張一飛，趙天宇，李光皓

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，150001哈爾濱)

哈爾濱市位于北緯 44°04＇～ 46°40＇、東經(jīng)125°41＇～130°13＇之間，屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長寒冷，夏季短暫炎熱，春秋季氣溫升降快.通過分析 2012年哈爾濱全年溫度數(shù)據(jù)(http://www.tianqihoubao.com/lishi/haerbin.html)(圖1)可以看出18～25℃的舒適室溫所占時(shí)段較短，因此在10月15日至次年4月15日采暖期與6月20日至8月10日制冷期采取人為干預(yù)措施來提高室內(nèi)舒適度.在冬夏溫差極大的氣候條件下，對(duì)太陽輻射接受量最大的南向窗進(jìn)行研究是哈爾濱居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵.以往節(jié)能研究中，采用百葉窗可以起到較理想的遮陽效果，不過卻犧牲了通風(fēng)、觀景功能.因此，在不影響通風(fēng)、觀景前提下通過對(duì)南向窗尺寸進(jìn)行優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)遮陽效果為居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)提供了另一種研究思路.

圖1 哈爾濱2012年全年氣溫變化趨勢(shì)

1 南向窗形制優(yōu)化依據(jù)

依據(jù)上述溫度數(shù)據(jù)分析，可以確定寒地居住建筑南向窗的節(jié)能設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡量滿足冬季保溫與夏季遮陽的使用要求.文獻(xiàn)［1-3］的研究數(shù)據(jù)表明隨南向開窗面積變大，建筑保溫性能呈線性下降趨勢(shì)，也就是說沒有窗戶的建筑保溫節(jié)能效果最好.但實(shí)際上居民有剛性室內(nèi)采光要求，所以權(quán)衡結(jié)果是在節(jié)能與采光的矛盾間尋找合適的窗地面積比.

《住宅建筑規(guī)范》7.2.2條規(guī)定臥室、起居室(廳)、廚房應(yīng)設(shè)置外窗，窗地面積比不應(yīng)小于1/7.為減少冬季室內(nèi)熱量散失，窗地比盡量接近1/7才能盡可能地達(dá)到保溫節(jié)能效果.

與遮陽效果關(guān)系最為密切的參數(shù)是太陽高度角.根據(jù)文獻(xiàn)［4］中夏半年(3月21日—9月23日)的太陽高度角計(jì)算公式

與冬半年(9月23日—12月22日)的太陽高度角計(jì)算公式

以及春季時(shí)段(12月22日—次年3月21日)的太陽高度角計(jì)算公式

式中n為天數(shù)，φ為地理緯度．可以計(jì)算得出哈爾濱全年正午太陽高度角變化趨勢(shì)(圖2).由圖2可知哈爾濱的正午太陽高度角在6月22日達(dá)到全年最大值68°04＇，12月22日達(dá)到全年最小值21°12＇.

圖1中需制冷時(shí)段為6月20日—8月10日，將此期間確定為需遮陽時(shí)段，因此與該時(shí)段對(duì)應(yīng)的太陽高度角范圍為 60°17＇～68°04＇.由于此時(shí)段并不相對(duì)于6月22日中軸對(duì)稱，因此60°17＇～68°04＇的實(shí)際涵蓋時(shí)段為5月4日—8月10日.根據(jù)哈爾濱歷年氣溫記錄顯示5月初是全年第一次高溫時(shí)段，而上述遮陽角度范圍能夠滿足避免全年高溫時(shí)段太陽直射的目的.

圖2 哈爾濱全年正午太陽高度角變化狀態(tài)

由以上論述可以得出哈爾濱居住建筑南向開窗方式應(yīng)當(dāng)遵循的原則:1)南向窗能夠?qū)μ柛叨冉菫?0°17＇以上的太陽光線進(jìn)行遮擋;2)南向窗設(shè)置的窗地面積比盡量接近1/7.在后續(xù)的優(yōu)化策略模擬分析中，將依據(jù)以上兩條原則對(duì)哈爾濱居住建筑南向窗進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化.

2 南向窗優(yōu)化模擬分析

2.1 南向窗節(jié)能形制原理

模擬分析方案是通過既定尺寸的房間面積來推算開窗尺寸，進(jìn)而推導(dǎo)出能應(yīng)用于任意面積的開窗尺寸公式.為便于計(jì)算，選擇進(jìn)深4.0 m、開間3.5 m的矩形房間為研究對(duì)象.根據(jù)上述窗地比標(biāo)準(zhǔn)1/7，確定南向開窗面積為(4.0×3.5)/7=2.0 m2.確定開窗面積后，南向窗的高度、寬度、位置就成為進(jìn)一步研究的對(duì)象.

在南向窗優(yōu)化模型中，采取外墻安置遮陽板、保證外墻厚度、控制窗體高度幾種手段來實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽高度角大于60°17＇的太陽光線進(jìn)行遮擋的效果(圖3).

圖3 南向窗遮陽示意

圖3臨界太陽高度角為8月10日的60°17＇，通過厚度370 mm的外墻墻體與寬度200 mm的遮陽板來共同完成遮陽作用，此時(shí)窗體高度也有所限制，取為999 mm.

根據(jù)圖3的遮陽原理，可以得出南向窗開設(shè)高度H=cot 60°17'(T+S)，式中T為外墻厚度，S為遮陽板出挑寬度，兩者的總和決定了南向窗的高度.文獻(xiàn)［5-8］表明當(dāng)外墻厚度較小時(shí)，則遮陽板寬度較大;反之，遮陽板寬度較小.

確定南向窗自身高度后，還需確定南向窗窗臺(tái)高度.規(guī)范規(guī)定窗臺(tái)距地面高度在 900～1100 mm范圍內(nèi)較為適宜.如何在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)確定合理數(shù)值需要尋求合理依據(jù)，那么就歸結(jié)到南向窗的使用要求上.南向窗作用是采光、觀景，因此人眼高度是決定窗體高度的關(guān)鍵，文獻(xiàn)［9-11］中指出人眼高度有賴于居民平均身高來確定.

男性平均身高大于女性，根據(jù)木桶效應(yīng)，應(yīng)當(dāng)以女性平均身高(1 600 mm)作為窗體垂直高度中心計(jì)算依據(jù).女性平均人眼高度可依據(jù)平均身高減去100 mm進(jìn)行計(jì)算，因此可確定1 500 mm為南向窗中心高度.根據(jù)窗體中心高度C=1 500 mm可以計(jì)算出窗臺(tái)高度P=C-0.5H=1 500-0.5×999=1 000.5 mm.出于施工模數(shù)的考慮，采用最為接近的模數(shù)窗臺(tái)高度P=1 000 mm，在此基礎(chǔ)上反推出窗體中心高度C=P+0.5H=1 000+0.5×999=1 499 mm.在得到南向窗自身高度數(shù)值后，也可以相應(yīng)地計(jì)算出南向窗開設(shè)寬度W=A/7H=(4×3.5)/(7×999)=2 000 mm(A為房間面積).

根據(jù)以上節(jié)能原則計(jì)算得出的南向窗總開設(shè)面積相對(duì)于傳統(tǒng)窗體并沒有變化，但是其高度相對(duì)較低，寬度相對(duì)較寬.

上述系列公式中除了參數(shù)“7”是根據(jù)規(guī)范所規(guī)定的哈爾濱的窗地比確定以外，其他參數(shù)均具有不同地域適應(yīng)性，因此如果將參數(shù)“7”替換為其他地域?qū)?yīng)的窗地比數(shù)值，將可以使公式適應(yīng)各種地域氣候特點(diǎn)，成為各地通用的南向節(jié)能窗計(jì)算公式.

2.2 仿真模擬分析與節(jié)能效果計(jì)算

根據(jù)6月22日的白晝時(shí)長，運(yùn)用Tracepro軟件選取04:00—20:00的有效照射時(shí)段對(duì)南向窗投影進(jìn)行模擬分析(圖4).圖4分析結(jié)果顯示節(jié)能南向窗對(duì)夏季太陽直射光進(jìn)行了有效遮擋.

根據(jù)12月22日的白晝時(shí)長，運(yùn)用Tracepro軟件選取08:00—16:00的有效照射時(shí)段對(duì)南向窗投影進(jìn)行模擬分析(圖5).在圖5中，節(jié)能南向窗的太陽光投射區(qū)域形狀雖然與方形窗有所不同，但投射總面積相等，因此能夠在冬季與方形窗相同程度地吸納太陽光線，保證熱量輻射不受損失.

圖4 6月22日節(jié)能南向窗與方形窗投射陰影疊加分析(04:00—20:00)

圖5 12月22日節(jié)能南向窗與方形窗投射陰影疊加分析(08:00—16:00)

驗(yàn)證節(jié)能南向窗效用后，仍需計(jì)算尺寸優(yōu)化所帶來的節(jié)能效果.節(jié)能效果數(shù)值需要不同時(shí)段下方形窗的地面投射面積與該時(shí)間的太陽輻射強(qiáng)度兩個(gè)參數(shù)來進(jìn)行計(jì)算.依據(jù)太陽幾何學(xué)，可推理得出方形窗的地面投射面積為Bcot δ(B為方形窗面積，δ為太陽高度角)，因此可依據(jù)此公式與公式(1)計(jì)算得出6月22日不同時(shí)段方形窗的地面投射面積(圖6).

圖6 6月22日不同時(shí)段方形窗的地面投射面積

為驗(yàn)證理論分析與軟件模擬分析的準(zhǔn)確性，于7月14日在哈爾濱市居住區(qū)選取高1.42 m、寬1.42 m的南向窗與高1.0 m、寬1.4 m的南向窗作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其地面投射面積進(jìn)行全天觀測(cè).觀測(cè)結(jié)果表明高1.0 m的南向窗能夠避免夏季太陽光直射入室內(nèi)，將高1.42 m、寬1.42 m的南向窗地面投射面積觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖7)，誤差控制在較小范圍內(nèi)，可以驗(yàn)證理論分析與模擬分析結(jié)果具有現(xiàn)實(shí)可行性.

圖7 7月14日南向窗投射面積觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對(duì)比

太陽輻射強(qiáng)度由太陽入射角所決定，因此確定不同時(shí)段的太陽入射角成為計(jì)算太陽輻射強(qiáng)度的前置工作.依據(jù)太陽幾何學(xué)整理出南向窗太陽入射角計(jì)算公式為

式中:i為太陽入射角，φ為地理緯度，δ為太陽高度角，ω為太陽時(shí)角．

一天中太陽高度角與太陽時(shí)角處于變化過程中，為便于分析節(jié)能效果，以小時(shí)為單位選取整點(diǎn)時(shí)刻進(jìn)行計(jì)算，最終得出6月22日全天太陽輻射強(qiáng)度變化趨勢(shì)(圖8).

圖8 6月22日全天太陽輻射強(qiáng)度變化趨勢(shì)

依據(jù)圖6、7中的地面投射面積與太陽輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，可以用文獻(xiàn)［12］的公式對(duì)透過玻璃的太陽輻射得熱量進(jìn)行計(jì)算.

其中

式中:SHGC(θ)為太陽直接輻射的玻璃太陽得熱系數(shù)，λ為波長，＜SHGC＞D為太陽散射輻射的玻璃太陽得熱系數(shù)，ⅠDV為垂直面接收的太陽直射輻射強(qiáng)度，ⅠdV為垂直面接收的太陽散射輻射強(qiáng)度，Ⅰo為太陽常數(shù)，pm為大氣透明度，δ為太陽高度角，ε為垂直面太陽方向角，ⅠdS為垂直面接受的天空散射輻射強(qiáng)度，ⅠRV為垂直面接受的地面散射輻射強(qiáng)度，ⅠB為垂直面接受的大氣長波散射輻射強(qiáng)度，τ為太陽直射輻射透過率，N為太陽直射輻射吸收的熱量向房間放熱的比例，α為太陽直射輻射吸收率．

通過上述公式的計(jì)算，可以得出透過窗體投射至地面的每小時(shí)累積得熱(表1).

表1 節(jié)能南向窗相對(duì)于方形窗所減少的室內(nèi)投射熱量kJ

表1數(shù)據(jù)表明通過尺寸優(yōu)化的節(jié)能南向窗相對(duì)于方形窗每天能夠減少投射進(jìn)室內(nèi)熱量7 789.6 kJ.由此可見，經(jīng)過節(jié)能公式計(jì)算得出的優(yōu)化尺寸的南向窗能夠相對(duì)于相同面積的南向方形窗產(chǎn)生較為明顯的節(jié)能效果，如果對(duì)比對(duì)象是面積更大的其他南向窗形式，那么這種節(jié)能效果將更加顯著.

3 結(jié)論

1)哈爾濱居住建筑南向窗是建筑保溫節(jié)能的重要構(gòu)件，為了使冬季保溫與夏季遮陽效果最優(yōu)化，需要對(duì)南向窗的面積、尺寸等要素進(jìn)行優(yōu)化研究.

2)隨著南向窗面積增大，建筑保溫性能呈線性下降趨勢(shì)，因此應(yīng)將《住宅建筑規(guī)范》的窗地比規(guī)定下限1/7作為哈爾濱居住建筑的窗地比，以達(dá)到在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)取得最好的建筑保溫效果的目的.

3)在1/7的窗地比前提下，優(yōu)化的節(jié)能南向窗開設(shè)高度為H=cot 60°17'(T+S)，南向窗窗臺(tái)高度P=1 000 mm，南向窗中心高度C=P+0.5H，南向窗開設(shè)寬度W=A/7H．

4)上述公式得出了一套依據(jù)房間面積等已知條件計(jì)算節(jié)能南向窗尺寸的方法，能夠精確指導(dǎo)實(shí)際建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié).通過對(duì)透過方形窗的地面接收熱量的定量計(jì)算，驗(yàn)證了節(jié)能南向窗能夠在維持原有冬季采光效果的前提下對(duì)夏季高溫時(shí)段的太陽直射光線進(jìn)行遮擋，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能效果.

［1］李寶鑫，蘆巖.寒冷地區(qū)窗墻面積比對(duì)建筑能耗影響分析［J］.建設(shè)科技，2012，10(10):38-40.

［2］盧娜，胡瑞，馬新淇.寒冷地區(qū)外窗對(duì)建筑能耗影響研究［J］.中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2010，28(9):21-23.

［3］常靜，李永安.居住建筑窗墻面積比對(duì)供暖能耗的影響研究［J］.暖通空調(diào)，2008，38(5):109-112.

［4］蔣洪力.太陽直射點(diǎn)緯度的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和分析［J］.數(shù)學(xué)通報(bào)，2007，46(9):39-40.

［5］STECHER D，ALLISON K.Maximum residential energy efficiency performance results from long-term monitoring of a passive house［J］.ASHRAE Transactions，2012，118(1):127-134.

［6］MATHIAS J A，MATHIAS D M.Energy efficient，cost effective， passive solar house ［J］. ASHRAE Transactions，2009，115(1):419-426.

［7］BREW J S.Achieving passivhaus standard in north America:lessons learned［J］.ASHRAE Transactions，2011，117(2):51-58.

［8］DAVID S，KATRIN K.Design and performance of the Smith house， a passive house ［J］.ASHRAE Transactions，2008，114(1):209-217.

［9］BRENT S.Modeling a net-zero energy residence combining passive and active design strategies in six climates［J］.ASHRAE Transactions，2011，117(1):381-388.

［10］裴智超，曾宇，侯毓，等.嚴(yán)寒地區(qū)綠色住宅建設(shè)探索與實(shí)踐［J］.城市，2012，13(10):34-36.

［11］秦楓，劉振亭.辰能·溪樹庭院綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)研究分析［J］.建筑知識(shí)，2012，32(3):138.

［12］金星，張小松，邱童，等.透過玻璃窗的太陽輻射熱量測(cè)試研究［J］.太陽能學(xué)報(bào)，2009，30(10):1203-1208.