CN102539121B

CN102539121B - 一种圆柱形幕墙建筑的阳光聚焦安全性分析方法

Info

Publication number: CN102539121B
Application number: CN201210007389.3A
Authority: CN
Inventors: 张溪文; 彭瑞群
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-01-12
Filing date: 2012-01-12
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2032-01-12
Also published as: CN102539121A

Abstract

本发明提供一种圆柱形幕墙建筑的阳光聚焦安全性分析方法，该方法仅利用具体时刻、幕墙参数和待测物体或人体的吸收率ρ三个基本参数，建立了圆柱形幕墙建筑的阳光聚焦温度T_ω和聚焦范围的计算模型，计算得到阳光聚焦温度T_ω和聚焦范围，通过对阳光聚焦温度T_ω和聚焦范围的统计分析，确定圆柱形幕墙建筑对其阳光聚焦方向的建筑或人体的聚光安全性影响；本发明获取基本参数的方法简单，可操作性强；在不改变实际幕墙建筑幕墙参数对其阳光聚焦的影响下，实现了圆柱形幕墙建筑阳光聚焦温度T_ω和聚焦范围

Description

一种圆柱形幕墙建筑的阳光聚焦安全性分析方法

技术领域

本发明涉及一种圆柱形幕墙建筑的阳光聚焦安全性分析方法，适用于圆柱形各种材料的幕墙（包括玻璃幕墙，玻璃和瓷砖混合幕墙，石材幕墙，金属板幕墙，人造化学板材等幕墙）建筑的聚光分析。

背景技术

为了追求建筑上的美观和创新，不少建筑选择凹形设计，如南京图书馆，美国赌城拉斯维加斯的Vdara酒店以及本说明中的大楼等。但凹型建设的大厦，玻璃幕墙就像一面巨大的聚光镜，照射到的地方如有可燃物，就容易发生大火灾及爆炸事件。北京曾经发生过停在玻璃幕墙旁边的一辆小轿车，因玻璃幕墙的反光照射，使车门橡胶密封条熔化流淌。在德国柏林，1987年曾发生过一场大火，警方在建筑物内部始终未能找到起火的原因，最后终于发现对面高层玻璃幕墙产生的聚光造成了这次火灾。2010年9月，美国赌城拉斯维加斯一家新酒店的设计像个凹面镜，导致多个酒店客人被其玻璃墙面聚焦的阳光严重烧伤。

鉴于以上的种种事故，可见在凹形幕墙建筑的安全设计中聚光安全性分析的重要性。因此，圆柱形幕墙建筑的阳光聚焦安全性分析方法解决了圆柱形幕墙建筑的聚光分析问题，填补了凹形幕墙建筑的安全设计中聚光分析的空白。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种圆柱形幕墙建筑的阳光聚焦安全性分析方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种圆柱形幕墙建筑的阳光聚焦安全性分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）确定具体时刻：北半球建筑选取了6月15日——9月15日三个月时间为计算时段，南半球建筑则选取12月15日——3月15日为计算时段，每隔1~5天计算一次；

（2）确定圆柱形幕墙建筑的幕墙参数（方位角γ、半径R和反射率R_f）；

（3）确定待定物体或人体的吸收率ρ；

（4）利用步骤1、2和3所确定的具体时刻、幕墙参数（方位角γ、半径R和反射率R_f）和待测物体或人体的吸收率ρ计算中间变量：太阳赤纬δ、时角ω、太阳高度角α和太阳方位角A、太阳入射角θ；太阳入射光线截圆柱形玻璃幕墙的相贯椭圆的长轴a、焦距c、弧长L；水平面和圆柱形幕墙墙面上的直射辐射强度I_D 和I_P；聚焦线上的直射辐射强度I_F；进而计算出聚焦温度T_ω和聚焦范围；

（5）对步骤4得到的聚焦温度T_ω和聚焦范围进行统计，得到圆柱形幕墙建筑在计算时段内的最高聚焦温度T_ω和聚焦范围分布，从而确定圆柱形幕墙建筑对其阳光聚焦方向的建筑或人体的聚光安全性影响；当且仅当待测物体或人体处在聚焦范围内且圆柱形幕墙建筑的最高聚焦温度T_ω已超过待测物体或人体的所能承受的最高温度，表明该建筑对待测物体或人体存在阳光聚焦安全隐患。

本发明的有益效果在于：首先本发明获取基本参数方法简单，可操作性强。其次，本发明在不改变实际幕墙建筑幕墙参数对其阳光聚焦的影响下，实现了圆柱形幕墙建筑阳光聚焦温度T_ω和聚焦范围的实时监测。最后，所建立的圆柱形幕墙建筑的阳光聚焦温度和聚焦范围的计算模型填补了填补目前凹形幕墙建筑安全设计中聚光分析的空白，并解决了工程应用中圆柱形幕墙建筑聚光分析的问题。

附图说明

图1 显示的是本发明的计算流程图；

图2 显示的是本发明实施案例中的大楼平面图。

具体实施方式

如图1所示，本发明圆柱形幕墙建筑的阳光聚焦安全性分析方法，包括以下步骤：

1、确定具体时刻：为了计算得到圆柱形幕墙建筑在一年中的最高阳光聚焦温度，北半球建筑选取了6月15日——9月15日三个月时间为计算时段，南半球建筑则选取12月15日——3月15日为计算时段，可根据对数据可靠性的需求，每隔1~5天计算一次。

2、确定圆柱形幕墙建筑的幕墙参数（方位角γ、半径R和反射率R_f）。可以从建筑设计图纸上得到其幕墙方位角γ和幕墙半径R；单一幕墙材料的反射率R_f可以通过查阅相关资料或紫外可见分光光度计直接测量得到，混合幕墙材料的反射率R_f可以通过查阅相关资料或紫外可见分光光度计分别测量各组成材料的反射率，再根据图纸上各组成材料的比例，计算得到混合幕墙材料的反射率R_f。

3、确定待定物体或人体的吸收率ρ。吸收率ρ同样可以通过查阅相关资料或紫外可见分光光度计直接测量得到。

4、利用步骤1、2和3所确定的具体时刻、幕墙参数（方位角γ、半径R和反射率R_f）和待测物体或人体的吸收率ρ三个基本参数计算中间变量：太阳赤纬δ、时角ω、太阳高度角α和太阳方位角A、太阳入射角θ；太阳入射光线截圆柱形玻璃幕墙的相贯椭圆的长轴a、焦距c、弧长L；水平面和圆柱形幕墙墙面上的直射辐射强度I_D 和I_P；聚焦线上的直射辐射强度I_F。进而计算出聚焦温度T_ω和聚焦范围。具体如下：

4.1、太阳赤纬δ、时角ω、太阳高度角α和太阳方位角A分别为：

；

上式中，n为为一年之中第n天，如：在春分，n=81；太阳时间=标准时间+时差+4×（标准时间的经度-当地实际经度）；太阳时间的单位是分钟；为当地纬度，如杭州市的纬度。

4.2、太阳入射角θ；太阳入射光线截圆柱形玻璃幕墙的相贯椭圆的长轴a、焦距c、弧长L；水平面和圆柱形幕墙墙面上的直射辐射强度I_D和I_P；聚焦线上的直射辐射强度I_F通过下式得到：

；

上式中，ξ为大楼圆柱形玻璃幕墙的倾角，故一般ξ=90º，γ为大楼圆柱形玻璃幕墙的方位角（以正南方向为0，向东为负），其上限为γ₂，下限为γ₁；，b=R，R为圆柱形幕墙的半径，α为太阳高度角，e为离心率，即e=c/a，t为积分变量；I₀为穿过大气层到达地面的直接太阳辐射，取太阳常数为1.94Cal/(cm²•min)，大气透过率为70%，则I₀的值为1.94×70%；S为聚焦线的长度，。

4.3、通过下式得到聚焦温度T_ω和聚焦范围：

，；

上式中，Te为大气温度，℃；ρ为吸收表面的吸收率；为经验数据；h_ω为对流换热系数，KCal/（m²∙h∙℃）；，V为空气流动速度，m/s； R_f为圆柱形玻璃幕墙的反射率，L为玻璃幕墙与太阳入射光相交部分椭圆的弧长。从而计算得到聚焦温度T_ω和聚焦范围。

5、对步骤4得到的聚焦温度T_ω和聚焦范围进行统计，得到圆柱形幕墙建筑在计算时段内的最高聚焦温度T_ω和聚焦范围分布，从而确定圆柱形幕墙建筑对其阳光聚焦方向的建筑或人体的聚光安全性影响。当且仅当待测物体或人体处在聚焦范围内且圆柱形幕墙建筑的最高聚焦温度T_ω已超过待测物体或人体的所能承受的最高温度，表明该建筑对待测物体或人体存在阳光聚焦安全隐患。

下面结合实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。

实施例

现有一杭州大楼的平面图如图2所示，其阳光聚焦对正面建造的附属设施的影响需要进行分析，为方便计算，其中大气温度Te直接取历史最高温度42.1℃，运用本发明对该大楼进行聚光分析过程如下：

1、确定具体时刻。中国杭州处在北半球，故选取了6月15日——9月15日三个月时间为计算时段，每隔5天计算一次。

2、确定圆柱形幕墙建筑的幕墙参数（方位角γ、半径R和反射率R_f）。由图纸2可知其幕墙方位角γ为-11°~-79°，半径R为30m；该大楼幕墙为茶色玻璃、白色瓷砖和两种黄色瓷砖组成的混合幕墙材料，通过紫外可见分光光度计以632.8nm为测试波长分别测试得到其反射率为6%、2.4%、4%和4%，再根据图纸山茶色玻璃及装贴瓷砖的比例，得到该大楼幕墙的反射率R_f为5%。

3、确定待测物体或人体的吸收率ρ。该大楼附属设施的屋顶结构为混凝土，查阅资料，发现其吸收率ρ为0.6。

4、利用步骤1、2、3所确定的具体时刻、幕墙参数（方位角γ、半径R和反射率R_f）和待测物体或人体的吸收率ρ三个基本参数计算中间变量：太阳赤纬δ、时角ω、太阳高度角α和太阳方位角A、太阳入射角θ；太阳入射光线截圆柱形玻璃幕墙的相贯椭圆的长轴a、焦距c、弧长L；水平面和圆柱形幕墙墙面上的直射辐射强度I_D 和I_P；聚焦线上的直射辐射强度I_F。进而计算出聚焦温度T_ω和聚焦范围。计算得到该大楼在6月15日——9月15日三个月时间里的聚焦温度T_ω和聚焦范围如表1所示。

表1：本发明实施案例中的大楼聚焦温度T_ω和聚焦范围的计算结果

一年中的时间	最高温度的时刻	最高温度值Te/℃	聚焦线在水平面的投影/m
				6月15日	12:30	112	0.43
6月20日	12:30	113	0.38
				6月25日	12:30	113	0.39
6月30日	12:30	112	0.40
				7月5日	12:30	112	0.40
7月10日	12:30	111	0.44
				7月15日	12:30	111	0.48
7月20日	12:30	109	0.55
				7月25日	12:30	107	0.65
7月30日	12:30	106	1.31
				8月5日	13:00	104	1.52
8月10日	13:00	103	1.72
				8月15日	13:00	102	1.95
8月20日	13:00	100	2.30
				8月25日	13:00	99	2.61
8月30日	13:00	97	2.96
				9月5日	13:00	95	3.52
9月10日	13:00	94	4.06
				9月15日	13:00	92	4.54

具体计算过程如下：

；

4.3、通过下式得到聚焦温度T_ω和聚焦范围：

，；

5、对步骤4）得到的聚焦温度T_ω和聚焦范围结果表用word、excel或spss之类的统计软件进行排序操作，即可得到该大楼在计算时段内的最高聚焦温度为113℃和聚焦范围为0.38~4.54m，因聚焦范围远小于附属设施与大楼幕墙的距离R，30m，故该大楼的阳光聚焦对其附属设施没有影响。

Claims

1.一种圆柱形幕墙建筑的阳光聚焦安全性分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)确定具体时刻：北半球建筑选取了6月15日——9月15日三个月时间为计算时段，南半球建筑则选取12月15日——3月15日为计算时段，每隔1～5天计算一次；

(2)确定圆柱形幕墙建筑的幕墙参数，所述幕墙参数包括方位角γ、半径R和反射率R_f；

(3)确定待定物体或人体的吸收率ρ；

(4)利用步骤(1)、步骤(2)和步骤(3)所确定的具体时刻、幕墙参数和待测物体或人体的吸收率ρ计算中间变量：太阳赤纬δ、时角ω、太阳高度角α和太阳方位角A、太阳入射角θ；太阳入射光线截圆柱形玻璃幕墙的相贯椭圆的长轴a、焦距c、弧长L；水平面和圆柱形幕墙墙面上的直射辐射强度I_D和I_P；聚焦线上的直射辐射强度I_F；进而计算出聚焦温度T_ω和聚焦范围l；

(5)对步骤(4)得到的聚焦温度T_ω和聚焦范围l进行统计，得到圆柱形幕墙建筑在计算时段内的最高聚焦温度T_ω和聚焦范围l分布，从而确定圆柱形幕墙建筑对其阳光聚焦方向的建筑或人体的聚光安全性影响；当且仅当待测物体或人体处在聚焦范围l内且圆柱形幕墙建筑的最高聚焦温度T_ω已超过待测物体或人体的所能承受的最高温度，表明该建筑对待测物体或人体存在阳光聚焦安全隐患；

所述步骤(4)包括以下子步骤：

(4.1)得到太阳赤纬δ、时角ω、太阳高度角α和太阳方位角A：

ω＝15°×(12-太阳时间)；

sinα＝sinφsinδ+cosφcosδcosω；

其中，n为一年之中第n天；太阳时间＝标准时间+时差+4×(标准时间的经度-当地实际经度)；太阳时间的单位是分钟；φ为当地纬度；

(4.2)获得太阳入射角θ；太阳入射光线截圆柱形玻璃幕墙的相贯椭圆的长轴a、焦距c、弧长L；水平面和圆柱形幕墙墙面上的直射辐射强度I_D和I_P；聚焦线上的直射辐射强度I_F：

cosθ＝sinδsinφcosξ-sinδcosφsinξcosγ+cosδcosφcosξcosω+cosδsinφsinξcosωcosγ+cosδsinξsinωsinγ；

I_D＝I₀cosθ＝1.94×70％·sinα；

其中，ξ为大楼圆柱形玻璃幕墙的倾角，ξ＝90°，γ为大楼圆柱形玻璃幕墙的方位角，以正南方向为0，向东为负，其上限为γ₂，下限为γ₁，b＝R，R为圆柱形幕墙的半径，α为太阳高度角，e为离心率，即e＝c/a，t为积分变量；I₀为穿过大气层到达地面的直接太阳辐射，取太阳常数为1.94Cal/(cm²·min)，大气透过率为70％，则I₀的值为1.94×70％；S为聚焦线的长度，

(4.3)最终得到聚焦温度T_ω和聚焦范围l：

l＝Scosα；

上式中，Te为大气温度，℃；ρ为吸收表面的吸收率；为经验数据；h_ω为对流换热系数，KCal/(m²·h·℃)；h_ω＝5.7+3.8V，V为空气流动速度，m/s；R_f为圆柱形玻璃幕墙的反射率，L为玻璃幕墙与太阳入射光相交部分椭圆的弧长；从而计算得到聚焦温度T_ω和聚焦范围l。