百葉外遮陽(yáng)對(duì)辦公建筑光熱環(huán)境及綜合能耗影響研究

梁樹維，劉國(guó)丹，紀(jì)銥行，滕 潤(rùn)，王志欣，李傳銳(青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 266033)

目前，辦公建筑多采用玻璃幕墻，較大的窗墻比可以保證室內(nèi)的良好采光，但更多的太陽(yáng)光透過玻璃射入室內(nèi)，影響室內(nèi)的光熱環(huán)境及耗能水平.在建筑設(shè)計(jì)中，合理有效利用太陽(yáng)輻射，不僅可以營(yíng)造健康舒適的室內(nèi)環(huán)境，還能夠減少對(duì)耗能設(shè)備的依賴，有效降低建筑能耗[1].冬季，太陽(yáng)輻射是得熱量的一部分，可以抵消部分建筑耗熱量；夏季，太陽(yáng)輻射則會(huì)增大冷負(fù)荷.此外，合理利用太陽(yáng)光能，也可以降低照明能耗，但需考慮眩光引起的不適感[2].通常人們會(huì)采用遮陽(yáng)措施滿足不同光照需求[3-4].

建筑遮陽(yáng)方式依據(jù)遮陽(yáng)構(gòu)件形式不同可以分為5種：水平式、垂直式、綜合式、擋板式以及百葉式.其中，百葉式遮陽(yáng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可調(diào)節(jié)葉片轉(zhuǎn)角，滿足不同遮陽(yáng)需要，在辦公建筑中應(yīng)用較為廣泛.劉國(guó)丹等[5]通過Ecotect軟件對(duì)不同遮陽(yáng)形式進(jìn)行了采光系數(shù)與照度水平的模擬，指出百葉遮陽(yáng)形式對(duì)室內(nèi)采光更為有利.帥慶源等[6]利用DEST軟件分析了百葉窗遮陽(yáng)在我國(guó)不同地區(qū)對(duì)全年采暖及制冷能耗的影響.ERELL等[7]研究了不同的遮陽(yáng)控制策略下辦公室的采光性能，發(fā)現(xiàn)在各種遮陽(yáng)措施中，使用水平百葉遮陽(yáng)并且按照一定的規(guī)律來(lái)調(diào)節(jié)百葉角度可以使室內(nèi)光環(huán)境達(dá)到較好的視覺舒適度.管玲俐等[8-9]采用EnergyPlus軟件模擬了南向和西向不同百葉開啟度下各季節(jié)建筑能耗及眩光值，得出了夏熱冬冷地區(qū)不同季節(jié)百葉外遮陽(yáng)的最優(yōu)開啟度.百葉遮陽(yáng)可作為內(nèi)外遮陽(yáng)措施，外百葉遮陽(yáng)可直接阻擋太陽(yáng)輻射進(jìn)入室內(nèi)，并且百葉與窗戶之間的流動(dòng)空氣可以帶走部分熱量，在夏季就可以有效減少進(jìn)入室內(nèi)的熱量[10-12]；內(nèi)百葉遮陽(yáng)不能直接阻隔太陽(yáng)輻射進(jìn)入室內(nèi)，并且在百葉和玻璃之間會(huì)形成熱島效應(yīng)，熱量很容易向室內(nèi)擴(kuò)散，不能較大限度地減少進(jìn)入室內(nèi)的輻射熱量，所以內(nèi)百葉遮陽(yáng)對(duì)房間負(fù)荷的影響相當(dāng)小[13].

前述內(nèi)容基本是研究百葉外遮陽(yáng)對(duì)單一光環(huán)境或熱環(huán)境及其能耗的影響，本文著重研究百葉外遮陽(yáng)對(duì)光熱環(huán)境及綜合能耗的影響.由于不同季節(jié)太陽(yáng)高度角和方位角不同，南向房間在冬季的太陽(yáng)得熱最多，西向房間在夏季的“西曬”現(xiàn)象格外明顯，因此，本文著重分析了夏季西向房間和冬季南向房間的光熱環(huán)境及綜合能耗變化，利用EnergyPlus軟件建立了1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)房間模型，模擬地點(diǎn)選取青島市，設(shè)置夏季朝

向?yàn)槲飨颍境驗(yàn)槟舷颍M房間在不同角度百葉外遮陽(yáng)下的光熱環(huán)境及綜合能耗，量化不同角度下百葉外遮陽(yáng)對(duì)辦公建筑光熱環(huán)境及綜合能耗的影響.

1 軟件模擬

1.1 模型的建立

建筑模型長(zhǎng)8 m、寬8.6 m、高3.9 m，窗墻比為0.67，窗臺(tái)高度為0.4 m(圖1).

圖1 建筑模擬模型

1.2 模型參數(shù)設(shè)定

模型各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定如表1所示.

表1 模型各項(xiàng)參數(shù)

外百葉模型如圖2所示.

圖2 室外百葉傾角模型w—百葉寬度；d—百葉間距；θ—百葉角度；s—百葉距墻距離

1.3 模擬輸出的參數(shù)

軟件模擬需要輸出的參數(shù)有：眩光指數(shù)、照度、平均輻射溫度(MRT)、直射區(qū)和非直射區(qū)的預(yù)測(cè)熱感覺投票(PMV)、制冷能耗、照明能耗、采暖能耗等.

2 夏季典型日西向房間不同角度百葉外遮陽(yáng)對(duì)光熱環(huán)境及綜合能耗影響結(jié)果分析

2.1 光環(huán)境結(jié)果分析

夏季典型日不同角度百葉外遮陽(yáng)西向房間近窗處(1 m)眩光指數(shù)(DGI)及照度的模擬結(jié)果如圖3和4所示.

結(jié)合圖3和4可以分析出夏季典型日不同角度百葉外遮陽(yáng)下西向房間光環(huán)境的優(yōu)劣情況.根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50033—2013)規(guī)定，辦公建筑的照度水平為500 lx，眩光指數(shù)DGI不大于28，DGI為22是可以接受的基準(zhǔn)線.在模擬的5種百葉角度下，各角度下近窗處的眩光指數(shù)和照度隨著時(shí)間的推移，在14：00以后開始發(fā)生較大轉(zhuǎn)變，這是由于房間窗戶為西向，14：00以后太陽(yáng)光可以更多地照射入室內(nèi).在15：00后，太陽(yáng)基本接近直射西向窗戶，百葉角度θ=150°時(shí)，更多地是把太陽(yáng)光線反射到室外，隨著時(shí)間推移，太陽(yáng)高度角下降，進(jìn)入室內(nèi)的光強(qiáng)度就逐漸減少，所以照度和眩光指數(shù)逐漸下降；百葉角度θ=120°時(shí)，進(jìn)入室內(nèi)的光照強(qiáng)度在14：00—16：00時(shí)間段內(nèi)逐漸增加，在16：00后基本保持不變，這是由于在這段時(shí)間太陽(yáng)直射西向房間，此角度對(duì)太陽(yáng)光的遮擋作用不大導(dǎo)致.各角度下近窗處的照度在工作時(shí)間段內(nèi)均滿足建筑自然采光水平.百葉角度θ為120，150°時(shí)，眩光指數(shù)在14：00—16：00左右超過可接受的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值22，光環(huán)境變差.總的來(lái)看，30，60，90°3種百葉角度下，夏季西向房間的光環(huán)境水平較優(yōu).

2.2 熱環(huán)境結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算得出夏季典型日不同角度百葉外遮陽(yáng)西向房間平均輻射溫度(MRT)的不均勻系數(shù)如圖5所示.

經(jīng)過計(jì)算得出夏季典型日不同角度百葉外遮陽(yáng)西向房間直射區(qū)和非直射區(qū)不同時(shí)間點(diǎn)的預(yù)測(cè)平均熱感覺投票(PMV)(圖6、圖7).

結(jié)合圖5—7可以分析出夏季典型日不同角度百葉外遮陽(yáng)西向房間熱環(huán)境的優(yōu)劣情況.根據(jù)文獻(xiàn)[14]，PMV為0是熱舒適狀態(tài)，并且平均輻射溫度的均勻性越好，室內(nèi)的熱環(huán)境水平就越優(yōu).在模擬的5種角度下，各角度MRT的不均勻系數(shù)隨著時(shí)間推移，在14：00后逐漸增大，這是由于14：00太陽(yáng)光逐漸直射西向窗戶，室內(nèi)的近窗處的光照強(qiáng)度增強(qiáng)，導(dǎo)致室內(nèi)的光照強(qiáng)度不均勻.各角度下直射區(qū)和非直射區(qū)的PMV在14：00后逐漸升高，室內(nèi)偏離舒適區(qū)，這是由于14：00后從西向窗戶進(jìn)入室內(nèi)的光照強(qiáng)度增加，進(jìn)入室內(nèi)的熱量增加，使室內(nèi)溫度升高導(dǎo)致PMV升高.30，60°2種百葉角度下的室內(nèi)熱環(huán)境水平要優(yōu)于90，120，150°.其中，120，90° 2種情況下在下午會(huì)比上午的熱環(huán)境變化更大、更不舒適.

2.3 綜合能耗結(jié)果分析

夏季的綜合能耗是制冷能耗和照明能耗之和，分析不同角度百葉外遮陽(yáng)下夏季西向房間綜合能耗，如圖8所示.

從圖8中可以看出，百葉角度θ=90，120，150°下綜合能耗隨著時(shí)間的推移，能耗逐漸增加，在14：00之后變化更加快，這是由于14：00后太陽(yáng)開始直射西向窗戶，進(jìn)入室內(nèi)的照度和熱量都增加，但是帶來(lái)的冷負(fù)荷占比更大，所以制冷能耗增加遠(yuǎn)大于照明能耗降低量，綜合能耗上升更明顯.夏季30，60°百葉外遮陽(yáng)西向房間的綜合能耗在12：00之前明顯高于其他角度，這是由于夏季30，60°百葉外遮陽(yáng)房間的照明能耗較高的原因?qū)е碌?在14：00左右陽(yáng)光照射進(jìn)入室內(nèi)之后，30°百葉外遮陽(yáng)房間的綜合能耗最小，120°百葉外遮陽(yáng)房間的綜合能耗最大.

3 冬季典型日南向房間不同角度百葉外遮陽(yáng)對(duì)光熱環(huán)境及綜合能耗影響結(jié)果分析

3.1 光環(huán)境結(jié)果分析

冬季典型日不同角度百葉外遮陽(yáng)南向房間近窗處(1 m)眩光指數(shù)(DGI)及照度的模擬結(jié)果如圖9和10所示.

結(jié)合圖9和10可以分析出冬季典型日不同角度百葉外遮陽(yáng)下南向房間光環(huán)境的優(yōu)劣情況.在模擬的5種百葉角度下，眩光指數(shù)在10：00—15：00的變化范圍基本不大，在16：00以后，由于太陽(yáng)對(duì)南向的照射已很小，所以眩光指數(shù)開始下降.各角度下近窗處的照度在工作時(shí)間段內(nèi)均滿足建筑自然采光水平.百葉角度θ=30，60，90°的照度水平隨時(shí)間變化幅度極小，接近穩(wěn)定；百葉角度θ=120，150°的照度水平較高，并且波動(dòng)較大，在這2種百葉角度下，透過百葉間隙進(jìn)入室內(nèi)的光線和由百葉反射的光線綜合作用造成此結(jié)果.百葉角度θ=120，150°時(shí)，眩光指數(shù)基本在整個(gè)工作時(shí)間段內(nèi)超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值22，θ=90°下眩光指數(shù)在某些時(shí)間段超過標(biāo)準(zhǔn)值，光環(huán)境變差.總的來(lái)看，30，60° 2種百葉角度下冬季南向房間的光環(huán)境水平較優(yōu)，90°下基本滿足要求，120，150°下光環(huán)境較差.

3.2 熱環(huán)境結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算得出冬季典型日不同角度百葉外遮陽(yáng)南向房間平均輻射溫度(MRT)的不均勻系數(shù)如圖11所示.

經(jīng)過計(jì)算得出冬季典型日不同角度百葉外遮陽(yáng)南向房間直射區(qū)和非直射區(qū)不同時(shí)間點(diǎn)的PMV(圖12、圖13).

結(jié)合圖11—13可以分析出冬季典型日不同角度百葉外遮陽(yáng)南向房間熱環(huán)境的優(yōu)劣情況.在模擬的5種角度下，MRT的不均勻系數(shù)隨著時(shí)間變化呈現(xiàn)波動(dòng)變化，這是由于在百葉遮擋下，各部位的MRT隨著時(shí)間均有變化.各角度下直射區(qū)的PMV有波動(dòng)上升趨勢(shì)，因?yàn)檫M(jìn)入室內(nèi)的熱輻射增加，PMV升高，其中120°變化較劇烈，這是由冬季的太陽(yáng)高度角較低導(dǎo)致.各角度非直射區(qū)下的PMV略有上升趨勢(shì)，變化基本不大.30，60°百葉角度下室內(nèi)平均輻射溫度較其他角度下更均勻，盡管其對(duì)應(yīng)室內(nèi)PMV小于其他角度下PMV，但其舒適性水平會(huì)更優(yōu)一些.90，120，150°百葉角度下室內(nèi)PMV隨著時(shí)間的波動(dòng)變化較大，會(huì)使人產(chǎn)生不斷的冷熱變化感覺，較不舒適.

3.3 綜合能耗結(jié)果分析

冬季的綜合能耗是采暖能耗和照明能耗之和，分析不同角度百葉外遮陽(yáng)下冬季南向房間綜合能耗，匯總?cè)鐖D14所示.

從圖14中可以看出，各百葉角度下房間綜合能耗在14：00之前隨著時(shí)間推移逐漸下降，14：00之后逐漸上升，這是由于在10：00—14：00，南向房間的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸增加，對(duì)應(yīng)的采暖能耗和照明能耗需求均下降，在14：00以后，太陽(yáng)方位變化導(dǎo)致通過南向窗戶入射的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度減弱，對(duì)應(yīng)采暖能耗需求逐漸增加，照明能耗變化不大，綜合能耗需求逐漸上升.120°百葉角度下冬季南向房間的綜合能耗最小，30°百葉角度下冬季南向房間的綜合能耗最大.在14：00時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最大，室內(nèi)日射得熱最高，熱負(fù)荷最低，采暖能耗最低，所以此時(shí)綜合能耗最低.

4 結(jié)論

本文利用EnergyPlus軟件模擬了青島市某辦公建筑的光熱環(huán)境及綜合能耗，量化了不同角度百葉外遮陽(yáng)下夏季西向房間、冬季南向房間的光熱環(huán)境評(píng)價(jià)數(shù)值及綜合能耗數(shù)值.青島處于寒冷地區(qū)，此研究可為寒冷地區(qū)的其他城市提供參考，其他氣候區(qū)亦可借鑒該研究方法進(jìn)行探究.本文的主要結(jié)論如下：

1) 對(duì)于夏季西向房間，不同角度百葉外遮陽(yáng)下房間近窗處的照度在工作時(shí)間段內(nèi)均滿足建筑自然采光要求，即大于500 lx；30，60，90°3種百葉角度下，眩光指數(shù)小于28，夏季西向房間的光環(huán)境水平較優(yōu).

2) 對(duì)于夏季西向房間，30，60°百葉角度下MRT不均勻系數(shù)要小于其他角度，并且30，60°百葉角度下直射區(qū)和非直射區(qū)的PMV更接近0；30，60°2種百葉角度下的室內(nèi)熱環(huán)境水平要優(yōu)于90，120，150°，其中，120，90°2種情況下在下午會(huì)比上午的熱環(huán)境變化更大、更不舒適.

3) 對(duì)于夏季西向房間，30，60°百葉外遮陽(yáng)西向房間的綜合能耗在12：00之前明顯高于其他角度.在14：00之后，30°百葉外遮陽(yáng)房間的綜合能耗最小，范圍為0.7～0.75 kW·h，120°百葉外遮陽(yáng)房間的綜合能耗最大，范圍為0.73～0.94 kW·h.

4) 對(duì)于冬季南向房間，不同角度百葉外遮陽(yáng)下房間近窗處的照度在工作時(shí)間段內(nèi)均滿足建筑自然采光要求，即大于500 lx；30，60°2種百葉角度下，眩光指數(shù)小于28，冬季南向房間的光環(huán)境水平較優(yōu)，90°下基本滿足要求，120和150°下眩光指數(shù)大于28，光環(huán)境較差.

5) 對(duì)于冬季南向房間，30，60°百葉角度下室內(nèi)平均輻射溫度較其他角度更均勻，盡管其對(duì)應(yīng)室內(nèi)PMV小于其他角度下PMV，但其舒適性更優(yōu).90，120，150°百葉角度下室內(nèi)PMV隨著時(shí)間的波動(dòng)變化較大，會(huì)使人產(chǎn)生不斷的冷熱變化感覺，較不舒適.

6) 對(duì)于冬季南向房間，120°百葉角度下房間的綜合能耗最小，范圍為0～0.7 kW·h，30°百葉角度下房間的綜合能耗最大，范圍為0.5～1.25 kW·h.