CN112902277A - 周围无建筑分布侧向采光集热一体化多层建筑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种周围无建筑分布侧向采光集热一体化多层建筑，该建筑为五层办公建筑，周围无建筑分布；每层均为双面布房结构，其中间为走廊，走廊的两端设有侧窗结构；南向和北向房间均为单侧窗结构；在南向房间窗台的外侧挂装有太阳能集热器，包括安装槽、集热器、进水口和出水口、T型挂件、安装框和安装板、温度传感器、电动卷帘组件。本发明充分利用空间，在保证阳台强度的前提下增设有板式太阳能集热器，将太阳能转换为热能供室内采暖或热水使用，可根据不同季节的需要开或关集热器；本发明还可作为新风换气使用；本发明采光设计合理，融合了建筑光热一体化的设计理念，对充分利用自然光，推动太阳能在建筑中的应用以节约能源具有重要意义。

Description

周围无建筑分布侧向采光集热一体化多层建筑
技术领域
本发明属于建筑采光集热技术领域，尤其涉及一种周围无建筑分布侧向采光集热一体化多层建筑。
背景技术
节能减排是当前全球关注的重点，在建筑节能设计中采光节能设计必须进入设计师的考虑之中，以建立优质高效、经济舒适、安全可靠的照明环境。
阳光的辐射是建筑设计中光、热的主要影响因素，因此在节能设计中对太阳能辐射的利用应当谨慎，要协调处理其在分区标准和设计要求两方面的矛盾。
光气候的分区指标是照度，而热工分区的主要指标则是温度。同一地区可能分属不同的光气候区与热工区，节能设计要求也就自然不同。因此建筑设计要想达到采光节能的目的，必须协调光、热在建筑设计中的矛盾，以制定完善的光气候区分标准和物理环境参数。
本设计建筑物地处武汉市，北面为公园绿化用地，地势平坦，四周无建筑物遮挡。环境方面，武汉属北亚热带季风性湿润气候，有雨量充沛、日照充足、夏季酷热、冬季寒冷的特点。一般年均气温15.8℃-17.5℃,一年中，1月平均气温最低，0.4℃，7、8月平均气温最高，28.7℃。夏季极长达135天，因武汉地处北纬30度，夏季正午太阳高度可达38°，又地处内陆、距海洋远，地形如盆地故集热容易散热难，河湖多故夜晚水汽多，加上城市热岛效应和伏旱时副高控制，十分闷热，是中国三大火炉之一，夏天普遍高于37℃，极端最高气温44.5℃。初夏梅雨季节雨量集中，年降水量为1100毫米。
另外，对于该地区没有集中供热，周边市民通过分散小锅炉、电暖设备和安装燃气壁挂锅炉等方式解决家庭供暖问题。但由于能耗高、污染大、不经济、不安全等问题，并非最优方案。
为此，本发明设计一种采光效果好，且可以利用太阳能进行取暖、热水供应的周围无建筑分布侧向采光集热一体化多层建筑。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种采光效果好，且可以利用太阳能进行取暖的周围无建筑分布侧向采光集热一体化多层建筑。
本发明是这样实现的，一种周围无建筑分布侧向采光集热一体化多层建筑，其特征在于：该建筑为五层办公建筑，五层办公建筑的周围均无建筑分布，五层建筑的每层均为双面布房结构，其中间为走廊，走廊的两端均设有侧窗结构；南向房间和北向房间均为单侧窗结构；南向房间和北向房间单侧窗的规格均为2400×2400mm，窗台高为800mm；在南向房间的窗台的外侧沿宽度方向设有上端开放的板式太阳能集热器安装槽；在每个板式太阳能集热器安装槽内均挂装有板式太阳能集热器，所述板式太阳能集热器的进水口和出水口分别对应连接预埋在建筑墙体内进水管和预埋在楼板内的地板采暖管；在板式太阳能集热器安装槽内沿窗台宽度方向设有两个T型挂件，T型挂件上挂装有板式太阳能集热器；所述板式太阳能集热器包括板式换热器安装框和板式换热器安装板，在板式换热器安装框内所述板式换热器安装板上固定安装有板式太阳能集热器主体，所述太阳能集热器主体上设有采集实时温度的温度传感器，所述温度传感器连接温控器；其中所述板式换热器安装框的两个立框上设有与上述T型挂件匹配的T型挂装槽；在板式太阳能集热器主体的外侧所述板式换热器安装框的上边框内还设有电动卷帘组件，电动卷帘组件至少包括卷帘轴、连接卷帘轴并驱动卷帘轴正反转的卷帘电机以及盘绕在卷帘轴上的卷帘，上述卷帘电机的控制器连接温控器；在板式换热器安装框的的两个立框上设有容纳电动卷帘组件卷帘的导向槽。
优选的，所述板式换热器安装框内一侧还设有热交换室，所述板式太阳能集热器的出水管位于热交换室内，且在热交换室内的出水管上套装有散热翼；所述热交换室上设有新风进口，在新风进口设有背压阀，在室内阳台上设有新风出口，所述新风进口和新风出口呈上下交错布置。
所述板式太阳能集热器安装槽设有两个，两个板式太阳能集热器安装槽之间设有与墙体等宽的结构柱。
本发明采用上述技术方案具有以下优点，本发明充分利用夏季具有日照时间长、太阳辐射强等特点，使得天然光源可以得到充分利用；本发明充分考虑周边无遮挡，并全部采用构造简单，布置方便，造价低廉侧窗结构，采用该结构的光线具有明确的方向性，有利于形成阴影，对观看立体物件特别适宜，并可通过它看到外界景物，扩大视野，进而利于放松心情；采用侧窗结构使办公户型达到最佳的采光效果，创造良好的光环境，从而有利于工作、生活、保护视力和提高工作效率。
另外，本发明充分利用空间，在保证阳台强度的情况下，增设有板式太阳能集热器，通过板式太阳能集热器将太阳能转换为热能进行，并将转换的热能进行利用，通过板式太阳能集热器产生的热水可以用于冬季的地板采暖，同时也可作为洗手盆的热水水源；本发明还可以根据实时温度进行开启或者关闭板式太阳能集热器是否工作，以满足不同季节的实际需要，例如在冬季可以开启卷帘，进行集热，在炎热的夏天通过卷帘进行遮挡阳光，停止集热，同时还可以通过温控器设定的温度自动开启或关闭卷帘。
此外，本发明还可以作为新风换气使用，通过对热交换室内空气进行预热，然后通过风机送入室内，进行新风的输入，保证在冬季输入的新风为经过热源加热后的热风，进而避免因室外新风的输入导致室内温度下降。
综上所述，本发明充分考虑气候条件、周边环境以及建筑结构设计与采光设计能有机结合，对于充分利用自然光，减少用人工照明，以节约能源和保护环境有重要意义，另外，根据建筑采光设计标准的要求对自然采光的验证，验证后本发明采光设计完全符合建筑采光设计标准，本发明还将太阳能转化为热能进行对热量的合理利用，提高了室内舒适度，进而提高办公人员在如此舒适的环境下的工作效率。
附图说明
图1是本发明多层建筑平面结构示意图；
图2是多层建筑南向采光面结构示意图；
图3是图2的左视图；
图4是本发明实施例1板式太阳能集热器安装立体结构示意图；
图5是本发明实施例1板式太阳能集热器安装平面剖视图；
图6是卷帘电机控制原理图；
图7是实施例2结构示意图；
图8是实施例3两个板式太阳能集热器安装立体结构示意图。
图9是窗结构的挡光折减系数τc值表；
图10是窗玻璃的污染折减系数τw值表。
图中，1、窗台；1-1、板式太阳能集热器安装槽；1-2、T型挂件；1-3、结构柱；2、板式太阳能集热器；2-1、板式换热器安装框；2-10、立框；2-11、T型挂装槽；2-12、上边框；2-13、导向槽；2-2、板式换热器安装板；2-3、板式太阳能集热器主体；2-4、温度传感器；2-5、温控器；2-6、电动卷帘组件；2-61、卷帘轴；2-62、卷帘电机；2-63、卷帘；3、热交换室；3-1、散热翼；3-2、新风进口；3-3、背压阀；3-4、新风出口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，请参阅图1至图6，一种周围无建筑分布侧向采光集热一体化多层建筑，该建筑为五层办公建筑，五层办公建筑的周围均无建筑分布，五层建筑北面以停车场为主，南面为绿化区，其整体绿化率达到30％；五层建筑的每层均为双面布房结构，其中间为走廊，走廊的两端均设有侧窗结构；南向房间和北向房间均为单侧窗结构；南向房间和北向房间单侧窗的规格为2400×2400mm，窗台高为800mm；本发明充分利用夏季具有日照时间长、太阳辐射强等特点，使得天然光源可以得到充分利用；本发明充分考虑周边无遮挡，并全部采用构造简单，布置方便，造价低廉侧窗结构，采用该结构的光线具有明确的方向性，有利于形成阴影，对观看立体物件特别适宜，并可通过它看到外界景物，扩大视野，进而利于放松心情；采用侧窗结构使办公户型达到最佳的采光效果，创造良好的光环境，从而有利于工作、生活、保护视力和提高工作效率。在南向房间的窗台1的外侧沿宽度方向设有上端开放的板式太阳能集热器安装槽1-1；在每个板式太阳能集热器安装槽内均挂装有板式太阳能集热器2，所述板式太阳能集热器的进水口和出水口分别对应连接预埋在建筑墙体内进水管和预埋在楼板内的地板采暖管；在板式太阳能集热器安装槽内沿窗台宽度方向设有两个T型挂件1-2，T型挂件在建筑建造时预埋与阳台内预制钢筋笼连接，所述T型挂件上挂装有板式太阳能集热器；所述板式太阳能集热器包括板式换热器安装框2-1和板式换热器安装板2-2，在板式换热器安装框内所述板式换热器安装板上固定安装有板式太阳能集热器主体2-3，板式太阳能集热器主体其主要作用是将太阳能转换为热能，并对介质进行加热，板式太阳能集热器主体的工作原理和结构属于现有技术，在此不进行赘述；所述太阳能集热器主体上设有采集实时温度的温度传感器2-4，所述温度传感器电连接温控器2-5，温控器为可编辑温控器，可以根据实际需要设定最低温度和最高温度；其中所述板式换热器安装框2-1的两个立框2-10上设有与上述T型挂件匹配的T型挂装槽2-11；在板式太阳能集热器主体的外侧所述板式换热器安装框的上边框2-12内还设有电动卷帘组件2-6，电动卷帘组件至少包括卷帘轴2-61、连接卷帘轴并驱动卷帘轴正反转的卷帘电机2-62以及盘绕在卷帘轴上的卷帘2-63，上述卷帘电机的控制器连接温控器，根据温度传感器采集的温度即时监控，当检测温度高于控制设定值时控制电路启动，进而开启卷帘电机，驱动卷帘下放遮阳，当温度低于设定最低温度时，卷帘电机开启，卷帘打开，进行太阳能集热工作；在板式换热器安装框的的两个立框上设有容纳电动卷帘组件卷帘的导向槽2-13。本发明充分利用空间，在保证阳台强度的情况下，增设有板式太阳能集热器，通过板式太阳能集热器将太阳能转换为热能进行，并将转换的热能进行利用，通过板式太阳能集热器产生的热水可以用于冬季的地板采暖，同时也可作为洗手盆的热水水源；本发明还可以根据实时温度进行开启或者关闭板式太阳能集热器是否工作，以满足不同季节的实际需要，例如在冬季可以开启卷帘，进行集热，在炎热的夏天通过卷帘进行遮挡阳光，停止集热，同时还可以通过温控器设定的温度自动开启或关闭卷帘。
本发明充分利用空间，在保证阳台强度的前提下增设有板式太阳能集热器，将太阳能转换为热能供室内采暖或热水使用，可根据不同季节的需要开或关集热器；本发明还可作为新风换气使用；本发明采光设计合理，融合了建筑光热一体化的设计理念，对充分利用自然光，推动太阳能在建筑中的应用以节约能源具有重要意义。
实施例2，请参阅图7，所述板式换热器安装框内一侧还设有热交换室3，所述板式太阳能集热器的出水管位于热交换室内，且在热交换室内的出水管上套装有散热翼3-1；所述热交换室上设有新风进口3-2，在新风进口设有背压阀3-3，在室内阳台上设有新风出口3-4，所述新风进口和新风出口呈上下交错布置。此外，本发明还可以作为新风换气使用，通过对热交换室内空气进行预热，然后通过风机送入室内，进行新风的输入，保证在冬季输入的新风为经过热源加热后的热风，进而避免因室外新风的输入导致室内温度下降，提高了室内舒适度，进而提高办公人员在如此舒适的环境下的工作效率。
实施例3，请参阅图8，根据实际窗台的宽度，所述板式太阳能集热器安装槽设有两个，两个板式太阳能集热器安装槽之间设有与墙体等宽的结构柱1-3，通过结构柱提高窗台的强度；上述的两个板式太阳能集热器安装槽分别安装一个板式太阳能集热器；两个板式太阳能集热器可以独立使用，也可以串联使用，在实际施工过程中根据实际需要布设管路和连接，采用两个板式太阳能集热器，可以缩短板式太阳能集热器的体积，减轻重量易于安装。
本发明按照采光设计规范中的要求进行采光设计方案的验证，验证结果本发明的设计要求符合规范，根据建筑采光设计标准可知该五层办公建筑地处Ⅳ类光气候分区。多层建筑中每个小办公室房间的长为7000mm，宽为4000mm，净高为3300mm；窗户尺寸为宽2400mm，高2400mm，窗台高为800mm，房间为单侧采光，上述五层办公建筑侧向自然采光设计方法如下：
(1)采光设计
1)了解该建筑对采光的要求和建筑物周围环境状况
该建筑地处武汉，属北亚热带季风性湿润气候，日照充足。该建筑为五层办公建筑，每层均以小型办公室为主，面积在30m2左右。查建筑采光设计标准可知办公室采光等级为Ⅲ级，该建筑地处Ⅳ类光气候分区，采光系数标准值为3.3％，室内天然光照度标准值为450lx。
2)选择窗洞口形式、开窗位置、面积及尺寸
该建筑结构为砖墙，钢筋混凝土楼板，外墙承重，南北向布置，采用侧面采光形式，小型办公室房间的长为7000mm，宽为4000mm，净高为3300mm。根据建筑采光设计标准，办公建筑中办公室采光等级为Ⅲ级，侧面采光时窗地面积比为1/5乘以1.1，为0.22。设计窗洞口为方形，侧窗设置在南或北面墙上。窗户宽2400mm，高2400mm，窗台高为800mm。
(2)采光计算
1)计算南向房间采光系数平均值
采光系数平均值Cav为：
Figure BDA0002918453900000071
式中，
Ac—窗洞口面积(m2)；
τ—窗的总透射比；
θ—从窗中心点计算的垂直可见天空的角度值，无室外遮挡θ为90°；
Az—室内表面总面积(m2)；
ρj—室内各表面反射比的加权平均值。
①窗洞口面积Ac的计算
窗户尺寸为宽2400mm，高2400mm，可知Ac值为5.76m2。
②窗的总透射比τ的计算
τ＝τ0·τc·τw
式中，τ0—采光材料的透射比；
τc—窗结构的挡光折减系数；
τw—窗玻璃的污染折减系数。
该建筑采光材料采用高透Low-E中空玻璃，规格为6Low-E+12A+6C，无色，查建筑玻璃的光热参数值可得τ0＝0.76；
该建筑采用窗种类为单层铝窗，查窗结构的挡光折减系数τc值表，可得τc＝0.75；
该建筑窗户洁净且垂直安装，查窗玻璃的污染折减系数τw值表，可得τw＝0.90；
经计算可得窗的总透射比τ＝0.51。
③可见天空角θ的计算
该建筑无室外遮挡，故θ取值为90°。
④室内表面总面积Az的计算
该建筑中房间的长为7000mm，宽为4000mm，净高为3300mm；窗户尺寸为宽2400mm，高2400mm，可得Az＝128.6㎡。
⑤室内各表面反射比的加权平均值ρj的计算
该建筑各表面的光反射比：大白粉刷的顶棚ρp＝0.75，表面积Ap＝28㎡；大白粉刷的墙面ρq＝0.75，表面积Aq＝66.8㎡；马赛克地砖地面ρd＝0.42，表面积Ad＝28㎡；双层普通白玻璃窗口ρc＝0.08，表面积Ac＝5.76㎡；通过下列公式计算：
Figure BDA0002918453900000081
通过计算得到室内各表面反射比的加权平均值ρj为0.65。
⑥检验南向房间采光设计是否合理
经计算可知，南向房间的采光系数平均值Cav＝3.56％。根据建筑采光设计标准规定：办公建筑的Ⅲ级采光等级的采光系数标准值为3％，该建筑地处Ⅳ类光气候分区，光气候系数K值为1.10，故上述标准值乘以1.1为3.3％。经核验，该建筑南向房间的采光系数平均值Cav＝3.56％满足建筑采光设计标准要求，采光设计合理。
2)计算北向房间采光系数平均值
北向房间和南向房间不同之处在于北向房间没有太阳光照射，但采光系数是指在室内参考平面上的一点，由直接或间接地接收来自假定和已知天空亮度分布的天空漫射光而产生的照度与同一时刻该天空半球在室外无遮挡水平面上产生的天空漫反射光照度之比，由采光系数平均值计算公式可知，北向房间和南向房间开间尺寸、进深尺寸，窗户尺寸及窗台高，建筑采光材料、窗种类，窗户洁净程度和安装方式，建筑各表面的光反射比均相同时，计算出的采光系数平均值是相同的，故北向房间的采光系数平均值Cav＝3.56％满足建筑采光设计标准要求，采光设计合理。
建筑采光设计标准中将采光系数作为评判建筑采光是否合格的依据，并对采光系数做了具体要求，且照度值是与采光系数成正比关系的，采光系数同样反映了照度水平。
需要说明的是上述的图9和图10为已知建筑采光设计标准要求的图表，具体参见《建筑采光设计标准》(GB50033-2013)中，具体为图9出处:《建筑采光设计标准》(GB50033-2013)中第37页的表D.0.6；图10出处:《建筑采光设计标准》(GB50033-2013)中第37页的表D.0.7。
另外，在采光设计方面还需要考虑建筑光污染的防治：
(1)光污染的定义
光污染是指由于不恰当的光线给人造成了视觉压抑，从而给人的生理心理带来危害的一种污染，它通常是由一些不符合人们视觉习惯的自然光、反射光及一些人工灯照射产生的。光污染有很多种，像眩光污染、紫外线污染、红外线污染等等。
(2)建筑光污染的防止
本设计沿场地外围一圈布置了绿化带，里面种植有高大的乔木和低矮的灌木，用来阻挡不同角度的建筑玻璃的有害反射光，从而改善了城市的光环境。
本设计出于经济因素的考虑，窗户选择安装了普通的玻璃，实际施工中，如果经济条件允许，可以选择采用特殊玻璃，降低反射率。玻璃幕墙中高反射率的玻璃是造成光污染的主要成因，所以为了降低光污染可以使用低辐射的玻璃，所谓的低辐射玻璃就是在玻璃的表面镀上一层或多层的金属或者是化学物组成的膜系产品，镀上金属或者膜系产品后，会使玻璃表面的反射比大大降低，增强可见光的透视比，重要的是提高玻璃的隔热性能。这种玻璃的使用不但降低了光污染，还能使建筑物的采光得到很好的改善，可谓一举多得。还有一些玻璃贴膜和回反射玻璃，也能够有效的降低反射光对周围环境的影响。
综上所述，本发明充分考虑气候条件、周边环境以及建筑结构设计与采光设计能有机结合，对于充分利用自然光，减少用人工照明，以节约能源和保护环境有重要意义，另外，根据建筑采光设计标准的要求对自然采光的验证，验证后本发明采光设计完全符合建筑采光设计标准。本发明还将太阳能转化为热能进行对热量的合理利用，提高了室内舒适度，进而提高办公人员在如此舒适的环境下的工作效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种周围无建筑分布侧向采光集热一体化多层建筑，其特征在于：该建筑为五层办公建筑，五层办公建筑的周围均无建筑分布，五层建筑的每层均为双面布房结构，其中间为走廊，走廊的两端均设有侧窗结构；南向房间和北向房间均为单侧窗结构；南向房间和北向房间单侧窗的规格均为2400×2400mm，窗台高为800mm；在南向房间窗台的外侧沿宽度方向设有上端开放的板式太阳能集热器安装槽；在板式太阳能集热器安装槽内均挂装有板式太阳能集热器，所述板式太阳能集热器的进水口和出水口分别对应连接预埋在建筑墙体内进水管和预埋在楼板内的地板采暖管；在板式太阳能集热器安装槽内沿窗台宽度方向设有两个T型挂件，T型挂件上挂装有板式太阳能集热器；所述板式太阳能集热器包括板式换热器安装框和板式换热器安装板，在板式换热器安装框内所述板式换热器安装板上固定安装有板式太阳能集热器主体，所述太阳能集热器主体上设有采集实时温度的温度传感器，所述温度传感器电连接温控器；其中所述板式换热器安装框的两个立框上设有与上述T型挂件匹配的T型挂装槽；在板式太阳能集热器主体的外侧所述板式换热器安装框的上边框内还设有电动卷帘组件，电动卷帘组件至少包括卷帘轴、连接卷帘轴并驱动卷帘轴正反转的卷帘电机以及盘绕在卷帘轴上的卷帘，上述卷帘电机的控制器连接温控器；在板式换热器安装框的的两个立框上设有容纳电动卷帘组件卷帘的导向槽。
2.根据权利要求1所述的周围无建筑分布侧向采光集热一体化多层建筑，其特征在于：所述板式换热器安装框内一侧还设有热交换室，所述板式太阳能集热器的出水管位于热交换室内，且在热交换室内的出水管上套装有散热翼；所述热交换室上设有新风进口，在新风进口设有背压阀，在室内阳台上设有新风出口，所述新风进口和新风出口呈上下交错布置。
3.根据权利要求1所述的周围无建筑分布侧向采光集热一体化多层建筑，其特征在于：所述板式太阳能集热器安装槽设有两个，两个板式太阳能集热器安装槽之间设有与墙体等宽的结构柱。
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