1、 冬季太阳辐射对房间负荷影响分析 北京市建筑设计研究院 赵丽 【摘要】分析了太阳辐射在不同季节特别是冬季对房间负荷的影响，进而对空调能耗的影响，指出冬季部分朝向过大的窗墙比是造成建筑物室内过热的主要原因，并通过对北京地区南向房间的太阳辐射计算分析冬季太阳辐射对房间负荷的影响，给出满足降低冬季采暖能耗条件下并保证全年节能时适宜的南向窗墙比限值。 【关键词】太阳辐射得热 窗墙比 冬季部分朝向室内过热 近几年来，公共建筑为了更加通透明亮，窗墙比有越来越增大的趋势，但不断增大的窗墙比所造成的空调期太阳辐射得热引起的负荷给建筑物的室内环境也造成了很多困扰。 对于建筑物的热环境来说，太阳辐射是一项重要的外
2、扰，特别是透过窗墙比较大的建筑物，透过玻璃窗直接射入室内的辐射热，对房间的温度状况有着非常大的影响。在夏季通过外窗进入室内的太阳辐射增加了夏季空调能耗， 在冬季通过外窗进入室内的太阳辐射有利于降低冬季采暖能耗，所以对于透过外窗的太阳辐射公共建筑节能设计标准【 GB50189-2005】（以下简称公建节能规范）中是根据不同的气候条件分别对待的。对于夏热冬暖地区和夏热冬冷地区， 认为夏季空调期的太阳辐射引起的太阳辐射得热是主要矛盾，因此对该地区外窗的遮阳系数要求较高，而对于寒冷地区和严寒地区，认为进入室内的太阳辐射有利于降低冬季采暖能耗，而冬季采暖能耗在全年总能耗中占主导地位，故而对这两个地区的建
3、筑遮阳系数要求较低 （其中对严寒地区外窗的遮阳系数没有限制） 。 通过实地调查在北京的部分工程发现过大的窗墙比造成了冬季通过外窗进入室内的太阳辐射过大，甚至造成了冬季部分朝向建筑室内的过热，过大的太阳辐射热还延长了过渡季的空调供冷时间，造成了全年建筑能耗的增加。以某办公楼为例，在冬季即使是最寒冷的时候，只要是有太阳出现的情况下，南侧办公室均过热，办公室人员均采用开窗等其他手段降温。在 3 月份刚刚停暖的时候，北侧的办公室通常还会感觉有点冷，而此时的南向房间就已经过热严重了。在每年 4 月份及 5 月初大楼没有空调供冷时 (即过渡季时 )，南向的办公室过热相当严重，这时单纯的开窗通风等措施已经不
4、能缓解办公室的过热，很多人都采用自带电扇或用报纸贴在玻璃上的方式解决过热问题， 通常大楼的空调系统不得不提前投入使用。这种情况就说明在冬季部分朝向的冬季进入室内的太阳辐射热过大，已经远远大于其他外维护结构的冬季热负荷，进而可以得出部分朝向的窗墙比过大，或外窗的遮阳系数过大。为此笔者进行了冬季太阳辐射热负荷的计算。计算方法参照采暖通风与空气调节设计规范 GB50019-2003（以下简称暖通规范 ）中夏季太阳辐射热负荷的计算。 一、冬夏季围护结构传热负荷及不同月份太阳辐射得热形成的冷负荷计算 根据暖通规范中 6.1.10 条透过玻璃窗进入空调区的太阳辐射热量，应根据当地的太阳辐射照度、外窗的构造
5、、遮阳设施的类型、附近高大建筑或遮挡物的影响 通过计算确定。同时暖通规范 6.2.11 规定透过玻璃窗进入空调区的太阳辐射热形成的冷负荷，应根据本规范第 6.2.10 条得出的太阳辐射热量，考虑外窗遮阳设施的种类、室内空气分布特点以及空调区的蓄热特性等因素，通过计算确定。透过玻璃窗进入室内的日射得热分为两部分， 即透过玻璃窗直接进入室内的太阳辐射热和窗玻璃吸收太阳辐射后传入室内的热量。 1.透过玻璃单位面积射入室内的太阳辐射得热按下式计算【 2】q1=0.889CZI q1-透过单位面积玻璃的太阳辐射得热， W/m2I-太阳辐射照度， W/m2（ I 值参见民用建筑热工设计规程 【 JGJ24
6、-86】附表 2.3） CZ-窗户的综合遮挡系数， 2.透过单位面积玻璃传递的热量，该热量直接形成房间冷负荷，按下式计算 CL2=q2=K（ tW-tN） CL2-单位面积玻璃玻璃传递的热量形成的冷负荷， W/m2q2-透过单位面积玻璃传递的热量， W/m2K-玻璃传热系数， W/（ m2.K） tW-室外温度，o C tN-室内温度，o C 3.透过玻璃单位面积射入室内的太阳辐射得热形成的冷负荷按下式计算 CL=CLQ q1 CL-透过单位面积玻璃的太阳辐射得热形成的冷负荷， W/m2q1-透过单位面积玻璃的太阳辐射得热， W/m2CLQ-冷负荷系数， 以北京地区某办公楼标准层房间为计算对象
7、，该办公楼体形系数 0.3,办公室房间尺寸 9x5x3.6m，房间只有一面南外墙，分别计算不同窗墙比条件下的太阳辐射得热负荷和围护结构总传热负荷。房间窗墙比和遮阳系数均取公建节能规范限值（窗墙比为 0.2和 0.3 时公建节能规范对遮阳系数无限制，取 0.8） 计算结果见表一、表二： 表一 围护结构总传热负荷 Q（ W）（ t 为室内外温差） 窗墙比 外墙传热系数W/(m2.K) 外墙面积 （ m2） 外墙传热负荷 （ W） 外窗传热系数W/(m2.K)遮阳系数 外窗面积（ m2）外窗传热负荷（ W） 总传热负荷 Q（ W）0.2 0.6 36 21.6 t 3.5 0.8 9 25.2 t
8、46.8 t 0.3 0.6 31.5 18.9 t 3 0.8 13.5 32.4 t 51.3 t 0.4 0.6 27 16.2 t 2.7 0.7 18 34.02 t 50.22 t0.5 0.6 22.5 13.5 t 2.3 0.6 22.5 31.05 t 44.55 t0.7 0.6 13.5 8.1 t 2.0 0.5 31.5 31.5 t 39.6 t 表二 不同月份太阳辐射得热形成的冷负荷 CL （ w） 窗墙比 8： 00 9： 00 10： 00 11： 00 12： 00 13： 00 14： 00 15： 00 16： 00 17： 000.2 CL(W) 1
9、27.98 255.15 629.28 1015.2 1211.6 1359.4 977.04 391.14 234.63 129.600.3 CL(W) 191.97 382.73 943.92 1522.8 1817.4 2039.0 1465.6 586.71 351.95 194.400.4 CL(W) 179.17 357.21 880.99 1421.3 1696.2 1903.1 1367.9 547.60 328.48 181.440.5 CL(W) 191.97 382.73 943.92 1522.8 1817.4 2039.0 1465.6 586.71 351.95 1
10、94.407月 0.7 CL(W) 223.97 446.51 1101.2 1776.6 2120.3 2378.9 1709.8 684.50 410.60 226.800.2 CL(W) 218.91 715.05 1432.0 2143.0 2489.2 2857.3 2223.4 1085.8 401.33 0.00 0.3 CL(W) 328.36 1072.6 2148.0 3214.5 3733.8 4286.0 3335.1 1628.7 602.00 0.00 0.4 CL(W) 306.47 1001.1 2004.8 3000.2 3484.9 4000.2 3112.
11、8 1520.1 561.86 0.00 0.5 CL(W) 328.36 1072.6 2148.0 3214.5 3733.8 4286 3335.1 1628.7 602.00 0.00 11月 0.7 CL(W) 383.09 1251.3 2506.0 3750.2 4356.1 5000.3 3891.0 1900.2 702.33 0.00 0.2 CL(W) 184.34 719.37 1514.1 2300.5 2684.3 3067.3 2350.9 1092.4 337.96 0.00 0.3 CL(W) 276.51 1079.1 2271.2 3450.7 4026.
12、4 4600.9 3526.3 1638.6 506.94 0.00 12月 0.4 CL(W) 258.08 1007.1 2119.8 3220.6 3758.0 4294.2 3291.2 1529.3 473.15 0.00 0.5 CL(W) 276.51 1079.1 2271.2 3450.7 4026.4 4600.9 3526.3 1638.6 506.94 0.00 0.7 CL(W) 322.60 1258.9 2649.7 4025.8 4697.5 5367.7 4114.0 1911.7 591.43 0.00 0.2 CL(W) 230.43 799.30 162
13、3.6 2438.7 2366.2 3251.6 2520.8 1213.8 422.45 0.00 0.3 CL(W) 345.64 1199.0 2435.3 3658.1 3549.3 4877.4 3781.2 1820.6 633.68 0.00 0.4 CL(W) 322.60 1119.0 2273.0 3414.2 3312.7 4552.3 3529.1 1699.3 591.43 0.00 0.5 CL(W) 345.64 1199.0 2435.3 3658.1 3549.3 4877.4 3781.2 1820.6 633.68 0.00 1月 0.7 CL(W) 40
14、3.25 1398.8 2841.2 4267.7 4140.9 5690.3 4411.4 2124.1 739.29 0.00 0.2 CL(W) 280.84 794.98 1523.2 2239.0 2599.4 2985.3 2365.0 1207.2 517.50 0.00 0.3 CL(W) 421.25 1192.5 2284.9 3358.5 3899.2 4478.0 3547.5 1810.8 776.26 0.00 0.4 CL(W) 393.17 1113.0 2132.5 3134.6 3639.2 4179.5 3311.0 1690.1 724.51 0.00
15、0.5 CL(W) 421.25 1192.5 2284.9 3358.5 3899.2 4478.0 3547.5 1811.0 776.26 0.00 2月 0.7 CL(W) 491.46 1391.2 2665.7 3918.3 4549.0 5224.3 4138.8 2112.6 905.63 0.00 0.2 CL(W) 306.76 758.25 1410.7 2058.5 2378.9 2744.7 2190.4 1151.4 559.75 177.620.3 CL(W) 460.14 1137.4 2116.1 3087.8 3568.4 4117.0 3285.5 172
16、7.1 839.62 266.430.4 CL(W) 429.46 1061.6 1975.0 2881.9 3330.5 3842.5 3066.5 1612.0 783.65 248.670.5 CL(W) 460.14 1137.4 2116.1 3087.8 3568.4 4117.0 3285.5 1727.1 839.62 266.433月 0.7 CL(W) 536.83 1327.0 2468.8 3602.4 4163.1 4803.2 3833.1 2015.0 979.56 310.84由表二可以看出 ; 由于太阳入射角度的不同，相同窗墙比条件下，相同时刻南向冬季太阳辐射
17、得热形成的冷负荷值比夏季太阳辐射得热形成的冷负荷值还要大。 （夏季屋顶水平面太阳辐射强度最大。而垂直投影面较小。 ）这也是冬季南向办公室容易过热的主要原因。 二、冬季太阳辐射对室内参数的影响 由表 2 可以看出冬季太阳辐射得热形成的冷负荷数值还是很可观的。 当围护结构总传热负荷 Q 和太阳辐射得热形成的冷负荷 CL 相等时，可以认为此时冬季太阳辐射得热抵消了围护结构的传热负荷。由此可以得出冬季抵消太阳辐射所需室内外温差 t，见表三。 表三 冬季抵消太阳辐射所需室内外温差 t（o c） 窗墙比 8： 00 9： 00 10： 00 11： 00 12： 00 13： 00 14： 00 15：
18、00 16： 00 17： 00 t（o c） 0.2 4.68 15.28 30.60 45.79 53.19 61.05 47.51 23.20 8.58 0.00 t（o c） 0.3 6.40 20.91 41.87 62.66 72.78 83.55 65.01 31.75 11.73 0.00 t（o c） 0.4 6.10 19.93 39.92 59.74 69.39 79.65 61.98 30.27 11.19 0.00 t（o c） 0.5 7.37 24.08 48.22 72.15 83.81 96.21 74.86 36.56 13.51 0.0011月 t（o c
19、） 0.7 9.67 31.60 63.28 94.70 110.0 126.3 98.26 47.98 17.74 0.00 t（o c） 0.2 3.94 15.37 32.35 49.15 57.36 65.54 50.23 23.34 7.22 0.00 t（o c） 0.3 5.39 21.03 44.27 67.26 78.49 89.69 68.74 31.94 9.88 0.00 t（o c） 0.4 5.14 20.05 42.21 64.13 74.83 85.51 65.54 30.45 9.42 0.00 t（o c） 0.5 6.21 24.22 50.98 77.4
20、6 90.38 103.3 79.15 36.78 11.38 0.0012月 t（o c） 0.7 8.15 31.79 66.91 101.7 118.6 135.6 103.9 48.27 14.94 0.00 t（o c） 0.2 4.92 17.08 34.69 52.11 50.56 69.48 53.86 25.93 9.03 0.00 t（o c） 0.3 6.74 23.37 47.47 71.31 69.19 95.08 73.71 35.49 12.35 0.00 t（o c） 0.4 6.42 22.28 45.26 67.98 65.96 90.65 70.27 33
21、.84 11.78 0.00 t（o c） 0.5 7.76 26.91 54.67 82.11 79.67 109.5 84.88 40.87 14.22 0.001月 t（o c） 0.7 10.18 35.32 71.75 107.8 104.6 143.7 111.4 53.64 18.67 0.00 t（o c） 0.2 6.00 16.99 32.55 47.84 55.54 63.79 50.53 25.79 11.06 0.00 t（o c） 0.2 6.00 16.99 32.55 47.84 55.54 63.79 50.53 25.79 11.06 0.00 t（o c）
22、 0.3 8.21 23.25 44.54 65.47 76.01 87.29 69.15 35.30 15.13 0.00 （o ） 0.4 7.83 22.16 42.46 62.42 72.47 83.22 65.93 33.65 14.43 t（o c） 0.5 9.46 26.77 51.29 75.39 87.52 100.5 79.63 40.65 17.42 0.002月 t（o c） 0.7 12.41 35.13 67.31 98.95 114.9 131.9 104.5 53.35 22.87 0.00 t（o c） 0.2 6.55 16.20 30.14 43.98
23、50.83 58.65 46.80 24.60 11.96 3.80 t（o c） 0.3 8.97 22.17 41.25 60.19 69.56 80.25 64.05 33.67 16.37 5.19 t（o c） 0.4 8.55 21.14 39.33 57.39 66.32 76.51 61.06 32.10 15.60 4.95 t（o c） 0.5 10.33 25.53 47.50 69.31 80.10 92.41 73.75 38.77 18.85 5.98 t（o c） 0.7 13.56 33.51 62.34 90.97 105.1 121.3 96.80 50.8
24、8 24.74 7.85北京冬季空调室外计算温度为 -12o c，空调室内计算温度一般取 20o c，则冬季室内外计算温差 t 应该小于 32o c。当所需室内外温差 t 过大时， （即太阳辐射得热形成的冷负荷 CL 过大） ，则认为室内过热。对于仅白天工作时间使用的办公楼，在晴朗的天气条件下，可以考虑冬季抵消太阳辐射所需室内外温差 t 应该小于 24o c-25o c。（即认为在晴朗的天气条件下，白天室外温度不低于 -4o c-5o c。）当 t 大于 50o c 时可以认为冬季太阳辐射过大（考虑办公室开窗通风，新风量 80m3/h，按冬季空调室外计算温度为 -12o c，则新风负荷约 1.
25、16Kw，折合温差约为 23.2o c），即造成室内温度过高，甚至形成冷负荷。由表三可以看出即使在冬季太阳辐射得热最小的 12 月，窗墙比为 0.2，遮阳系数为 0.8的情况下，在晴朗的天气条件下， 11； 00-15： 00 时冬季太阳辐射得热仍然可以抵消围护结构传热负荷。为了更直观的体现冬季太阳热辐射对房间热环境的影响，将不同月份不同时刻冬季太阳辐射得热对房间的影响统计如下。（见表四） 表四：冬季太阳辐射得热对房间的影响统计表 月份 窗墙比 8： 00 9： 00 10： 00 11： 00 12： 00 13： 00 14： 00 15： 00 16： 00 17： 00 0.2 不足
26、抵消 过热 抵消 不足 0.3 不足 抵消 过热 不足 0.4 不足 抵消 过热 不足 0.5 不足 抵消 过热 抵消 不足 11月 0.7 不足 抵消 过热 抵消 不足 0.2 不足 抵消 过热 抵消 不足 0.3 不足 抵消 过热 抵消 不足 0.4 不足 抵消 过热 抵消 不足 0.5 不足 抵消 过热 抵消 不足 12月 0.7 不足 抵消 过热 抵消 不足 0.2 不足 抵消 过热 抵消 不足 0.3 不足 抵消 抵消 过热 抵消 不足 0.4 不足 抵消 抵消 过热 抵消 不足 0.5 不足 抵消 过热 抵消 不足 1 月 0.7 不足 抵消 过热 不足 0.2 不足 抵消 过热
27、抵消 不足 0.3 不足 抵消 过热 抵消 不足 0.4 不足 抵消 过热 抵消 不足 0.5 不足 抵消 过热 抵消 不足 2 月 0.7 不足 抵消 过热 不足 0.2 不足 抵消 过热 抵消 不足 0.3 不足 抵消 过热 抵消 不足 0.4 不足 抵消 过热 抵消 不足 0.5 不足 抵消 抵消 过热 抵消 不足 3 月 0.7 不足 抵消 过热 抵消 不足 由表 4 可以看出窗墙比为 0.5，遮阳系数为 0.6 时冬季太阳辐射得热可以抵消的围护结构热负荷时段与窗墙比为 0.7，遮阳系数为 0.5 时间段相同，但造成室内过热的时间段略微减少， 同时造成的室内室内过热程度较窗墙比为 0.
28、7， 遮阳系数为 0.5 时要减少一些。 过大的窗墙比在冬季晴朗的天气条件下带来的较大太阳辐射得热是造成冬季部分朝向房间过热的原因，因此可以认为冬季部分朝向的窗墙比应该比公建节能规范要求的限制值更为严格。 三、夏季太阳辐射对冷负荷的影响比较 夏季的太阳辐射引起的太阳辐射得热是空调冷负荷的重要组成部分， 从夏季建筑节能的角度上来说，减小建筑窗墙比，增加窗玻璃的遮阳系数是夏季节能的重要手段，分别计算上述各种条件下的夏季冷负荷，并比较不同窗墙比条件下冷负荷指标的增加率。 （见表五） 表五：夏季负荷比较 窗墙比 遮阳 系数 围护结构冷负荷（ kW） 总冷负荷（ kW）围护结构冷负荷指标（ W/m2）围
29、护结构冷负 荷指标增加率 总冷负荷 指（ W/m2） 总冷负荷指标增加率 0.2 0.8 1.59 3.8 35.3 0 84.4 0 0.3 0.8 2.35 4.5 52.2 0.48 100 0.18 0.4 0.7 2.73 4.95 60. 7 0.72 110 0.30 0.5 0.6 2.92 5.13 64. 9 0.84 114 0.35 0.7 0.5 3.41 5.62 75. 8 1.14 124.9 0.48 由表五可以发现当窗墙比为 0.7， 遮阳系数为 0.5 时夏季总空调负荷比窗墙比为 0.5，遮阳系数为 0.6 时有一个较大幅度的增长，可以认为当窗墙比大于 0
30、.5 时，夏季空调负荷值增加较快，即建筑夏季能耗增长过快。 四、北京地区建筑节能前提下较为合理的窗墙比限值 综上所述，从降低建筑能耗的角度出发，必须严格限制建筑的窗墙比。对于建筑窗墙比需要严格限制，全国及各地的节能标准已经达成共识，但对于具体的限值，各标准要求不尽相同，公建节能规范对于建筑窗墙比规定的限制值为 0.70。而北京市地方标准公共建筑节能设计标准【 DBJ01-621-2005】对于窗墙比就比公建节能规范有所放开，其中对于南向窗墙比就可以放开可以超过 0.7，甚至可以达到 1，笔者通过计算认为在建筑节能前提下对于北京地区，南向、西向和西南向的窗墙比宜控制在 0.5 以内。但随着现在公
31、共建筑形式的多样化，建筑形态的不断丰富，建筑师为了建筑立面美观的需要，渐有建筑窗墙比不断增大的趋势。限制过小的窗墙比，会限制建筑师的建筑创意，同时也在一定程度上影响建筑物的通透和采光，在制定节能规范时应充分考虑这两点因素，建议各地节能规范的编制部门应积极做好本地区的各朝向冬季太阳热辐射计算这项基础性工作，并以该计算结果为依据，更加合理的制定出适宜本地区光照条件的不同朝向的窗墙比限值和遮阳系数限值。 参考文献： (1) 中华人民共和国建设部 .采暖通风与空气调节设计规范（ GB50019-2003） M.北京：中国计划出版社， 2003 (2) 陆耀庆 .实用供热空调设计手册 (第二版 )M.北京：中国建筑工业出版社， 2008 (3) 中华人民共和国建设部 .公共建筑节能设计标准（ GB50189-2005） M.北京：中国建筑工业出版社， 2005 (4) 中华人民共和国建设部 .民用建筑热工设计规程 （ JGJ24-86） M.北京： 中国计划出版社， 1993 冬季太阳辐射对房间负荷影响分析作者： 赵丽作者单位： 北京市建筑设计研究院引用本文格式：赵丽 冬季太阳辐射对房间负荷影响分析会议论文 2010
