百葉型外遮陽對建筑光熱能耗影響的優(yōu)化探討

■ 宋德萱 SONG Dexuan 童曉泉 TONG Xiaoquan 周伊利 ZHOU Yili

1 緒論

外窗作為建筑節(jié)能的薄弱環(huán)節(jié)，在外立面安裝百葉遮陽裝置是常見措施。在炎熱的夏季，百葉可以降低建筑制冷能耗；但在無需遮陽時，則會影響室內(nèi)采光，增加照明能耗；而在寒冷的冬季，又會遮擋部分日照，增加采暖能耗。故從能量角度出發(fā)，如何平衡照明、制冷、采暖三部分能耗以最大限度地發(fā)揮遮陽百葉的節(jié)能效果，值得深入研究。

劉鳴飛等[1]以西安某居住建筑為例，證明水平外遮陽角度處于30～45°之間時，可以顯著降低夏季空調能耗，同時兼顧室內(nèi)良好的自然采光效果；姜俞龍等[2]對不同外遮陽百葉傾角條件下，計算出鄭州某建筑全年采暖和照明的綜合能耗；霍慧敏等[3]驗證了外遮陽百葉與外窗玻璃的間距，對于室內(nèi)能耗計算的影響小于2%，忽略裝置與玻璃間距的遮陽模型具有可行性。崔艷秋等[4]通過模擬發(fā)現(xiàn)，適當增加葉片寬度或減小葉片間距，可降低夏季制冷能耗，提升室內(nèi)采光均勻度；衡濤等[5]以深圳某南向教室為例，研究外遮陽百葉傾角與室內(nèi)舒適度的關系，得出最佳傾角為30～60°；劉國丹等[6]通過EnergyPlus 模擬不同百葉傾角下，青島某建筑的夏季室內(nèi)熱環(huán)境、光環(huán)境、綜合能耗情況，從而確定最佳百葉遮陽角度；王錫[7]將百葉葉片到窗戶的距離、葉片間距與尺寸、葉片傾角作為自變量，利用Honeybee 和Ladybug，對廣州某辦公建筑外遮陽百葉進行模擬，通過遺傳算法迭代，得到帕累托解集，證明了算法優(yōu)化的合理性及其對于建筑節(jié)能的實用價值；Kim Wonuk 等[8]利用遺傳算法，尋找滿足使用者光熱舒適條件下的建筑最低能耗，在冬季3 個月使能耗下降13.7%；Bustamante 等[9]通過對弧形穿孔百葉系統(tǒng)的優(yōu)化，實現(xiàn)了滿足室內(nèi)采光要求前提下的建筑能耗最低。

可見，現(xiàn)有關于百葉遮陽裝置對室內(nèi)能耗影響的研究，大多集中在特定時間或單一能耗；而以全年為周期，分析百葉對室內(nèi)光熱綜合能耗的研究相對較少，分析精度也較低，且未考慮人工調節(jié)的可能性。基于此現(xiàn)狀，本文通過對外遮陽構件在不同狀態(tài)下的室內(nèi)全年照明、制冷、采暖能耗進行模擬，尋找不同調控頻率下外遮陽百葉傾角的最優(yōu)解集。為控制變量，減少各類偶然因素的干擾，以提高研究的精準性，需選擇一特征性明顯，使用規(guī)律和相關建筑標準明確，且具有代表性的建筑類型作為分析案例。辦公類建筑作為常見的建筑種類，使用時間規(guī)律性較強，且相關規(guī)范完善，故以其為代表，研究百葉型外遮陽對建筑室內(nèi)全年光熱綜合能耗的影響。

2 無遮陽室內(nèi)光熱綜合能耗

2.1 建筑參數(shù)設定

本研究采用的能耗模擬平臺為Ladybug 和Honeybee。氣象數(shù)據(jù)來源于中國標準氣象數(shù)據(jù)庫（CSWD）。根據(jù)《室內(nèi)空氣質量標準》（GB/T 18883—2002）相關規(guī)定，將夏季制冷溫度設為26℃，冬季采暖溫度設為20℃。本文以上海地區(qū)某多層內(nèi)廊式辦公建筑為例，取其中間層的南向標準間為研究對象，利用Grasshopper 建立模型（圖1），房間開間和進深均為8 m，層高4 m，南側為外墻面，其余三面均為內(nèi)墻，外墻窗墻比為0.4，窗臺高0.9 m，窗高2.4 m。

圖1 南向標準間模型

由于該房間只有南面為氣候開敞面，為避免樓板、內(nèi)墻因氣候開敞帶來的熱量大幅交換而導致誤差增大，需在該單間外包裹一更大的、具有同樣建筑材質的單體，以更接近真實建筑環(huán)境，且外包部分長、寬、高均為單間的2 倍。建筑外墻構造從外向內(nèi)分別設定為20 mm 厚水泥砂漿、200 mm 厚加氣混凝土砌塊、50 mm 厚聚苯乙烯泡沫板（EPS板）、15 mm 厚水泥砂漿；內(nèi)墻為15 mm 厚水泥砂漿、200 mm 厚加氣混凝土砌塊、15 mm 厚水泥砂漿；天花板與地面均為15 mm 厚水泥砂漿、100 mm 厚鋼筋混凝土、15 mm厚水泥砂漿；房間外包部分四周墻體按照單間外墻構造設定，屋頂與地面按照單間樓地面構造設定。窗戶玻璃選用中空玻璃構造，從外向內(nèi)分別為6 mm 厚清玻璃、13 mm 厚空氣層、6 mm 厚清玻璃。根據(jù)《建筑照明設計標準》（GB 50034—2013），房間內(nèi)各部分反射比設定為：地面0.2、天花板0.8、內(nèi)墻面0.5；照明功率密度值設定為11 W/m2，人工照明調光為兩檔。房間內(nèi)共設置16 個照度值監(jiān)測點，間距2 m，距地面高度0.75 m；當對應監(jiān)測點照度低于300 lx 時開啟室內(nèi)的人工照明。根據(jù)《辦公建筑設計標準》（JGJ/T 67—2019）：人員密度設為6 人/m2，人體新陳代謝率為1.2 met（即70 W/m2，靜坐辦公狀態(tài)），設備用電荷載為15 W/m2，外圍護結構空氣滲透率為0.000 3 m2/（s·m2），換氣頻率為1 次/h。

實際情況中，建筑在有人使用時均會產(chǎn)生能耗，但本文研究的重心在于外遮陽百葉對室內(nèi)光熱能耗的影響，故所需研究的時間段應滿足：①建筑處于使用狀態(tài)；②室內(nèi)光熱環(huán)境受到太陽輻射影響。由于大氣折射，天亮至日出之間、日落至天黑之間的時間段內(nèi)仍有明顯光照，故以此為依據(jù)，每月的天亮與天黑時間取月中當日或月中兩日的均值。根據(jù)中央氣象臺網(wǎng)站數(shù)據(jù)，結合人員出勤情況及能耗計算的時間精度，逐月分析時間段（表1）。

表1 逐月分析時間

2.2 外遮陽百葉參數(shù)設定

外遮陽百葉整體外輪廓尺寸與窗戶尺寸相同，材料為磨砂陽極氧化鋁合金，反射率0.6、透射率0、發(fā)射率0.55、厚度3 mm、導熱率150 W/(mk)；百葉距離窗戶50 mm，葉片寬度200 mm、長度同窗寬，間距200 mm，偏轉角度±90°（水平狀為0°，向上傾斜為正，向下為負）。以1 年為周期，人工調控頻率設定為0 次、2 次、4 次、6 次、12 次。調控精度即葉片傾角調整時的單位角度值，設為10°，此時90°與-90°葉片狀態(tài)相同，故將角度范圍設定為-90～80°，共18個值。

2.3 室內(nèi)光熱能耗

由于設定的全年百葉調控頻率最大為12 次，為后續(xù)可進行單項能耗的逐月比對，對無遮陽條件下的照明、制冷、采暖能耗分別進行逐月計算。以無遮陽狀態(tài)下室內(nèi)光熱能耗為基準值，與不同遮陽狀態(tài)下室內(nèi)光熱能耗組成情況進行對比。

Honeybee 的運算器Annual Daylight Simulation 可對逐個測試點的照度進行計算，并結合房間內(nèi)的照度值監(jiān)測點，判定是否需要開啟人工照明。人工照明的控制可通過Lighting Control Recipe 和Daysim Occupancy Generator 等運算器完成，并結合Daysim Electrical Lighting Use 等運算器統(tǒng)計出對應時間段內(nèi)的照明能耗。制冷、采暖能耗主要通過Honeybee 中的Run EnergyPlus Simulation 運算器調用EnergyPlus 能耗模擬引擎，并根據(jù)設定時間段，進行逐月計算（表2）。

從表2 可以看出，分析時段內(nèi)逐月照明能耗總體先升高后降低，全年照明總能耗為1 766.6 kWh；制冷能耗主要集中于6—9 月，其中7 月最高，超過全年比重的1/3，全年制冷總能耗為3 578.43 kWh；采暖能耗主要集中于12 月至次年3 月，其中1 月最高，也超過全年比重的1/3，全年采暖總能耗為1 714.72 kWh。由此可得：無遮陽條件下，室內(nèi)全年照明、制冷、采暖能耗總量為7 059.75 kWh，三者比例約為1∶2∶1。

表2 無遮陽室內(nèi)逐月照明、制冷、采暖能耗單位：kWh

3 不同遮陽條件下室內(nèi)光熱能耗分項研究

3.1 照明能耗

照明能耗的計算和尋優(yōu)分兩步，即：首先計算出不同傾角條件下的室內(nèi)逐月照明能耗；再對計算結果進行比對，尋求單照明要素下的最優(yōu)傾角解集。

經(jīng)計算，不同百葉傾角對應的室內(nèi)逐月照明能耗如表3 所示。將不同百葉傾角對應的逐月照明能耗進行累加：最低值為1 687.4 kWh，對應傾角20°，比無遮陽情況下的照明能耗下降4.48%；最高值為2 394.3 kWh，對應傾角-90°，比無遮陽情況下的照明能耗上升35.53%；兩者差值706.9 kWh，且不同傾角對應照明能耗從20°向兩側逐漸升高（圖2）。

圖2 不同百葉傾角的室內(nèi)照明能耗變化圖

表3 不同百葉傾角的室內(nèi)逐月照明能耗

室內(nèi)照明能耗受到室外入射光強弱、角度、時間等因素影響，而由于太陽運動軌跡的變化，對應的最佳百葉傾角也會出現(xiàn)變化。當百葉傾角可調時，全年最低照明能耗為1 683.9 kWh，最高為2 394.3 kWh。最低能耗對應傾角解集為：1—3 月 呈10°，4—8 月呈20°，9—12 月呈10°，相較于全年單一傾角（20°）的最低能耗值降低3.5 kWh，約0.21%；較無遮陽狀態(tài)下的照明能耗下降82.7 kWh，約4.68%，這是由于氧化鋁合金葉片具有一定的反射性，將部分陽光反射至頂棚，增加了室內(nèi)深處的漫反射強度。此現(xiàn)象在9 月葉片傾角為10°時最顯著。

3.2 室內(nèi)制冷能耗

與照明能耗不同，室內(nèi)制冷只在部分月份（3—10 月）產(chǎn)生能耗。對不同百葉狀態(tài)下的室內(nèi)逐月制冷能耗進行模擬（表4），并根據(jù)結果尋求單制冷要素前提下的最優(yōu)傾角解集。

表4 不同百葉傾角的室內(nèi)逐月制冷能耗

從表4 可看出，3 月和4 月制冷能耗水平最低，是由于此時室外平均干球溫度較低，室內(nèi)溫度超過26℃的熱量主要來自于直射陽光，使百葉的遮擋對于降低室內(nèi)制冷能耗作用顯著。當葉片傾角處于20～70°時，能耗降幅最小，此時出現(xiàn)葉片方向與陽光入射方向平行的概率最大，該現(xiàn)象在10 月、傾角為50°時最為明顯，制冷能耗降幅不足8%。7 月和8 月的室內(nèi)制冷能耗達到全年峰值，且此時室外平均干球溫度超過27℃，壁面熱輻射對于空調功率和開啟率的影響大幅增加，由直射光造成的室內(nèi)升溫比例相對下降，百葉葉片對于降低制冷能耗的作用也隨之減少。

將不同百葉傾角對應的逐月制冷能耗進行累加，最低值為2 798.65 kWh，對應傾角為-90°；最高值為3 217.28 kWh，對應傾角為50°；兩者差值418.63 kWh（圖3）。其最低值和最高值相對于無遮陽情況下的制冷能耗分別下降21.79%、10.09%。

圖3 不同百葉傾角的室內(nèi)制冷能耗變化圖

制冷能耗最優(yōu)的逐月百葉傾角解集表明：水平百葉閉合程度越高，越有利于降低制冷能耗。當百葉傾角可調時，全年最低制冷能耗為2 798.65 kWh，最高為3 291.79 kWh，相較于無遮陽情況下的能耗分別下降21.79%、8.01%；最低能耗對應傾角解集為3—10 月，均呈-90°。

3.3 室內(nèi)采暖能耗

與制冷能耗類似，室內(nèi)采暖也只在部分月份（1—5 月、10—12 月）產(chǎn)生能耗。對不同百葉傾角狀態(tài)下的逐月采暖能耗進行計算（表5），并根據(jù)結果尋求單采暖要素下的最優(yōu)傾角解集。

從表5 可看出，5 月采暖能耗最低，1 月采暖能耗最高。當水平百葉的傾角處于30～50°范圍時，對應的采暖能耗最低，其平均增幅在10%上下；當葉片傾角為-90°時，采暖能耗增幅最高，除3 月外，均超過30%。

表5 不同百葉傾角的室內(nèi)逐月采暖能耗

將不同百葉傾角對應的逐月采暖能耗進行累加：最低值為1 874.79 kWh，對應傾角40°；最高值為2 513.37 kWh，對應傾角-90°；兩者差值638.58 kWh（圖4）。其最低值和最高值相較于無遮陽情況下的采暖能耗分別上升9.34%、46.58%。

圖4 不同百葉傾角的室內(nèi)采暖能耗變化圖

采暖能耗最優(yōu)的逐月百葉傾角解集在10～50°范圍內(nèi)，表明葉片傾角越平行于太陽光入射方向，越有利于降低采暖能耗。當百葉傾角可調時，全年最低采暖能耗為1 854.89 kWh，最高為2 513.37 kWh，相較于無遮陽情況下的能耗分別增加8.17%、46.61%；最低能耗對應傾角解集在10～50°之間波動。

4 調控頻率與最優(yōu)光熱綜合能耗

4.1 不同調控頻率光熱綜合能耗尋優(yōu)

將不同條件下的室內(nèi)光熱綜合能耗數(shù)值進行分類匯總，得到不同月份、不同葉片傾角對應的能耗數(shù)值變化情況（圖5）。

圖5 不同葉片傾角的室內(nèi)光熱綜合能耗變化圖

與無遮陽相比，18 組不同傾角中，總能耗下降的僅占4 組，其余14 組傾角對應的光熱綜合能耗均出現(xiàn)不同程度上升。其中，當葉片傾角為30°時，對應全年光熱綜合能耗最低（6 836.29 kWh），相較于無遮陽條件下的光熱綜合能耗7 059.75 kWh，降幅3.17%；當葉片傾角為-80°時，對應全年光熱綜合能耗最高，增幅9.24%?？梢妼τ谒秸陉柊偃~而言，全年保持同一傾角，并不一定能夠實現(xiàn)建筑節(jié)能的目的；若角度設定不當，甚至會增加建筑能耗。

根據(jù)上述分析，可判定當葉片傾角調控頻率為0 次時，外遮陽水平百葉最佳角度為30°，對應節(jié)能率為3.17%。在調控頻率不為0 的4 種頻率中，當調控頻率為12 次時，調控時間為每月1 日；而其余3 種均需確定首次調控時間，可能性如表6 所示。經(jīng)分析可得，不同調控頻率下，室內(nèi)全年最優(yōu)光熱綜合能耗與降幅如表7 所示，此時最優(yōu)傾角解集如圖6所示。

圖6 不同調控頻率對應最優(yōu)傾角解集

表6 水平遮陽不同調控頻率對應首次調控時間

表7 不同調控頻率對應最低光熱綜合能耗與能耗降幅

4.2 分項能耗

以不同調控頻率的百葉傾角最優(yōu)解集為調控依據(jù)，將水平遮陽的室內(nèi)全年光熱綜合能耗還原為照明、制冷、采暖能耗三項，與無遮陽條件下的數(shù)據(jù)進行對比，可得出對應能耗的增減情況（表8、圖7）。

表8 不同調控頻率對應分項能耗

從 表7、8 及 圖7 可以看出：①在本研究設定的水平遮陽條件下，隨著調控頻率的增大，室內(nèi)最優(yōu)光熱綜合能耗降幅總體逐漸擴大（除調控頻率為6 次時的降幅略低于4次）；②水平百葉對降低室內(nèi)制冷能耗有顯著作用，不同調控頻率對應的最優(yōu)傾角解集，平均可降低制冷能耗16.94%，但也會增加照明能耗5.66%、采暖能耗10.73%，由于制冷能耗占比最大，增減相抵后，最終仍可小幅降低光熱綜合能耗。

圖7 不同調控頻率對應分項能耗增減率

5 結論與展望

本文從定量的角度，證明水平百葉外遮陽裝置對節(jié)約建筑夏季制冷能耗具有積極意義，但也會顯著增加全年照明和采暖能耗。結果表明：當全年采用單一傾角時，20°對應的室內(nèi)照明能耗最低，較無遮陽狀態(tài)下降4.48%；-90°對應室內(nèi)制冷能耗最低，較無遮陽狀態(tài)下降21.79%；40°對應的室內(nèi)采暖能耗最低，較無遮陽狀態(tài)上升9.34%；若對百葉傾角進行人工調整，全年調控頻率0次、2 次、4 次、6 次、12 次，對應的室內(nèi)最低光熱綜合能耗降幅分別為3.17%、4.16%、4.99%、4.96%、5.54%。以上結論建立在節(jié)能優(yōu)先的前提下，百葉系統(tǒng)的實際狀態(tài)還需考慮使用者視野、偏好、眩光等其他諸多要素。同時，由于不同建筑類型的相關標準不同，以及管理水平和人員習慣差異，百葉型外遮陽所能發(fā)揮的效果也可能產(chǎn)生相應變化。

當前百葉遮陽裝置的應用大多仍停留在非智能化階段，即百葉傾角具備調節(jié)能力，但因成本限制，無法根據(jù)氣候與時間因素進行自動調節(jié)。未來隨著成本優(yōu)化和技術水平提升，或許會有越來越多的外遮陽百葉安裝智能調節(jié)系統(tǒng)，以獲得最佳的節(jié)能效果和室內(nèi)光熱環(huán)境。