冬季太陽輻射對房間負(fù)荷影響分析【摘要】分析了太陽輻射在不同季節(jié)特別是冬季對房間負(fù)荷的影響，進(jìn)而對空調(diào)能耗的影響，指出冬季部分朝向過大的窗墻比是造成建筑物室內(nèi)過熱的主要原因，并通過對北京地區(qū)南向房間的太陽輻射計(jì)算分析冬季太陽輻射對房間負(fù)荷的影響，給出滿足降低冬季采暖能耗條件下并保證全年節(jié)能時(shí)適宜的南向窗墻比限值。【關(guān)鍵詞】太陽輻射得熱窗墻比冬季部分朝向室內(nèi)過熱近幾年來，公共建筑為了更加通透明亮，窗墻比有越來越增大的趨勢，但不斷增大的窗墻比所造成的空調(diào)期太陽輻射得熱引起的負(fù)荷給建筑物的室內(nèi)環(huán)境也造成了很多困擾。對于建筑物的熱環(huán)境來說，太陽輻射是一項(xiàng)重要的外擾，特別是透過窗墻比較大的建筑物，透過玻璃窗直接射入室內(nèi)的輻射熱，對房間的溫度狀況有著非常大的影響。在夏季通過外窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射增加了夏季空調(diào)能耗，在冬季通過外窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射有利于降低冬季采暖能耗，所以對于透過外窗的太陽輻射《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》【GB50189-2005】（以下簡稱《公建節(jié)能規(guī)范》）中是根據(jù)不同的氣候條件分別對待的。對于夏熱冬暖地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)，認(rèn)為夏季空調(diào)期的太陽輻射引起的太陽輻射得熱是主要矛盾，因此對該地區(qū)外窗的遮陽系數(shù)要求較高，而對于寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)，認(rèn)為進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射有利于降低冬季采暖能耗，而冬季采暖能耗在全年總能耗中占主導(dǎo)地位，故而對這兩個(gè)地區(qū)的建筑遮陽系數(shù)要求較低（其中對嚴(yán)寒地區(qū)外窗的遮陽系數(shù)沒有限制）。通過實(shí)地調(diào)查在北京的部分工程發(fā)現(xiàn)過大的窗墻比造成了冬季通過外窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射過大，甚至造成了冬季部分朝向建筑室內(nèi)的過熱，過大的太陽輻射熱還延長了過渡季的空調(diào)供冷時(shí)間，造成了全年建筑能耗的增加。以某辦公樓為例，在冬季即使是最寒冷的時(shí)候，只要是有太陽出現(xiàn)的情況下，南側(cè)辦公室均過熱，辦公室人員均采用開窗等其他手段降溫。在3月份剛剛停暖的時(shí)候，北側(cè)的辦公室通常還會(huì)感覺有點(diǎn)冷，而此時(shí)的南向房間就已經(jīng)過熱嚴(yán)重了。在每年4月份及5月初大樓沒有空調(diào)供冷時(shí)（即過渡季時(shí)），南向的辦公室過熱相當(dāng)嚴(yán)重，這時(shí)單純的開窗通風(fēng)等措施已經(jīng)不能緩解辦公室的過熱，很多人都采用自帶電扇或用報(bào)紙貼在玻璃上的方式解決過熱問題，通常大樓的空調(diào)系統(tǒng)不得不提前投入使用。這種情況就說明在冬季部分朝向的冬季進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射熱過大，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他外維護(hù)結(jié)構(gòu)的冬季熱負(fù)荷，進(jìn)而可以得出部分朝向的窗墻比過大，或外窗的遮陽系數(shù)過大。為此筆者進(jìn)行了冬季太陽輻射熱負(fù)荷的計(jì)算。計(jì)算方法參照《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》［GB50019-2003］（以下簡稱《暖通規(guī)范》）中夏季太陽輻射熱負(fù)荷的計(jì)算。一、冬夏季圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷及不同月份太陽輻射得熱形成的冷負(fù)荷計(jì)算根據(jù)《暖通規(guī)范》中6.1.10條透過玻璃窗進(jìn)入空調(diào)區(qū)的太陽輻射熱量，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶栞椛湔斩取⑼獯暗臉?gòu)造、遮陽設(shè)施的類型、附近高大建筑或遮擋物的影響通過計(jì)算確定。同時(shí)《暖通規(guī)范》6.2.11規(guī)定透過玻璃窗進(jìn)入空調(diào)區(qū)的太陽輻射熱形成的冷負(fù)荷，應(yīng)根據(jù)本規(guī)范第6.2.10條得出的太陽輻射熱量，考慮外窗遮陽設(shè)施的種類、室內(nèi)空氣分布特點(diǎn)以及空調(diào)區(qū)的蓄熱特性等因素，通過計(jì)算確定。透過玻璃窗進(jìn)入室內(nèi)的日射得熱分為兩部分，即透過玻璃窗直接進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射熱和窗玻璃吸收太陽輻射后傳入室內(nèi)的熱量。透過玻璃單位面積射入室內(nèi)的太陽輻射得熱按下式計(jì)算【2】q=0.889CI1Zqi 透過單位面積玻璃的太陽輻射得熱，W/m2I-—太陽輻射照度，W/m2(I值參見《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)程》【JGJ24-86】附表2.3)CZ---窗戶的綜合遮擋系數(shù)，透過單位面積玻璃傳遞的熱量，該熱量直接形成房間冷負(fù)荷，按下式計(jì)算CL2=q=K(t-t)2 WNCL2-―單位面積玻璃玻璃傳遞的熱量形成的冷負(fù)荷，W/m2q2 透過單位面積玻璃傳遞的熱量，W/m2K---玻璃傳熱系數(shù)，W/(m2.K)t---室外溫度，°CWt---室內(nèi)溫度，°CN透過玻璃單位面積射入室內(nèi)的太陽輻射得熱形成的冷負(fù)荷按下式計(jì)算CL=CqLQ1CL---透過單位面積玻璃的太陽輻射得熱形成的冷負(fù)荷，W/m2q1---透過單位面積玻璃的太陽輻射得熱，W/m2CLQ---冷負(fù)荷系數(shù)，以北京地區(qū)某辦公樓標(biāo)準(zhǔn)層房間為計(jì)算對象，該辦公樓體形系數(shù)＜0.3,辦公室房間尺寸9x5x3.6m，房間只有一面南外墻，分別計(jì)算不同窗墻比條件下的太陽輻射得熱負(fù)荷和圍護(hù)結(jié)構(gòu)總傳熱負(fù)荷。房間窗墻比和遮陽系數(shù)均取《公建節(jié)能規(guī)范》限值(窗墻比為0.2和0.3時(shí)《公建節(jié)能規(guī)范》對遮陽系數(shù)無限制，取0.8)計(jì)算結(jié)果見表一、表二：表一圍護(hù)結(jié)構(gòu)總傳熱負(fù)荷Q(W)(/t為室內(nèi)外溫差)窗墻比外墻傳熱系數(shù)W/(mK)外墻面積(m2)外墻傳熱負(fù)荷(W)外窗傳熱系數(shù)W/(mK)遮陽系數(shù)外窗面積(m2)外窗傳熱負(fù)荷(W)總傳熱負(fù)荷Q(W)0.20.63621.6/13.50.8925.2/146.8/10.30.631.518.9/t30.813.532.4/151.3/10.40.62716.2/12.70.71834.02/150.22/10.50.622.513.5/12.30.622.531.05/144.55/10.70.613.5&1/t2.00.531.531.5/139.6/1表二不同月份太陽輻射得熱形成的冷負(fù)荷CL(w)窗墻比8：009：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：0017：007月0.2CL(W)127.98255.15629.281015.21211.61359.4977.04391.14234.63129.600.3CL(W)191.97382.73943.921522.81817.42039.01465.6586.71351.95194.400.4CL(W)179.17357.21880.991421.31696.21903.11367.9547.60328.48181.440.5CL(W)191.97382.73943.921522.81817.42039.01465.6586.71351.95194.400.7CL(W)223.97446.511101.21776.62120.32378.91709.8684.50410.60226.8011月0.2CL(W)218.91715.051432.02143.02489.22857.32223.41085.8401.330.000.3CL(W)328.361072.62148.03214.53733.84286.03335.11628.7602.000.000.4CL(W)306.471001.12004.83000.23484.94000.23112.81520.1561.860.000.5CL(W)328.361072.62148.03214.53733.842863335.11628.7602.000.000.7CL(W)383.091251.32506.03750.24356.15000.33891.01900.2702.330.00

12月0.2CL(W)184.34719.371514.12300.52684.33067.32350.91092.4337.960.000.3CL(W)276.511079.12271.23450.74026.44600.93526.31638.6506.940.000.4CL(W)258.081007.12119.83220.63758.04294.23291.21529.3473.150.000.5CL(W)276.511079.12271.23450.74026.44600.93526.31638.6506.940.000.7CL(W)322.601258.92649.74025.84697.55367.74114.01911.7591.430.001月0.2CL(W)230.43799.301623.62438.72366.23251.62520.81213.8422.450.000.3CL(W)345.641199.02435.33658.13549.34877.43781.21820.6633.680.000.4CL(W)322.601119.02273.03414.23312.74552.33529.11699.3591.430.000.5CL(W)345.641199.02435.33658.13549.34877.43781.21820.6633.680.000.7CL(W)403.251398.82841.24267.74140.95690.34411.42124.1739.290.002月0.2CL(W)280.84794.981523.22239.02599.42985.32365.01207.2517.500.000.3CL(W)421.251192.52284.93358.53899.24478.03547.51810.8776.260.000.4CL(W)393.171113.02132.53134.63639.24179.53311.01690.1724.510.000.5CL(W)421.251192.52284.93358.53899.24478.03547.51811.0776.260.000.7CL(W)491.461391.22665.73918.34549.05224.34138.82112.6905.630.003月0.2CL(W)306.76758.251410.72058.52378.92744.72190.41151.4559.75177.620.3CL(W)460.141137.42116.13087.83568.44117.03285.51727.1839.62266.430.4CL(W)429.461061.61975.02881.93330.53842.53066.51612.0783.65248.670.5CL(W)460.141137.42116.13087.83568.44117.03285.51727.1839.62266.430.7CL(W)536.831327.02468.83602.44163.14803.23833.12015.0979.56310.84由表二可以看出;由于太陽入射角度的不同，相同窗墻比條件下，相同時(shí)刻南向冬季太陽輻射得熱形成的冷負(fù)荷值比夏季太陽輻射得熱形成的冷負(fù)荷值還要大。(夏季屋頂水平面太陽輻射強(qiáng)度最大。而垂直投影面較小。)這也是冬季南向辦公室容易過熱的主要原因。二、冬季太陽輻射對室內(nèi)參數(shù)的影響由表2可以看出冬季太陽輻射得熱形成的冷負(fù)荷數(shù)值還是很可觀的。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)總傳熱負(fù)荷Q和太陽輻射得熱形成的冷負(fù)荷CL相等時(shí)，可以認(rèn)為此時(shí)冬季太陽輻射得熱抵消了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱負(fù)荷。由此可以得出冬季抵消太陽輻射所需室內(nèi)外溫差/t,見表三。表三冬季抵消太陽輻射所需室內(nèi)外溫差/t(°c)窗墻比8：009：0010：0011:0012：0013：0014：0015：0016：0017：0011/t(°c)0.24.6815.2830.6045.7953.1961.0547.5123.208.580.00月/t(°c)0.36.4020.9141.8762.6672.7883.5565.0131.7511.730.00/t(°c)0.46.1019.9339.9259.7469.3979.6561.9830.2711.190.00/t(°c)0.57.3724.0848.2272.1583.8196.2174.8636.5613.510.00/t(°c)0.79.6731.6063.2894.70110.0126.398.2647.9817.740.0012/t(°c)0.23.9415.3732.3549.1557.3665.5450.2323.347.220.00月/t(°c)0.35.3921.0344.2767.2678.4989.6968.7431.949.880.00/t(°c)0.45.1420.0542.2164.1374.8385.5165.5430.459.420.00/t(°c)0.56.2124.2250.9877.4690.38103.379.1536.7811.380.00/t(°c)0.78.1531.7966.91101.7118.6135.6103.948.2714.940.001/t(°c)0.24.9217.0834.6952.1150.5669.4853.8625.939.030.00月/t(°c)0.36.7423.3747.4771.3169.1995.0873.7135.4912.350.00/t(°c)0.46.4222.2845.2667.9865.9690.6570.2733.8411.780.00

/t(°c)0.57.7626.9154.6782.1179.67109.584.8840.8714.220.00/t(°c)0.710.1835.3271.75107.8104.6143.7111.453.6418.670.002/t(°c)0.26.0016.9932.5547.8455.5463.7950.5325.7911.060.00月/t(°c)0.38.2123.2544.5465.4776.0187.2969.1535.3015.130.00/t(°c)0.47.8322.1642.4662.4272.4783.2265.9333.6514.430.00/t(°c)0.59.4626.7751.2975.3987.52100.579.6340.6517.420.00/t(°c)0.712.4135.1367.3198.95114.9131.9104.553.3522.870.003/t(°c)0.26.5516.2030.1443.9850.8358.6546.8024.6011.963.80月/t(°c)0.38.9722.1741.2560.1969.5680.2564.0533.6716.375.19/t(°c)0.48.5521.1439.3357.3966.3276.5161.0632.1015.604.95/t(°c)0.510.3325.5347.5069.3180.1092.4173.7538.7718.855.98/t(°c)0.713.5633.5162.3490.97105.1121.396.8050.8824.747.85北京冬季空調(diào)室外計(jì)算溫度為-12°c，空調(diào)室內(nèi)計(jì)算溫度一般取20°c，則冬季室內(nèi)外計(jì)算溫差/t應(yīng)該小于32°c。當(dāng)所需室內(nèi)外溫差/t過大時(shí)，（即太陽輻射得熱形成的冷負(fù)荷CL過大），則認(rèn)為室內(nèi)過熱。對于僅白天工作時(shí)間使用的辦公樓，在晴朗的天氣條件下，可以考慮冬季抵消太陽輻射所需室內(nèi)外溫差/t應(yīng)該小于24°c-25°c。（即認(rèn)為在晴朗的天氣條件下，白天室外溫度不低于-4°c~-5°c。）當(dāng)/七大于50°c時(shí)可以認(rèn)為冬季太陽輻射過大（考慮辦公室開窗通風(fēng)，新風(fēng)量80m3/h，按冬季空調(diào)室外計(jì)算溫度為-12°c,則新風(fēng)負(fù)荷約1.16Kw，折合溫差約為23.2°c），即造成室內(nèi)溫度過高，甚至形成冷負(fù)荷。由表三可以看出即使在冬季太陽輻射得熱最小的12月，窗墻比為0.2，遮陽系數(shù)為0.8的情況下，在晴朗的天氣條件下，11；00-15：00時(shí)冬季太陽輻射得熱仍然可以抵消圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷。為了更直觀的體現(xiàn)冬季太陽熱輻射對房間熱環(huán)境的影響，將不同月份不同時(shí)刻冬季太陽輻射得熱對房間的影響統(tǒng)計(jì)如下。（見表四）表四：冬季太陽輻射得熱對房間的影響統(tǒng)計(jì)表月份窗墻比8：009：0010：0011：0012：0013：0014：0015：0016：0017：00110.2不足抵消過熱抵消不足月0.3不足抵消過熱不足0.4不足抵消過熱不足0.5不足抵消過熱抵消不足0.7不足抵消過熱抵消不足120.2不足抵消過熱抵消不足月0.3不足抵消過熱抵消不足0.4不足抵消過熱抵消不足0.5不足抵消過熱抵消不足0.7不足抵消過熱抵消不足1月0.2不足抵消過熱抵消不足0.3不足抵消抵消過熱抵消不足0.4不足抵消抵消過熱抵消不足0.5不足抵消過熱抵消不足0.7不足抵消過熱不足2月0.2不足抵消過熱抵消不足0.3不足抵消過熱抵消不足0.4不足抵消過熱抵消不足0.5不足抵消過熱抵消不足0.7不足抵消過熱不足3月0.2不足抵消 過熱 抵消不足0.3不足抵消過熱抵消不足0.4不足抵消過熱抵消不足0.5不足抵消抵消過熱抵消不足0.7不足抵消過熱抵消 不足由表4可以看出窗墻比為0.5，遮陽系數(shù)為0.6時(shí)冬季太陽輻射得熱可以抵消的圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷時(shí)段與窗墻比為0.7，遮陽系數(shù)為0.5時(shí)間段相同，但造成室內(nèi)過熱的時(shí)間段略微減少，同時(shí)造成的室內(nèi)室內(nèi)過熱程度較窗墻比為0.7，遮陽系數(shù)為0.5時(shí)要減少一些。過大的窗墻比在冬季晴朗的天氣條件下帶來的較大太陽輻射得熱是造成冬季部分朝向房間過熱的原因，因此可以認(rèn)為冬季部分朝向的窗墻比應(yīng)該比《公建節(jié)能規(guī)范》要求的限制值更為嚴(yán)格。三、夏季太陽輻射對冷負(fù)荷的影響比較夏季的太陽輻射引起的太陽輻射得熱是空調(diào)冷負(fù)荷的重要組成部分，從夏季建筑節(jié)能的角度上來說，減小建筑窗墻比，增加窗玻璃的遮陽系數(shù)是夏季節(jié)能的重要手段，分別計(jì)算上述各種條件下的夏季冷負(fù)荷，并比較不同窗墻比條件下冷負(fù)荷指標(biāo)的增加率。(見表五)表五：夏季負(fù)荷比較窗墻比遮陽系數(shù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷(kW)總冷負(fù)荷(kW)圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷指標(biāo)(w/m)圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)