建筑遮陽設(shè)施對建筑能耗的影響分析

楚洪亮，孫詩兵，萬成龍

(1.中國建筑發(fā)展有限公司，北京 100195；2.北京工業(yè)大學(xué)，100124；3. 中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013)

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建筑遮陽設(shè)施對建筑能耗的影響分析

楚洪亮1，孫詩兵2，萬成龍3

(1.中國建筑發(fā)展有限公司，北京 100195；2.北京工業(yè)大學(xué)，100124；3. 中國建筑科學(xué)研究院，北京 100013)

建筑遮陽是夏熱地區(qū)降低夏季空調(diào)能耗有效措施之一，不同類型的建筑遮陽設(shè)施對建筑能耗的影響效果差異較大。文章以上海地區(qū)某居住建筑為例，通過采用建筑能耗分析軟件建立模型，經(jīng)過逐時計算建筑全年能耗來研究該建筑南向外窗采用不同類型遮陽設(shè)施的節(jié)能效果。結(jié)果表明：與不采用遮陽設(shè)施的建筑比較，采用遮陽設(shè)施的建筑空調(diào)耗電量降低幅度范圍為3.37%～11.04%；對建筑采暖能耗的影響因遮陽類型不同差異明顯，最多降低0.87%，最高增加1.54%；就建筑全年總耗電量而言，遮陽材料透射比為0的可升降活動外遮陽綜合節(jié)能效果最優(yōu)，可降低建筑全年總耗電量4.78%。

建筑遮陽；建筑空調(diào)能耗；建筑采暖能耗

0　引言

外窗是建筑圍護結(jié)構(gòu)中的開口部位，通過外窗損失的空調(diào)、采暖、照明能耗占到建筑圍護結(jié)構(gòu)能耗的一半以上[1-2]。在夏季炎熱地區(qū)，通過外窗的太陽輻射得熱是造成空調(diào)能耗大和室內(nèi)熱環(huán)境不良的主要因素[3]，而建筑遮陽設(shè)施就是改善這一問題的主要措施[4]，因此研究建筑遮陽設(shè)施對建筑能耗的影響非常重要。

建筑遮陽設(shè)施的種類很多，按位置分有內(nèi)遮陽、外遮陽和中置遮陽；按調(diào)節(jié)方式分有固定式和活動式；按產(chǎn)品形式分有百葉、卷簾等等[5-6]。就產(chǎn)品形式而言，遮陽百葉對建筑能耗的影響方面的研究最多，研究結(jié)果均表明固定遮陽百葉和可調(diào)節(jié)的遮陽百葉均能有效提高窗的能效，從而降低建筑能耗[7-10]，而可調(diào)節(jié)的活動百葉相較于固定不可調(diào)節(jié)的百葉對調(diào)節(jié)室內(nèi)光環(huán)境和降低建筑能耗的效果更好[11]，而即使是固定的外遮陽百葉節(jié)能效果也優(yōu)于內(nèi)遮陽[12]。就遮陽位置而言，基本所有的研究都表明外遮陽的節(jié)能效果優(yōu)于內(nèi)遮陽[4,12]，而且外遮陽對建筑的藝術(shù)表現(xiàn)發(fā)揮著其他位置遮陽無法代替的作用，李鋼和李子俊分別研究了建筑外遮陽對降低建筑能耗的作用及建筑藝術(shù)表現(xiàn)方面的作用，結(jié)果均表明了建筑外遮陽是建筑形體、美感和節(jié)能的最佳結(jié)合[13-14]。除此之外，萬成龍等研究了一種特別的遮陽方式即玻璃涂膜對節(jié)能效果的影響，研究表明玻璃涂合適的膜層后起到了遮陽設(shè)施的效果[15]。而萬玲青等對建筑外窗遮陽節(jié)能效果的各種評價方法進行了比較，證明了眾多學(xué)者選擇的建筑能耗評價是遮陽節(jié)能效果評價最直接而有效的途徑[16]。其他還有如建筑遮陽節(jié)能的標準體系[17]、建筑遮陽節(jié)能技術(shù)推廣等方面的研究[18]，更有力的說明了行業(yè)內(nèi)對建筑遮陽設(shè)施的節(jié)能效果非常重視。

上述研究主要關(guān)注固定遮陽百葉、可調(diào)節(jié)的遮陽百葉、玻璃涂膜遮陽等建筑遮陽形式的節(jié)能效果分析，或者建筑遮陽的綜述與介紹，較難找到涵蓋自遮陽、水平式固定外遮陽、固定百葉外遮陽及不同透過率材料制作成的活動百葉遮陽定量的節(jié)能效果分析的相關(guān)研究，因此，文章主要針對這方面做模擬研究.夏熱冬冷地區(qū)是我國五個氣候區(qū)中唯一一個冬季需要采暖且夏季需要隔熱的氣候區(qū)，氣候條件復(fù)雜多樣，具有非常高的研究價值，因此研究定位在夏熱冬冷地區(qū)的典型城市上海市，建筑類型定位為居住建筑，該地區(qū)外窗遮陽設(shè)施的設(shè)置不能僅考慮遮陽的隔熱作用(降低夏季空調(diào)能耗)，也需要兼顧冬季的采暖需求(不增加冬季采暖能耗)。研究選取外窗常見的7種遮陽形式進行模擬分析，并以普通中空玻璃外窗為參照得出南向外窗采用不同類型遮陽設(shè)施對建筑能耗的影響效果，為外窗遮陽設(shè)施的選用和節(jié)能效果分析提供參考。

1　建筑模型和遮陽設(shè)施類型

擬采用模型地處夏熱冬冷典型城市上海，該建筑計算機模型如圖1所示。建筑的主要朝向為南向，體形系數(shù)為0.35，建筑為氣體結(jié)構(gòu)，總建筑面積為1531.2m2，建筑總體積為4287.3m3，建筑物高度為16.8m，建筑層數(shù)為6層，建筑類型為居住建筑。

圖1　典型建筑模型圖(a)立面圖；(b)三維效果圖

本次模擬計算的目的是為了比較南向外窗不同類型遮陽設(shè)施的節(jié)能效果，和圍護結(jié)構(gòu)外墻、屋頂?shù)绕渌鼧?gòu)件的熱工性能關(guān)系不大，為簡化計算，其它構(gòu)件的熱工性能統(tǒng)一設(shè)定，詳見表1。南向外窗及遮陽設(shè)施選型詳見表2。

2　遮陽設(shè)施遮陽系數(shù)的計算

遮陽系數(shù)按式(1)、(2)[19]計算為

SD*=ax2+bx+1

(1)

x=A/B

(2)

式中：SD*為外遮陽系數(shù)；x為外遮陽的特征值，當(dāng)x>1時，取x=1；a、b為擬合系數(shù)，按表3選取；A、B為外遮陽的構(gòu)造定性尺寸，按圖2確定。

當(dāng)遮陽材料具有透光能力時，按式(3)[19]進行修正為

SD=1-(1-SD*)(1-η*)

(3)

式中： SD*為外遮陽的遮陽板采用非透明材料制作時的外遮陽系數(shù)；η*為遮陽板的透射比。

表1　圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)設(shè)定

表2　南向外窗及遮陽設(shè)施選型

表3　外遮陽計算系數(shù)[20]

圖2　水平式、擋板式及橫百葉遮陽設(shè)施尺寸示意圖[19](a)水平式遮陽；(b)擋板式遮陽；(c)橫白葉遮陽

根據(jù)表2所選遮陽設(shè)施類型，依據(jù)上述公式計算南向外窗外遮陽系數(shù)，計算結(jié)果詳見表4。

表4　遮陽系數(shù)計算表

由表4計算結(jié)果可知，可升降活動外遮陽設(shè)施SD值隨遮陽材料的透射比升高而升高，當(dāng)透射比為0、0.1、0.2和0.4時，遮陽系數(shù)對應(yīng)分別為0.35、0.42、0.48和0.61；透射比為0.1的材料制作成的固定外遮陽遮陽系數(shù)為0.76，而對應(yīng)的可升降活動外遮陽二遮陽系數(shù)為0.42；透射比為0.2的材料制作成的活動鋁合金橫百葉擋板式外遮陽的遮陽系數(shù)為0.51，而對應(yīng)的可升降活動外遮陽三遮陽系數(shù)為0.48。

3　建筑采暖和空調(diào)能耗計算

上海地區(qū)建筑能耗采用動態(tài)方法計算，計算條件[20-21]如下：

(1) 居室室內(nèi)計算溫度，夏季全天為26 ℃；冬季全天為18℃。采暖期為12月1日到次年2月28日?？照{(diào)期為6月15日到8月31日

(2) 采暖和空調(diào)時，換氣次數(shù)為1.0次/h。

(3) 室外氣象計算參數(shù)采用典型氣象年。

(4) 室內(nèi)得熱平均強度為4.3W/m2。

(5) 采暖、空調(diào)設(shè)備為家用氣源熱泵空調(diào)器，空調(diào)額定能效比取2.8，采暖額定能效比取2.3。

根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)范要求，上海地區(qū)建筑的采暖、空調(diào)能耗以單位面積年耗電量為指標，年總耗電量包括空調(diào)耗電量和采暖耗電量兩部分[20]。該典型建筑的年耗電量詳細計算結(jié)果見表5。

(6) 關(guān)于表5的說明： 編號1計算結(jié)果為參考值。“-3.20%”表示該項指標計算結(jié)果值比參考值降低了3.20%。而“0.87%”表示該項指標計算結(jié)果值比參考值升高了0.87%。

表5　年耗電量計算結(jié)果

由表5計算結(jié)果可知，在設(shè)定的參數(shù)下，南向外窗增加遮陽設(shè)施后，建筑空調(diào)能耗降低效果明顯，降低幅度范圍為3.37%～11.04%。根據(jù)遮陽類型編號，按空調(diào)能耗由低到高排序：類型5(13.21kWh/m2)<類型6(13.37kWh/m2)<類型7(13.52kWh/m2)<類型4(13.60kWh/m2)<類型8(13.90kWh/m2)<類型2(13.92kWh/m2)<類型3(14.35kWh/m2)<類型1(14.85kWh/m2)，另對照表4的計算結(jié)果可判斷空調(diào)能耗隨外遮陽系數(shù)的降低而降低，其中活動外遮陽效果最好，降低幅度為6.40%～11.04%，其次為自遮陽(Low-E中空玻璃)，降低幅度為6.26%，再次為固定外遮陽，降低幅度為3.37%。

建筑采暖耗電量因遮陽設(shè)施類型差異而變化不一，按采暖能耗由低到高排序：類型2(19.31kWh/m2)<類型1(19.48kWh/m2)=類型5(19.48kWh/m2)=類型6(19.48kWh/m2)=類型7(19.48kWh/m2)=類型8(19.48kWh/m2)<類型3(19.65kWh/m2)<類型4(19.78kWh/m2)，其中Low-E中空玻璃自遮陽形式因降低了外窗的傳熱系數(shù)而降低了建筑采暖能耗達0.87%，升降式活動外遮陽因冬季不使用對采暖能耗無影響，而固定外遮陽及活動橫百葉擋板式外遮陽增加了冬季采暖能耗0.87%和1.54%。

綜合建筑空調(diào)耗電量及采暖耗電量，南向外窗增加遮陽設(shè)施后，建筑全年總耗電量均有不同程度降低，最多可降低4.78%。按總能耗由低到高排序：類型5(32.69kWh/m2)<類型6(32.85kWh/m2)<類型7(33.00kWh/m2)<類型2(33.23kWh/m2)<類型4(33.38kWh/m2)=類型8(33.38kWh/m2)<類型3(34.00kWh/m2)<類型1(34.33kWh/m2)，可見活動外遮陽綜合節(jié)能效果(如表5中編號4至編號8所示的計算結(jié)果)優(yōu)于選定自遮陽(如表5中編號2所示的計算結(jié)果)和固定遮陽(如表5中編號3所示的計算結(jié)果)，其中又以編號5、6、7三種類型的活動外遮陽綜合節(jié)能效果更優(yōu)。

4　結(jié)論

上海地區(qū)某居住建筑南向外窗采用不能類型遮陽設(shè)施后，節(jié)能效果評估結(jié)果表明：

(1) 采用遮陽設(shè)施的建筑的空調(diào)耗電量降低幅度范圍為3.37%～11.04%，其中活動外遮陽效果最好，降低幅度為6.40%～11.04%，其次為選定的自遮陽(Low-E中空玻璃)，降低幅度為6.26%，再次為固定外遮陽，降低幅度為3.37%；

(2)Low-E中空玻璃自遮陽形式降低了建筑采暖能耗0.87%，可升降活動外遮陽因冬季不使用對采暖能耗無影響，而固定外遮陽及活動橫百葉擋板式外遮陽會增加冬季采暖能耗0.87%和1.54%，可見外遮陽設(shè)施對冬季采暖能耗的降低無貢獻，不可升降的外遮陽設(shè)施甚至?xí)黾咏ㄖ镜牟膳芎?，而Low-E中空玻璃的自遮陽形式可降低采暖能耗。

(3) 綜合考慮建筑空調(diào)能耗和采暖能耗，活動外遮陽的綜合節(jié)能效果優(yōu)于選定的自遮陽和固定遮陽，而遮陽材料透射比為0的可升降活動外遮陽綜合節(jié)能效果最優(yōu)，降低建筑全年總耗電量的比例達到4.78%。

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(學(xué)科責(zé)編：李雪蕾)

Study on the influence of solar shading facilitiesonbuildingenergyconsumption

Chu Hongliang1, Sun Shibing2, Wan Chenglong3

(1.China State Construction Development Co.Ltd.，Beijing 100195, China; 2. Beijing University of Technology， Beijing 100124, China; 3. China Academy of Building Research, Beijing 100013, China)

Solarshadingfacilitiesareveryeffectivewaysofreducingsummercoolingenergyconsumptioninsummer-hotregions.Nevertheless,theinfluencesofdifferentsolarshadingfacilitiesonbuildingenergyconsumptiondifferrelativelylarge.TakingaresidentialbuildinginShanghaiasanexample,annualbuildingenergyconsumptionofthisbuildingiscalculatedbyestablishingthebuildingmodelthroughthebuildingenergyconsumptionanalysissoftware.Thentheenergysavingeffectofthisbuildingwithdifferentkindsofshadingfacilitiesoutsidethesouthwindowisstudied.Theresultsshowthatthecoolingenergyconsumptionofthebuildingwithshadingfacilitiesisreduced3.37%～11.04%andtheinfluenceofdifferentkindsofsolarshadingfacilitiesonthebuildingheatingenergyconsumptionisdifferent.Thebuildingheatingenergyconsumptioncanbereduced0.87%andbeincreased1.54%atmost.Theenergysavingeffectoftheextemalsolarshadingfacilitythatcanliftupanddownisbestwhenitsmaterialη*is0andtheannualenergyconsumptionofthebuildingwithitisreduced4.78%.

solarshadingfacilities;buidingcoolingenergyconsumption;buildingheatingenergyconsumption

2015-09-06

北京市科技計劃課題(Z141100006014054)

楚洪亮(1983-)，女，工程師，碩士，主要從事建筑節(jié)能及綠色建筑等方面的研究.E-mail：chl19831121@163.com

1673-7644(2016)01-0033-05

TU111.4+8

A