重慶地區某建筑不同內遮陽調控策略節能效果分析

沈長亮，莊春龍，趙少卿

（1重慶師范大學基建處，重慶 401331；2陸軍勤務學院軍事設施系，重慶 401331；3海軍青島某基地，山東青島 266000）

0 引言

建筑內遮陽是指遮陽裝置和控制體都位于室內的遮陽方式，是我國應用最普遍的一種遮陽方式。對于中庭玻璃屋面，加裝內遮陽可以改善室內熱環境，降低室內空調冷負荷[1]，如果在內遮陽與玻璃之間加排風機，中庭周圍空調輻射區溫度降低約4℃，并改善采光對人體換射量的影響[2]。實驗研究表明，內遮陽房間的內墻內表面溫度比沒有設置內遮陽的房間平均低0.6℃～1℃，但自然采光照度下降了81%，內遮陽可以有效削減太陽輻射熱，內遮陽房間的空調節能率達到17.24%左右[3]。通過模擬計算比較：所采用的遮陽措施中效果最明顯的是內懸掛淺色窗簾及雙層玻璃并輔以0.4m水平探出的遮陽板[4]。

建筑遮陽會影響室內采光和建筑得熱過程，遮陽裝置在遮擋太陽輻射進入室內、減少空調制冷能耗的同時，也不可避免地阻礙了自然采光，并導致人工照明能耗的大幅上升[5-6]。而選用高度透明的內遮陽可以降低室內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“瞬時有效照度（IUDI）”采光評價指標，通過軟件模擬了卷簾和百葉遮陽的調控策略，得出合理的調控策略可以提高室內采光質量[8]。Tzempelikos等人根據設定功率密度等參數提出了4種卷簾內遮陽調控策略，并通過試驗對模擬進行了驗證[9]，但該文獻并沒有涉及卷簾在不同開啟程度下的研究。不同的遮陽方式和不同的調控策略，對室內采光和建筑得熱及空調能耗有不同的影響，只有合理的搭配，才能最大限度地發揮內遮陽的作用。

1 實驗設置

為研究不同內遮陽調控方式對室內熱環境的影響，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。根據重慶地區氣候特點和人們辦公、生活習慣，實驗選取金屬百葉簾、布藝簾和卷簾三類遮陽產品，通過三種不同內遮陽設施，采用不同遮陽調控策略，研究內遮陽對室內熱環境變化的影響。其中，百葉葉片寬度30mm，葉片間距18mm，每面窗均設置百葉簾；卷簾同樣與每面窗相對應，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%。具體遮陽裝置光學參數如表1所示。

表1 遮陽裝置光學參數

測試時間選定重慶地區7月天氣晴朗且室外氣候條件較為相似的一天時間（9：00至17：30）作為一個實驗時段。對比重慶地區辦公室內遮陽開啟習慣，百葉內遮陽調控選擇90°（葉片與地面平行）、45°、30°三個典型傾角；內遮陽卷簾為全閉（遮陽裝置全部放下）、半開和開啟1/5；布藝簾為全閉、半開和開啟1/5。9種內遮陽控制策略進行了9天的實驗，每種遮陽控制策略測試周期均為一天。

室內空氣溫度的測量選取了8個測點，各測量點距離地面的高度取人坐姿時頭部位置，高度為1.1m，如圖1所示。參照文獻[10]測定方法，實驗采用SK－WS1000-8多路溫濕度巡檢儀測量各測點溫度，采用SK-ZDXQ型自動氣象站測量室外逐時空氣溫度和太陽直射輻射強度，采用SK－FHRL1810W型建筑熱工多路溫度熱流檢測儀測量辦公室壁面和玻璃內外壁面溫度，并在各測量點用錫箔紙進行遮擋。

圖1 室內溫度測點布置圖（m）

2 實驗結果分析

通過測量室內、外空氣及墻壁和玻璃壁面逐時溫度值，求得不同控制策略下不同時間點室內外的溫差，并進行分析探討。

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平均溫度變化情況。布藝簾遮陽室內空氣逐時平均溫度的變化趨勢與室外氣象逐時溫度變化趨勢一致。布藝簾開1/5策略下室內全天平均溫度30.1℃，比室外空氣溫度高出0.16℃，對比試驗中全天平均溫度達到31.0℃，比室外空氣平均溫度高出了1.07℃，可見布藝簾開1/5能夠有效阻擋太陽輻射，降低室內溫度。布藝簾全閉策略下室內全天平均溫度30.3℃，比室外空氣溫度高出0.16℃，對比試驗中全天平均溫度達到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后受太陽高度角和方位角的影響，僅在中午很短的時間內受到陽光直射作用，導致布藝簾全閉和開啟1/5兩種策略對室內溫度的影響差別不大。布藝簾半開下，室內全天平均溫度31.5℃，比室外空氣溫度相比高出了0.53℃，布藝簾半開遮陽降溫效果較差，原因是在中午前后時段，布藝簾半開不能有效阻擋太陽直射輻射，且通過對流傳熱大部分熱量也能通過玻璃進入室內。

圖2 布藝簾開1/5逐時平均溫度變化

圖3 布藝簾半開逐時平均溫度變化

圖4 布藝簾全閉逐時平均溫度變化

圖5 布藝簾開1/5圍護結構壁面逐時溫度

圖6 布藝簾半開圍護結構壁面逐時溫度

圖7 布藝簾全閉圍護結構壁面逐時溫度

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，室內東墻、西墻、北墻、地面、南墻內外壁和玻璃內外壁逐時溫度的變化情況。從圖中可以看出，玻璃外壁溫度吸收太陽輻射后溫度急劇上升，平均溫度比玻璃內壁高出2℃～3℃。南墻外壁面溫度變化速率要比內壁面大，室內溫度波動較小，熱量由南墻壁面和玻璃向室內其它壁面以輻射和對流形式擴散。對比三種遮陽調控策略下室內壁面平均溫度與室外溫度的差值可以發現，布藝簾開1/5和布藝簾全閉下室內壁面溫度相差不大，都比室內溫度略低。布藝簾半開時室內壁面平均溫度比其他兩種策略要高出1℃左右，可見布藝簾半開下遮陽降溫效果較差。

同理，對于百葉遮陽，通過對比逐時溫度變化情況，可以得出，30°百葉的遮陽降溫效果好于45°百葉，而45°百葉對調節室內空間溫度平衡起到了一定的作用。90°百葉遮陽降溫效果較差，主要原因是90°百葉葉片處于水平狀態，無法有效地遮擋太陽輻射所致。對比墻壁和玻璃壁面溫度，可以得出，30°百葉與45°百葉墻內壁溫度相差不大，都比室外溫度略低，而90°百葉室內壁面溫度高于室外溫度，北墻內壁平均溫度比室外溫度高出0.5℃，這也從另一方面說明90°百葉遮陽效果比30°百葉和45°百葉遮陽降溫效果差。

對于卷簾遮陽，通過對比逐時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降溫效果相差不大。卷簾半開下，室內全天平均溫度31.6℃，比室外空氣溫度相比高出了0.54℃，說明卷簾半開相對于其他兩種策略遮陽降溫效果較差。對比墻壁和玻璃壁面溫度，可以得出，卷簾開1/5南墻內壁的差值最小為2.6℃，卷簾全閉南墻內壁差值最大，達到4.4℃。卷簾全閉和卷簾半開兩種策略下室內壁面和室外溫度相差很小，但卷簾全閉卻比卷簾半開室內溫度要低0.4℃左右，靠窗較近的測點3全天平均溫度也低0.5℃。可見，卷簾全閉能有效阻擋太陽直射輻射，達到良好的遮陽降溫效果。

圖8所示為百葉遮陽與室外逐時溫差變化情況，從圖中可以看出，45°百葉與室外逐時溫差從上午9時呈上升趨勢，在14時達到峰值，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°百葉走勢類似，全天平均溫差比45°百葉略小。30°百葉遮陽與室外逐時溫差較大，最大溫差0.7℃，全天平均溫差為0.52℃，因此全天30°百葉遮陽為最優遮陽策略。

圖8 百葉遮陽與室外逐時溫度差值

圖9 和圖10分別為布藝簾遮陽和卷簾遮陽與室外逐時溫度差值變化情況。通過對比，可以發現，布藝簾遮陽與卷簾遮陽降溫效果相似，布藝簾半開和卷簾半開遮陽與對比組逐時溫差較小，全天平均溫差在0.4℃左右，遮陽效果并不理想。布藝簾全閉與室外逐時溫差最高達到1.3℃，全天平均溫差1.02℃，說明布藝簾全閉時遮陽降溫效果較好，能夠有效降低室內溫度。而布藝簾開1/5與室外逐時溫度差值最高1.2℃，全天平均溫差0.96℃，與布藝簾全閉時遮陽降溫效果相差不大。卷簾全閉的遮陽降溫效果在卷簾遮陽中最好。

表2 不同遮陽策略下溫度差值與空調耗電量表

圖9 布藝簾遮陽與室外逐時溫度差值

圖10 卷簾遮陽與室外逐時溫度差值

綜合來看，百葉的遮陽降溫效果較差，但百葉30°遮陽要好于布藝簾半開和卷簾半開遮陽策略；布藝簾和卷簾遮陽降溫效果較好，其中布藝簾全閉和卷簾全閉是最優的遮陽策略。

3 不同內遮陽調控策略的節能率

采用DesignBuilder軟件計算不同遮陽策略下的節能率。為了簡化計算，假設相鄰房間均為開啟空調，且內圍護結構的冷負荷忽略不計，計算空調冷負荷時采用冷負荷系數法。為了使室外溫度更加貼近實測溫度，修改DesignBuilder軟件中氣象參數，取當天室外干球溫度32.0℃不變，空調設定基礎溫度為26℃，其中空調設定溫度為基礎溫度與遮陽溫差的和。夏季制冷能效比EER取值為3，計量時間為9：00至18：00。建筑不設置遮陽，僅研究室內溫度變化對空調能耗的貢獻率。表2為不同遮陽策略下溫度差值與空調耗電量。

室內溫度變化對空調能耗的貢獻率ESr（Energy-saving rate）可用下式表示：

ESr=(Qs-Qe)/Qsx100%

式中：Qs為空調基礎溫度設定為26℃時，空調全天耗電量，由軟件計算得18.60kW·h；Qe為不同遮陽調控策略下，以基礎溫度與遮陽溫差的和作為空調設定溫度時，空調全天耗電量，kW·h。

通過計算，不同遮陽策略下的節能率如圖11所示。從圖11中可以看出，布藝簾全閉策略節能率最高，達到11.3%，卷簾全閉策略次之，而百葉90°節能率最低，僅有3.6%。對于遮陽產品，從降低室內溫度方面來講，布藝簾的節能效果要優于卷簾和百葉。這是由于所選的布藝簾孔隙率較低，且為銀灰色，可以有效阻擋太陽輻射進入室內。

圖11 不同遮陽策略下的節能率

4 結語

本文以遮陽策略下室內溫差作為衡量遮陽降溫效果優劣的標準，通過實驗測試了重慶地區某建筑不同內遮陽設施在不同調控策略下對室內溫度的影響，并對遮陽效果進行對比分析，得出以下結論：

（1）百葉遮陽中30°遮陽與室外逐時溫度差值較大，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℃；布藝簾遮陽與卷簾遮陽效果相差不大，其中布藝簾全閉和卷簾全閉是最優的遮陽策略，全天平均溫差高達1℃左右。

（2）通過軟件計算不同遮陽策略下的節能率，布藝簾全閉策略節能率最高，達到11.3%，卷簾全閉策略次之，而百葉90°節能率最低，僅有3.6%。

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