机械专业外遮阳百叶窗结构设计大学论文.doc

西南大学工程技术学院专题实验方案设计说明书

专题实验

方案设计说明书

题　目:外遮阳百叶窗结构设计

学生姓名 陶友山
专 业机械设计制造及其自动化
学 号 222013322220147
班 级 2013级 3班
指导教师 张建军
成 绩_

工程技术学院
2016 年 4 月

目 录
1 引言………………………………………………………………………… …………1
2 百叶窗结构设计………………………………………………………………………2
2.1 总体功能要求………………………………………………………………2
2.2 百叶片结构设计……………………………………………………………3
2.3 翻转系统设计…………………………………………………………………3
2.4 升降系统设计…………………………………………………………………4
3 百叶窗对建筑能耗的影响…………………………………………………………4
3.1 建立计算模型…………………………………………………………………5
3.2 参数设置………………………………………………………………………5
3.3 结果分析………………………………………………………………………6
4 百叶窗抗风压性能计算……………………………………………………………6
4.2 百叶片在水平风荷载作用下的挠度计算……………………………………7
4.1 风荷载计算…………………………………………………………………7
5结论 ……………………………………………………………………………………8

参考文献………………………………………………………………………………………………8

外遮阳百叶窗结构设计

陶友山
西南大学工程技术学院

1引言
窗户外遮阳产品安装于窗外，可以在太阳辐射未达到建筑表面时吸收和反射大部分太阳辐射，通常可以降低建筑表面80%的太阳直接辐射得热，是比内遮阳更有效的节能装置，有外遮阳板和百叶窗等形式．国内关于百叶窗的设计研究一直方兴未艾，如蒋楚材[1]研制铝合金叶片遮阳百叶窗帘，窗帘由上横梁、下横梁、中间架、变向装置、升降装置、托架、铝合金叶片组成；张一飞[2]研制的升降式防盗百叶窗，叶片升降装置和叶片翻转装置通过驱动换向装置实现叶片升降和翻转状态的转换，但叶片升降是简单的叠加．从华山[3]研制的多功能可升降式安全防盗百叶窗，百叶窗窗框的空腔内装有与窗叶连接的升降装置和翻转装置；刘尚银[4]研制的收放式多功能百叶窗，百叶窗包括窗框、两端具有转轴的叶片、带拨钮开关的电动机及其减速传动机构；赵久昱[5]研制的电控防盗百叶窗由窗框、固定窗框中的窗玻璃、电动百叶窗和隐形防盗网构成，但不具有百叶升降功能．本文设计的百叶窗采用了新式的百叶翻转机构、百叶升降机构及百叶片结构，其百叶升降动作通过刚性构件——链板卷曲实现，操作相对简单．以上海为例，针对南窗定量分析了百叶窗对建筑物冷热负荷的影响和抗风压能力，验证了其节能性和实用性．

2百叶窗结构设计
2.1 总体功能要求
百叶窗主要由百叶片、翻转系统、升降系统、固定系统、操纵系统5 部分组成，可实现百叶翻转和升降双重功能．百叶片最大翻转角度与铅垂面夹角为60°，百叶片处于翻转状态时不可以升降，百叶片在升降过程中不可以翻转．根据其构造特点，考虑到卷帘箱体对建筑立面的影响，百叶窗与墙体之间采取嵌装式安装方法．

2.2 百叶片结构设计
百叶片为中空弧形结构，叶片宽度为50,mm，最大厚度7,mm，最小厚度2.5,mm，叶片长度为800、900,mm 等．百叶片材料采用1060 铝合金，百叶片内部填充聚氨酯保温材料，两侧安装百叶转轴．百叶片
结构模型见图1．图1 百叶片三维模型

2.3 翻转系统设计
翻转系统能够实现百叶片不同角度的翻转，主要由转轴、摆动臂、摆动架、拉杆等零件组成．窗体一侧的转轴固定有摆动臂，摆动臂与百叶转轴之间不能相互转动，摆动臂插入摆动架插槽内，可随摆动架一同摆动．百叶片完全下放后拨动蜗轮蜗杆，带动转动臂旋
转，使拉杆向上或向下运动，摆动架作一定角度的往复摆动，摆动架同时带动插槽内的摆动臂摆动，从而使通过转轴与摆动臂连接的百叶片实现一定角度的翻转．
2.4 升降系统设计
升降系统的原理图见图3．升降系统主要由转动轴、链条支撑盘、百叶支撑盘、链板等组成．转动轴上安装了链条支撑盘和百叶支撑盘，升降过程中链板和百叶片分别缠绕在链条支撑盘和百叶支撑盘上，即通过链板的卷曲实现百叶片的升降动作．由于链板的卷曲轨迹近似于阿基米德等速螺线，故使用特制的链条支撑盘与百叶支撑盘缓解链条与百叶片卷曲过程中的多边形叠加效应．1. 卷帘箱体；2. 转动轴；3. 百叶片；4. 墙体；5. 百叶支撑盘；6. 链板；7. 窗体骨架
在百叶片处于完全闭合状态且摆动臂及摆动架均处于铅垂状态时转动锥齿轮，动力经传动杆传递到蜗轮蜗杆上，蜗轮驱动转动轴旋转，转动轴同时带动链条支撑盘和百叶支撑盘同步旋转，链板随之缠绕在链条支撑盘上，链板上卷的同时通过转轴带动百叶片向上运动，从而实现了百叶片的上卷．下放动作与上卷动作相反．升降动作流程见百叶窗综合遮阳系数计算遮阳系数是评价百叶窗遮阳效果的重要标．外窗玻璃采用6,mm 单层透明白玻璃，其遮阳系数SC 为0.85．在夏热冬冷地区百叶窗的遮阳系数采用式(1)计算[6]．* 2 2DS = aX + bX +1 (1)式中：X＝A/B，A、B 取值见图5，其中A＝43.3,mm，B=25,mm，A/B＞1 时，取X＝1．a、b 为计算系数，具体取值参照JGJ 134—2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》[7]，取a＝0.50，b＝－1.20．将数值代入式(1)，计算得*DS ＝0.3．根据文献[7]，铝合金百叶片的透射比* η 为0.2．按式(2)进行修正，可求得遮阳系数为SD＝0.44．* *D D S = 1− (1− S )(1−η ) (2)百叶片翻转60时的综合遮阳系数为C_totalS =C DS S = 0.37．根据文献[8]可知该百叶窗的遮阳性能等级为5级．
图5 百叶片遮阳系数计算示意图

3 百叶窗对建筑能耗的影响
3.1 建立计算模型
建立建筑模型，房间长4,m、宽6,m、高3.6,m．为重点研究百叶窗对建筑能耗的影响，该建筑不设置门，窗户正南朝向，宽1.5,m，高1.8,m，窗台高1.4,m，建筑模型见图6．外窗玻璃采用6,mm 厚透明白玻璃，安装在墙面正中位置．采用清华大学开发的建筑能耗模拟软件DeST-h，取无遮阳、水平外遮板、百叶窗3 种形式进行能耗模拟分析．图6 建筑模型模

3.2 参数设置
外墙传热系数为1.4,W/(m2·K)，屋面传热系数为0.8,W/(m2·K)，每小时换气１次．建筑内扰设定为：冬季室温为18,℃，夏季室温为26,℃，采暖、空调设备为家用气源热泵空调器，空调额定能效比取2.3，采暖额定能效比取1.9[7]，房间功能定义为卧室，空调开启时间周一至周五为晚21 时至次日7 时，周六日为晚20 时至次日8 时，中午12 时至14 时．室内照明为0.588,W/m2，室内人员、设备等其他室内得热平均强度取4.3,W/m2．外窗不同外遮阳方式的具体参数见表1．表1 外窗的外遮阳方式及参数Tab. 1 Form and parameters of external window withexternal-shades遮阳方式 SD C_ totalS无遮阳 1.00 0.85水平遮阳板 0.73 0.62百叶窗 0.44 0.37注：水平遮阳板的参数为A＝900,mm、B＝1,800,mm；百叶窗的百叶角度为60°．
3.3 结果分析
无遮阳、水平遮阳板及百叶窗3 种外遮阳方式的结果对比见表2、图7．其中，冷、热负荷是指为了使房间保持规定的温湿度，空调设备单位时间的制冷、制热量．全年累计冷负荷、热负荷是指(8,760,h)逐时冷负荷、热负荷的总和．全年最大冷、热负荷是指全年逐时冷、热负荷序列中的最大值．表2 不同外遮阳方式的结果对比Tab. 2 Comparison of different shading全年累计负荷/(kW·h)单位面积指标/(kW·h·m-2)遮阳方式冷负荷 热负荷 冷负荷 热负荷无遮阳 3,628.13 235.24 151.17 9.80水平遮阳板3,510.53 253.54 146.27 10.56百叶窗 3,447.58 264.61 143.65 11.03由表2 可知，在窗墙比及朝向相同的情况下，无遮阳的全年累计冷负荷和单位面积冷负荷均最大，采2013 年12 月 张智超，等：链牵引式外遮阳百叶窗结构设计及其性能分析·55·用百叶窗后分别少180.55,kW·h 和7.52,kW·h/m2.百叶窗较水平外遮阳板的全年累计冷负荷减少62.95,kW·h．从表2 中可以看出，百叶窗的累计热负荷比无遮阳和水平外遮阳板要多，不过相比而言，百叶窗夏季对建筑制冷能耗减少的贡献比增加的采暖能耗要大．建筑全年最大冷、热负荷值出现的时刻因遮阳形式的不同而不同，由图7 可知，较其他外遮阳方式，百叶窗有效降低了全年最大冷负荷的峰值．

4 百叶窗抗风压性能计算
抗风压强度指门窗抵抗风压的性能．百叶窗是一种围护结构，因此需要保证使用过程中，在平均风压作用下其正常功能不受影响．以上海市市区一个普通建筑为计算对象，窗户安装最大高度为15,m．
4.1 风荷载计算
按照GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》[9]确定风荷载标准值wk，其计算公式为k gz s1 z 0w = β μ μ w (3)式中：gz β 为高度z 处的阵风系数； s1 μ 为风荷载体型系数； z μ 为风压高度变化系数； 0w 为基本风压，基本风压0w 按上海地区50 年一遇的风压值为准．根据文献[9]，风荷载体型系数s1 μ 取1.2，gz β ＝2.54， z μ ＝0.62， 0w ＝0.55,kN/m2，代入式(3)得kw = 1.03,kN/m2．
4.2 百叶片在水平风荷载作用下的挠度计算
利用SolidWorks 建立图1 所示的百叶片三维模型．建立静态算例，对百叶片的上端与下端施加固定约束．因为其形成了排架，削弱了垂直方向荷载的作用效果，可不考虑垂直方向风荷载，将百叶窗所受风荷载简化为承受水平矩形均布荷载．根据窗户尺寸可知百叶窗需安装36 片百叶片．单个百叶片的表面积S＝(1.5×1.8)/36＝0.075,m2．均布载荷Q＝wkS＝1.03×1,000×0.075＝77.25,N．在百叶片外表面施加压力载荷，均匀分布，方向为叶片表面的法线方向，大小为77.25,N．生成网格，相应的位移计算结果见图8．由图8 以看到，最大位移发生在百叶片中部，且靠近叶片两端的位移最大，最大值fmax＝2.59×10-4,mm，在风荷载标准值作用下，百叶挠度限值宜按长度的1/180 取值[10] ，有[f]＝L/180＝1,500/1808.33,mm＞fmax．可见，在风荷载的作用下百叶片的抗风压性能是可靠的．
图8 抗风压性能的仿真结果

5 结 语
本文研制了链牵引式外遮阳百叶窗，计算其综合遮阳系数，确定了其遮阳性能等级，并以上海地区为例，分析了百叶窗的节能及抗风压性能．分析结果表明，百叶窗的遮阳性能等级为5 级，采用本百叶窗较无遮阳及水平遮阳板两种方式在夏季的节能效果明显，其抗风压强度在合理范围内．

参考文献：
［1］ 蒋楚材. 铝合金叶片遮阳百叶窗帘：中国，2179445
[P]. 1994–10–12.
［2］ 张一飞. 一种改进的升降式防盗百叶窗：中国，
201433690[P]. 2010–03–31.
［3］ 从华山. 多功能可升降式安全防盗百叶窗：中国，
200992940[P]. 2007–12–19.
［4］ 刘尚银. 收放式多功能百叶窗：中国，2581665 [P].
2003–10–22.
［5］ 赵久昱. 一种电控防盗百叶窗：中国，201416368 [P].
2010–03–03.
［6］ 李峥嵘，赵群，展磊. 建筑遮阳与节能[M]. 北京：中国
建筑工业出版社，2009：57–62.
［7］ 中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ 134—2010
夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准[S]. 北京：中国
建筑工业出版社，2010.
［8］ 李守巨. 建筑节能常用数据速查手册[M]. 北京：中国
建筑工业出版社，2012：71–76.
［9］ 中华人民共和国建设部. GB 50009—2001 建筑结构荷
载规范[S]. 北京：中国标准出版社，2002.
［10］ 罗忆，刘忠伟. 建筑节能技术与应用[M]. 北京：化学
工业出版社，2007：210–266.

指导教师评语：

成绩评定：

指导教师：

年 月 日

此表装订在说明书（论文）的最后。

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