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pc雙層陽光板在建築中的應用研究

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pc雙層陽光板在建築中的應用研究

發布日期:2018-05-29 作者: 點擊:

一、pc雙層陽光板目前進深較大建築采光設計中的難題 辦公建築,教學建築等公用建築進深較大,通常在4m以上,光線很難深入到建築內部,並且由於在此類建築從事的工作較為精細,對室內照明的強度與均勻性都有要求較高。我國《民用建築照明設計標準》GBJ 133-90 規定此類建築平均照度在500lux以上。為了使離窗戶較遠的地方達到相應的照度值,目前通常的做法是采用人工照明和加大開窗麵積,但這兩種方法都有其固有的缺點: 1、1人工照明能耗大 高強度的人工照明必然會增大照明的耗電量,當室內的平均照度為500lx時,每平方米的照明耗電量約在20瓦左右。芭乐视频下载幸福宝對深圳市多座公用建築的能耗調查發現:照明耗電量占總建築能耗的比例在12%~22%之間,僅次於空調能耗,是建築耗電設備中的第二大戶。 1、2 自然采光照度不均勻,空調負荷加大 增大開窗麵積確實可以讓更多的太陽光進入室內,但自然光照度在室內的分布是呈階梯狀減低的,因此增大開窗麵積通常會出現靠近窗戶的位置照度過強,已經出現了眩光,而在離窗戶較遠的地方仍沒有達到規定的照度值。另一方麵過大的開窗麵積會導致空調負荷的上升,減低窗口附近的熱舒適性。 二、采光板的設計思想 采光板的作用在於利用較小的窗戶開口將室外及窗口附近的太陽光通過反射引入室內較深的地方,采光板的工作原理見圖1: 圖1 采光板工作原理圖 通常條件下,直射輻射強度是散射輻射強度的4~7倍,采光板主要利用直射光線。室外直射輻射通過較小的上部窗戶開口被采光板反射到室內頂棚,經過頂棚的散射反射,均勻的照亮離窗口較遠處。在窗口麵積不變得情況下,離窗口較遠的地方得到充分的照明,提高了室內采光的均勻度,提高了視覺舒適度;上部開口的麵積較小,雖然有反射輻射進入,單不會嚴重的增大室內的空調負荷;而且室外的采光板在一定程度上起到了外遮陽的作用,有利於提高窗戶附近的熱舒適性,減小了空調負荷及直射眩光。 三 采光板采光效果的評價 3、1 模擬方法及軟件簡介 評價一種采光方式的優劣,除了通常采用的采光係數,采光均勻度外,從建築整體節能的角度還應考慮於采光相關的建築能耗,如燈具的耗電及大量燈具散熱增加的空調能耗。能將采光效果與建築能耗結合起來模擬的軟件有DOE2及Energyplus。Energyplus是在DOE2基礎上開發出來的新一代的建築性能模擬軟件,它具有詳細的建築結構及建築設備輸入,能逐時的計算建築各分區及整體的負荷,特別是內建的采光計算模型能采用典型氣象年數據中的日照輻射預測不同的采光方式的采光效果及其對建築整體能耗的影響。 筆者采用Energyplus分別對一個簡單的模型建築的采光效果和節能效果在深圳的氣象條件下進行了模擬。采光板采用圖1所示的最簡單的內外平板形式。 3、2 模型建築的模擬 模型建築的結構見圖2 A棟為安裝采光板的目標建築,B棟為普通的比較建築,兩棟建築的結構及材料完全一致。B棟模型建築寬6m,高3m,在深度方向有9m的進深;在南向開窗,窗高2.5m,寬4m;加裝采光板的A棟目標建築中,窗戶分為上下兩個部分:上部開窗高度為0.5m,下部高2m,窗總高度與B棟比較建築相同;采光板內外長度都為0.5m,寬度與窗戶平齊。分別在兩棟模型距離窗戶2m,及8m處高度為0.8m的工作平麵上設置兩個照度參考點,當參考點的照度低於500lux時啟用人工照明,每個照度參考點各控製50%的照明耗電。兩棟建築都采用全空氣係統,室內溫度設定在25℃,相對濕度設定在60%。采光板由表麵光滑的50㎜水泥板構成,表麵塗吸收率為0.3的白色塗料。 3、2、1采光效果 在夏至日的模擬中,A棟建築全天室內的采光均勻度都要好於B棟建築,如圖4 所示,在10:00時A棟建築內0.8m高度工作麵上已經全部達到500lx 的照度要求,照度分布均勻在3.6m~9m的範圍內照度都在500~750lx 之間;此時B棟建築隻是在4.7m以內的範圍內達到了500lx的照度要求,並且達到照度要求的範圍呈窄帶狀分布,照度變化較大,房間中軸剖麵與工作麵交線上最大照度達到1884lux,而最低值隻有350lux。A棟建築在自然光線的利用率上也具有很大優勢,A棟建築在09:00~16:00之間可以完全采用自然采光達到照度要求,而B棟建築幾乎全天需要人工照明,即使在室外照度最強的時段也不能保證室內全部達到照度要求,在12:00時距離窗戶7.2m以外的工作麵上照度依然小於500lux。 在冬至日,由於太陽高度角較低,易於光線深入室內,A、B兩棟建築的差別不大。但從冬至日17:00室內照度分布圖上依然可以看出A棟建築內照度分布較為均勻,沒有小於500lux的地方。 3、2、2建築能耗 深圳地區屬於以夏季空調能耗為主的氣候區,因此主要對采光板對建築夏季能耗的影響展開分析。夏至日A、B兩棟建築照明耗電量見圖6(1)。A棟與B棟建築相比全天節約照明能耗0.554KW,節能效果主要體現在7:00~11:00和14:00~18:00之間,在此時段室外自然光線照度相對較小,B棟建築難以利用,而A棟建築由於采光板的作用,降低了利用天然光進行采光時的室外最低照度,從而減少了人工照明的使用時間,減少了照明能耗。全年照明能耗共節約42.79KW。 采光板在將光線從上部開口引入建築內部同時,對於下部窗戶起到了外遮陽得作用,因此對空調負荷的削減效果更為明顯,全天空調負荷減小了14.3%,如圖6(2)夏至日空調負荷所示,在8:00~20:00時段內,A棟建築的空調負荷明顯小於B棟建築,在沒有太陽輻射的其他時段,A棟建築的空調於B棟建築相當。 四 采光板的優化設計 太陽位置隨時間,季節的變化不斷變化,不同的緯度太陽運行軌跡也各不相同,采光板的設計重點就在於如何在不同的入射角度下最有效的利用太陽輻射,以期達到全年建築整體能耗最小的目標。 4、1 應用實例 為了在不同的地點,朝向上達到最優的使用效果以及同建築外立麵的結合,采光板衍生出不同的結構。圖7 為三種不同類型的采光板形式。從開口的角度可以看出他們的設計針對於不同的緯度,低緯度地區,太陽高度角較高,易采用單層采光板或雙層采光板;對於緯度較高的地區,易采用多層采光板。 4、2 幾何形狀的優化 對於采光板幾何形狀的優化主要集中在,上部開窗高度,內外采光板長度及傾斜角度。對於結構簡單的內外平板式采光板,可以通過光線反射路徑的分析,來求取最佳的幾何結構。 通過對幾何結構的分析可以得到內外采光板長度與上部開窗高度,光線入射角以及傾斜角度之間的幾何關係方程: 室內采光板: 室外采光板: — 入射光線與水平麵的夾角; -分別為室外采光板和室內采光板與水平麵的夾角; —上部開窗的高度。 得到上述公式後再跟據當地的緯度確定光線入射角的全年變化範圍,以距離窗口4~9m處全年得到自然采光時間最長為優化目標,確定采光板的最優幾何形狀。 對於圖7 所示的幾種結構較為複雜的采光板形式,通常是先設計出原型,製作出縮小的建築模型;用激光束模擬太陽光線,變化激光的入射角度,模擬太陽的運行;同樣以距離窗口4~9m處全年得到自然采光時間最長為優化目標,用更直觀的方法對采光板進行優化。 4、3 材料的選擇 內外采光板的表麵應當比較平滑,易於陽光的反射;表麵上塗反射率高的塗料,以期使更多的光線進入室內。通過上部窗戶進入室內的太陽輻射量較大,因此在上部窗戶上使用具有光譜選擇性的鍍膜玻璃,允許可見光透過,把紅外輻射阻隔在室外,將會有更好的節能效果。 五 結論 5、1良好的自然采光效果 采光板對大進深建築的采光效果改善明顯,即使最簡單的內外平板式采光板,也能全天有效地增加室內距離窗口4~9m處的照度,提高整個房間的采光均勻性。在室外自然光照度較低的清晨、傍晚,以及夏季太陽高度角較高時,效果尤為明顯。與普通建築相比,安裝采光板的建築室內采光效果更好,自然光線的利用率更高。 5、2 降低建築能耗,增加室內舒適度 采光板利用的上部開窗較小,不會嚴重的增加空調負荷;而且采光板在通過上部開窗將陽光引入室內的同時,對於大麵積的下部開窗起到了外遮陽的作用。從模擬結果可看出使用采光板後空調負荷有明顯的降低。當采用經過優化的采光板時節能效果將會更加明顯。

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