為暖通空調(diào)領域節(jié)能的一個有效途徑[1]。

遮陽措施概括起來可分為三類：利用綠化的遮陽、結(jié)合建筑構件處理的遮陽、專門設置的遮陽。專門設置的遮陽又包括：水平外遮陽、垂直外遮陽、百葉內(nèi)遮陽、內(nèi)遮陽加鍍膜、活動百葉外遮陽等。遮陽板屬于水平外遮陽。本文以天津地區(qū)典型氣象年氣象資料為依據(jù)，對天津地區(qū)住宅建筑南向墻遮陽板的構造進行建模分析，對遮陽板在不同構型尺寸條件下所能遮擋的能耗值進行編程計算。在遮陽板寬度w、遮陽板到窗戶上沿距離d取不同值的條件下，通過遮陽板在夏季遮蔽的能量與冬季遮蔽的能量的差值Es-Ew來評價遮陽板構型尺寸的好壞。同時給出在不同d、w情況下，對應Es-Ew的曲線，以供設計時參考。

2 氣象數(shù)據(jù)分析

氣象參數(shù)是影響建筑室內(nèi)熱環(huán)境和供暖空調(diào)能耗的一個主要因素。本文的氣象資料取自中國建筑科學研究院與美國勞倫斯.伯克利國家實驗室進行技術合作共同開發(fā)的26個中國城市的典型氣象年（TMY）逐時氣象資料。典型氣象年由12個典型氣象月組成，它們的選擇原則所選月份應是其氣象參數(shù)與16年（1982-1997）平均值最為接近的月份。月與月之間的一些氣象參數(shù)應該變化平滑沒有突變。

為了對遮陽板進行能耗計算時方便，在已獲得的氣象資料數(shù)據(jù)的基礎上用MATLAB軟件對其每天的數(shù)據(jù)進行擬合，并用擬合取得的表達式的系數(shù)構成一個數(shù)據(jù)文件，從而為遮陽板的能耗分析提供數(shù)據(jù)。

3 南向墻遮陽板構型設計

窗戶遮陽設計有避免日照和爭取日照兩個方面的要求。當夏季室外氣溫較高時，為防止陽光射入室內(nèi)，應使窗口處于遮陽構件的陰影之中；在冬季室外氣溫較低時，應爭取陽光照射到室內(nèi)，以提高室內(nèi)溫度。因此適當選擇遮陽構件和遮陽尺寸，是遮陽設計的主要任務之一。太陽照射在南墻面時，高度角較高，故在南向及接近南向的窗口上，宜設置水平式遮陽板。這種遮陽能形成很大的遮陽區(qū)，在降低南墻表面溫度和防止陽光直射窗口方面能達到很好的遮陽效果。下面主要對南向墻水平遮陽板進行建模分析。

3.1 數(shù)學模型的建立

南向墻遮陽板的數(shù)學模型如圖1

圖1 南向墻遮陽板的數(shù)學模型

窗口上遮陽板的寬度w與遮陽板距窗戶上沿的距離d之間關系

在圖1中，遮陽板寬度 W=ac=bd

遮陽板到窗戶下沿的距離 H=d+hw

H=aa′ bc=ac×secγ cc′=b′c′tgh

bc=b′c′

則 cc′=ac×secγ×tgh

H=W×secγ×tgh=W/(cosγ×ctgh) (3-1)

式中： hw——窗戶高度（本文主要針對住宅建筑，取1.5m）

γ——太陽方位與墻面法線的夾角

h——太陽高度角

由于現(xiàn)在的住宅建筑較以往更重視采光，窗戶面積即窗墻比明顯增大。在這種情況下水平遮陽板可連成一條。在單個窗戶的遮陽板設計計算時，如圖1所示只能實現(xiàn)半窗遮陽。如需要滿窗遮陽，還需求出水平板兩端的延伸長度。由于同層同朝向各個窗戶的遮陽板連接成一體，故在單個窗戶遮陽板長度計算時其長度認為無限長，不需要考慮端部延伸的問題。

由以上建立的數(shù)學模型可以看出，我們應該利用冬、夏兩季太陽高度角、方位角的變化，最大限度地增大夏季遮擋的太陽能量Es,減少冬季遮擋的太陽能量Ew。在Es-Ew取最大值時遮陽板的W、d即為適合天津地區(qū)住宅建筑南向墻遮陽板的最佳尺寸。

3.2 具體研究方法的確定

在遮陽板的設計中，我們始終是遵循利用冬、夏季太陽高度角不同這條原則。其最理想的情況如圖2所示

在圖中采暖季太陽高度角最高的情況下，太陽射線恰好照射到窗戶的上沿。這樣就可以在任意情況下保證采暖季的滿窗照射。同時在空調(diào)季太陽高度角最低的情況下太陽射線恰好照射到窗戶的下沿，這樣就可以在任意情況下保證空調(diào)季的滿窗遮陽。上述情況是我們在設計遮陽板尺寸時所希望達到的最佳情況。但經(jīng)計算，為達到上述要求，遮陽板長度過長（約1.7米），同時導致遮陽板到窗戶上沿的距離也過長，在實際中無法實現(xiàn)。

由于上述情況，我們在設計遮陽板尺寸時只能盡量兼顧夏季的遮陽和冬季的日照。由于天津地區(qū)氣候的特點在近些年發(fā)生了一些變化，夏季持續(xù)高溫時間明顯增長，冬季最低溫度也有所下降，氣候類型趨近于夏熱冬冷型。本文在遮陽板寬度w、遮陽板到窗戶上沿距離d取不同值的條件下，通過遮陽板在夏季遮蔽的能量與冬季遮蔽的能量的差值Es-Ew來判斷遮陽板尺寸的好壞。同時給出由在不同d、w情況下，對應Es-Ew的曲線，以供設計時參考。

通過分析可知，遮陽板所遮蔽的太陽能量是水平面上太陽直射輻射強度、日期和時間的函數(shù)。

3.3 計算結(jié)果及分析

經(jīng)計算證明，要達到上述這種最佳的遮陽效果，遮陽板的長度至少要在1.7米以上，而且遮陽板到窗戶上沿的距離也在1米以上。一般住宅建筑的層高在3米以下，而且新建房型多采用1.8米的大窗，再加上一些戶型將空調(diào)架設置在南向，因此給遮陽板的可調(diào)節(jié)空間很小。另外，從建筑美學的角度來看，遮陽板的寬度也不宜過長。

從圖中可以看出，d在取0.5m以上的情況下，遮陽板遮蔽的能量曲線趨于平緩。其總的變化趨勢是w、d的值越大，遮陽效果越好。但遮陽板的寬度一般不宜過長，一般小于1米。從圖中曲線可以看出，每條曲線取最大值時,d、w的值比較接近。這樣在w不超過1米的前提下，可同時保證d值不大于1米。這樣的距離對于住宅建筑是可行的。

4 結(jié)論

通過以上分析計算，可以得到如下結(jié)論

1 外遮陽相對于內(nèi)遮陽來講，能夠更為有效的遮蔽太陽輻射能量。外遮陽裝置本身吸收的太陽輻射熱量大部分以對流散熱的方式排入室外，從而有效地避免了內(nèi)遮陽的這一缺陷。

2 對于南向或接近南向的窗口上，由于太陽照射時的高度角較高，宜設置水平式遮陽板遮陽。這種遮陽能形成很大的遮陽區(qū)，在降低南墻表面溫度和防止陽光直射窗口方面能達到很好的遮陽效果。

3 遮陽板作為南向或接近南向窗口上的遮陽設備，綜合考慮建筑節(jié)能、建筑物美觀、遮陽板自身材料及住宅建筑的層高等多種因素，其寬度w宜取在0.6～1.0m之間, 遮陽板距窗戶上沿距離d相應取0.5～0.9m之間，全年遮陽節(jié)能為80～110MJ/m2。

總之，遮陽板是一種簡單可行的建筑節(jié)能方式，不同地區(qū)在不同的氣象條件下，遮陽板的適用尺寸和節(jié)能情況有待于進一步的研究。