重慶地區(qū)某建筑不同內(nèi)遮陽(yáng)調(diào)控策略節(jié)能效果分析

沈長(zhǎng)亮，莊春龍，趙少卿

（1重慶師范大學(xué)基建處，重慶 401331；2陸軍勤務(wù)學(xué)院軍事設(shè)施系，重慶 401331；3海軍青島某基地，山東青島 266000）

0 引言

建筑內(nèi)遮陽(yáng)是指遮陽(yáng)裝置和控制體都位于室內(nèi)的遮陽(yáng)方式，是我國(guó)應(yīng)用最普遍的一種遮陽(yáng)方式。對(duì)于中庭玻璃屋面，加裝內(nèi)遮陽(yáng)可以改善室內(nèi)熱環(huán)境，降低室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷[1]，如果在內(nèi)遮陽(yáng)與玻璃之間加排風(fēng)機(jī)，中庭周圍空調(diào)輻射區(qū)溫度降低約4℃，并改善采光對(duì)人體換射量的影響[2]。實(shí)驗(yàn)研究表明，內(nèi)遮陽(yáng)房間的內(nèi)墻內(nèi)表面溫度比沒(méi)有設(shè)置內(nèi)遮陽(yáng)的房間平均低0.6℃～1℃，但自然采光照度下降了81%，內(nèi)遮陽(yáng)可以有效削減太陽(yáng)輻射熱，內(nèi)遮陽(yáng)房間的空調(diào)節(jié)能率達(dá)到17.24%左右[3]。通過(guò)模擬計(jì)算比較：所采用的遮陽(yáng)措施中效果最明顯的是內(nèi)懸掛淺色窗簾及雙層玻璃并輔以0.4m水平探出的遮陽(yáng)板[4]。

建筑遮陽(yáng)會(huì)影響室內(nèi)采光和建筑得熱過(guò)程，遮陽(yáng)裝置在遮擋太陽(yáng)輻射進(jìn)入室內(nèi)、減少空調(diào)制冷能耗的同時(shí)，也不可避免地阻礙了自然采光，并導(dǎo)致人工照明能耗的大幅上升[5-6]。而選用高度透明的內(nèi)遮陽(yáng)可以降低室內(nèi)能耗和人員所受眩光影響，提高人員舒適性[7]。趙少卿等人提出“瞬時(shí)有效照度（IUDI）”采光評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)軟件模擬了卷簾和百葉遮陽(yáng)的調(diào)控策略，得出合理的調(diào)控策略可以提高室內(nèi)采光質(zhì)量[8]。Tzempelikos等人根據(jù)設(shè)定功率密度等參數(shù)提出了4種卷簾內(nèi)遮陽(yáng)調(diào)控策略，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)模擬進(jìn)行了驗(yàn)證[9]，但該文獻(xiàn)并沒(méi)有涉及卷簾在不同開啟程度下的研究。不同的遮陽(yáng)方式和不同的調(diào)控策略，對(duì)室內(nèi)采光和建筑得熱及空調(diào)能耗有不同的影響，只有合理的搭配，才能最大限度地發(fā)揮內(nèi)遮陽(yáng)的作用。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為研究不同內(nèi)遮陽(yáng)調(diào)控方式對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響，本文選取重慶某院校兩間相鄰且基本相同的辦公室，尺寸為6m×6m×3.6m，南面開窗，共有4面，窗戶為塑鋼窗，尺寸為1.2m×2.5m。根據(jù)重慶地區(qū)氣候特點(diǎn)和人們辦公、生活習(xí)慣，實(shí)驗(yàn)選取金屬百葉簾、布藝簾和卷簾三類遮陽(yáng)產(chǎn)品，通過(guò)三種不同內(nèi)遮陽(yáng)設(shè)施，采用不同遮陽(yáng)調(diào)控策略，研究?jī)?nèi)遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境變化的影響。其中，百葉葉片寬度30mm，葉片間距18mm，每面窗均設(shè)置百葉簾；卷簾同樣與每面窗相對(duì)應(yīng)，尺寸為1.3m×2.7m，顏色為淺色；布藝簾與卷簾的開啟方式不同，需將整面墻覆蓋，其尺寸為6m×6m，其孔隙率較小，僅為5%。具體遮陽(yáng)裝置光學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 遮陽(yáng)裝置光學(xué)參數(shù)

測(cè)試時(shí)間選定重慶地區(qū)7月天氣晴朗且室外氣候條件較為相似的一天時(shí)間（9：00至17：30）作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)段。對(duì)比重慶地區(qū)辦公室內(nèi)遮陽(yáng)開啟習(xí)慣，百葉內(nèi)遮陽(yáng)調(diào)控選擇90°（葉片與地面平行）、45°、30°三個(gè)典型傾角；內(nèi)遮陽(yáng)卷簾為全閉（遮陽(yáng)裝置全部放下）、半開和開啟1/5；布藝簾為全閉、半開和開啟1/5。9種內(nèi)遮陽(yáng)控制策略進(jìn)行了9天的實(shí)驗(yàn)，每種遮陽(yáng)控制策略測(cè)試周期均為一天。

室內(nèi)空氣溫度的測(cè)量選取了8個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)量點(diǎn)距離地面的高度取人坐姿時(shí)頭部位置，高度為1.1m，如圖1所示。參照文獻(xiàn)[10]測(cè)定方法，實(shí)驗(yàn)采用SK－WS1000-8多路溫濕度巡檢儀測(cè)量各測(cè)點(diǎn)溫度，采用SK-ZDXQ型自動(dòng)氣象站測(cè)量室外逐時(shí)空氣溫度和太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度，采用SK－FHRL1810W型建筑熱工多路溫度熱流檢測(cè)儀測(cè)量辦公室壁面和玻璃內(nèi)外壁面溫度，并在各測(cè)量點(diǎn)用錫箔紙進(jìn)行遮擋。

圖1 室內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)布置圖（m）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)測(cè)量室內(nèi)、外空氣及墻壁和玻璃壁面逐時(shí)溫度值，求得不同控制策略下不同時(shí)間點(diǎn)室內(nèi)外的溫差，并進(jìn)行分析探討。

圖2、圖3和圖4分別為布藝簾開1/5、布藝簾半開和布藝簾全閉的逐時(shí)平均溫度變化情況。布藝簾遮陽(yáng)室內(nèi)空氣逐時(shí)平均溫度的變化趨勢(shì)與室外氣象逐時(shí)溫度變化趨勢(shì)一致。布藝簾開1/5策略下室內(nèi)全天平均溫度30.1℃，比室外空氣溫度高出0.16℃，對(duì)比試驗(yàn)中全天平均溫度達(dá)到31.0℃，比室外空氣平均溫度高出了1.07℃，可見(jiàn)布藝簾開1/5能夠有效阻擋太陽(yáng)輻射，降低室內(nèi)溫度。布藝簾全閉策略下室內(nèi)全天平均溫度30.3℃，比室外空氣溫度高出0.16℃，對(duì)比試驗(yàn)中全天平均溫度達(dá)到31.1℃，比室外空氣平均溫度高出了1.15℃。由于布藝簾開啟1/5后受太陽(yáng)高度角和方位角的影響，僅在中午很短的時(shí)間內(nèi)受到陽(yáng)光直射作用，導(dǎo)致布藝簾全閉和開啟1/5兩種策略對(duì)室內(nèi)溫度的影響差別不大。布藝簾半開下，室內(nèi)全天平均溫度31.5℃，比室外空氣溫度相比高出了0.53℃，布藝簾半開遮陽(yáng)降溫效果較差，原因是在中午前后時(shí)段，布藝簾半開不能有效阻擋太陽(yáng)直射輻射，且通過(guò)對(duì)流傳熱大部分熱量也能通過(guò)玻璃進(jìn)入室內(nèi)。

圖2 布藝簾開1/5逐時(shí)平均溫度變化

圖3 布藝簾半開逐時(shí)平均溫度變化

圖4 布藝簾全閉逐時(shí)平均溫度變化

圖5 布藝簾開1/5圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面逐時(shí)溫度

圖6 布藝簾半開圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面逐時(shí)溫度

圖7 布藝簾全閉圍護(hù)結(jié)構(gòu)壁面逐時(shí)溫度

圖5 、圖6和圖7分別為布藝簾開1/5、布藝簾半開和布藝簾全閉時(shí)，室內(nèi)東墻、西墻、北墻、地面、南墻內(nèi)外壁和玻璃內(nèi)外壁逐時(shí)溫度的變化情況。從圖中可以看出，玻璃外壁溫度吸收太陽(yáng)輻射后溫度急劇上升，平均溫度比玻璃內(nèi)壁高出2℃～3℃。南墻外壁面溫度變化速率要比內(nèi)壁面大，室內(nèi)溫度波動(dòng)較小，熱量由南墻壁面和玻璃向室內(nèi)其它壁面以輻射和對(duì)流形式擴(kuò)散。對(duì)比三種遮陽(yáng)調(diào)控策略下室內(nèi)壁面平均溫度與室外溫度的差值可以發(fā)現(xiàn)，布藝簾開1/5和布藝簾全閉下室內(nèi)壁面溫度相差不大，都比室內(nèi)溫度略低。布藝簾半開時(shí)室內(nèi)壁面平均溫度比其他兩種策略要高出1℃左右，可見(jiàn)布藝簾半開下遮陽(yáng)降溫效果較差。

同理，對(duì)于百葉遮陽(yáng)，通過(guò)對(duì)比逐時(shí)溫度變化情況，可以得出，30°百葉的遮陽(yáng)降溫效果好于45°百葉，而45°百葉對(duì)調(diào)節(jié)室內(nèi)空間溫度平衡起到了一定的作用。90°百葉遮陽(yáng)降溫效果較差，主要原因是90°百葉葉片處于水平狀態(tài)，無(wú)法有效地遮擋太陽(yáng)輻射所致。對(duì)比墻壁和玻璃壁面溫度，可以得出，30°百葉與45°百葉墻內(nèi)壁溫度相差不大，都比室外溫度略低，而90°百葉室內(nèi)壁面溫度高于室外溫度，北墻內(nèi)壁平均溫度比室外溫度高出0.5℃，這也從另一方面說(shuō)明90°百葉遮陽(yáng)效果比30°百葉和45°百葉遮陽(yáng)降溫效果差。

對(duì)于卷簾遮陽(yáng)，通過(guò)對(duì)比逐時(shí)溫度變化情況可以得出，卷簾開啟1/5與卷簾全閉兩種策略的遮陽(yáng)降溫效果相差不大。卷簾半開下，室內(nèi)全天平均溫度31.6℃，比室外空氣溫度相比高出了0.54℃，說(shuō)明卷簾半開相對(duì)于其他兩種策略遮陽(yáng)降溫效果較差。對(duì)比墻壁和玻璃壁面溫度，可以得出，卷簾開1/5南墻內(nèi)壁的差值最小為2.6℃，卷簾全閉南墻內(nèi)壁差值最大，達(dá)到4.4℃。卷簾全閉和卷簾半開兩種策略下室內(nèi)壁面和室外溫度相差很小，但卷簾全閉卻比卷簾半開室內(nèi)溫度要低0.4℃左右，靠窗較近的測(cè)點(diǎn)3全天平均溫度也低0.5℃?？梢?jiàn)，卷簾全閉能有效阻擋太陽(yáng)直射輻射，達(dá)到良好的遮陽(yáng)降溫效果。

圖8所示為百葉遮陽(yáng)與室外逐時(shí)溫差變化情況，從圖中可以看出，45°百葉與室外逐時(shí)溫差從上午9時(shí)呈上升趨勢(shì)，在14時(shí)達(dá)到峰值，隨后開始下降。全天平均溫差0.38℃，最大溫差0.6℃。90°百葉與45°百葉走勢(shì)類似，全天平均溫差比45°百葉略小。30°百葉遮陽(yáng)與室外逐時(shí)溫差較大，最大溫差0.7℃，全天平均溫差為0.52℃，因此全天30°百葉遮陽(yáng)為最優(yōu)遮陽(yáng)策略。

圖8 百葉遮陽(yáng)與室外逐時(shí)溫度差值

圖9 和圖10分別為布藝簾遮陽(yáng)和卷簾遮陽(yáng)與室外逐時(shí)溫度差值變化情況。通過(guò)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，布藝簾遮陽(yáng)與卷簾遮陽(yáng)降溫效果相似，布藝簾半開和卷簾半開遮陽(yáng)與對(duì)比組逐時(shí)溫差較小，全天平均溫差在0.4℃左右，遮陽(yáng)效果并不理想。布藝簾全閉與室外逐時(shí)溫差最高達(dá)到1.3℃，全天平均溫差1.02℃，說(shuō)明布藝簾全閉時(shí)遮陽(yáng)降溫效果較好，能夠有效降低室內(nèi)溫度。而布藝簾開1/5與室外逐時(shí)溫度差值最高1.2℃，全天平均溫差0.96℃，與布藝簾全閉時(shí)遮陽(yáng)降溫效果相差不大。卷簾全閉的遮陽(yáng)降溫效果在卷簾遮陽(yáng)中最好。

表2 不同遮陽(yáng)策略下溫度差值與空調(diào)耗電量表

圖9 布藝簾遮陽(yáng)與室外逐時(shí)溫度差值

圖10 卷簾遮陽(yáng)與室外逐時(shí)溫度差值

綜合來(lái)看，百葉的遮陽(yáng)降溫效果較差，但百葉30°遮陽(yáng)要好于布藝簾半開和卷簾半開遮陽(yáng)策略；布藝簾和卷簾遮陽(yáng)降溫效果較好，其中布藝簾全閉和卷簾全閉是最優(yōu)的遮陽(yáng)策略。

3 不同內(nèi)遮陽(yáng)調(diào)控策略的節(jié)能率

采用DesignBuilder軟件計(jì)算不同遮陽(yáng)策略下的節(jié)能率。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)相鄰房間均為開啟空調(diào)，且內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷負(fù)荷忽略不計(jì)，計(jì)算空調(diào)冷負(fù)荷時(shí)采用冷負(fù)荷系數(shù)法。為了使室外溫度更加貼近實(shí)測(cè)溫度，修改DesignBuilder軟件中氣象參數(shù)，取當(dāng)天室外干球溫度32.0℃不變，空調(diào)設(shè)定基礎(chǔ)溫度為26℃，其中空調(diào)設(shè)定溫度為基礎(chǔ)溫度與遮陽(yáng)溫差的和。夏季制冷能效比EER取值為3，計(jì)量時(shí)間為9：00至18：00。建筑不設(shè)置遮陽(yáng)，僅研究室內(nèi)溫度變化對(duì)空調(diào)能耗的貢獻(xiàn)率。表2為不同遮陽(yáng)策略下溫度差值與空調(diào)耗電量。

室內(nèi)溫度變化對(duì)空調(diào)能耗的貢獻(xiàn)率ESr（Energy-saving rate）可用下式表示：

ESr=(Qs-Qe)/Qsx100%

式中：Qs為空調(diào)基礎(chǔ)溫度設(shè)定為26℃時(shí)，空調(diào)全天耗電量，由軟件計(jì)算得18.60kW·h；Qe為不同遮陽(yáng)調(diào)控策略下，以基礎(chǔ)溫度與遮陽(yáng)溫差的和作為空調(diào)設(shè)定溫度時(shí)，空調(diào)全天耗電量，kW·h。

通過(guò)計(jì)算，不同遮陽(yáng)策略下的節(jié)能率如圖11所示。從圖11中可以看出，布藝簾全閉策略節(jié)能率最高，達(dá)到11.3%，卷簾全閉策略次之，而百葉90°節(jié)能率最低，僅有3.6%。對(duì)于遮陽(yáng)產(chǎn)品，從降低室內(nèi)溫度方面來(lái)講，布藝簾的節(jié)能效果要優(yōu)于卷簾和百葉。這是由于所選的布藝簾孔隙率較低，且為銀灰色，可以有效阻擋太陽(yáng)輻射進(jìn)入室內(nèi)。

圖11 不同遮陽(yáng)策略下的節(jié)能率

4 結(jié)語(yǔ)

本文以遮陽(yáng)策略下室內(nèi)溫差作為衡量遮陽(yáng)降溫效果優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了重慶地區(qū)某建筑不同內(nèi)遮陽(yáng)設(shè)施在不同調(diào)控策略下對(duì)室內(nèi)溫度的影響，并對(duì)遮陽(yáng)效果進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）百葉遮陽(yáng)中30°遮陽(yáng)與室外逐時(shí)溫度差值較大，最大溫差0.7℃，全天平均溫差為0.52℃，而90°百葉與45°百葉全天平均溫差僅0.38℃；布藝簾遮陽(yáng)與卷簾遮陽(yáng)效果相差不大，其中布藝簾全閉和卷簾全閉是最優(yōu)的遮陽(yáng)策略，全天平均溫差高達(dá)1℃左右。

（2）通過(guò)軟件計(jì)算不同遮陽(yáng)策略下的節(jié)能率，布藝簾全閉策略節(jié)能率最高，達(dá)到11.3%，卷簾全閉策略次之，而百葉90°節(jié)能率最低，僅有3.6%。

（3）不同內(nèi)遮陽(yáng)方式、不同調(diào)控策略對(duì)空調(diào)能耗影響較大，只有選擇最合適的內(nèi)遮陽(yáng)方式，才能在既定條件下最大限度地降低空調(diào)能耗，減少不必要的能源損耗。