建筑卷簾外遮陽節(jié)能特性分析

　 在夏季，室內(nèi)的空調(diào)負(fù)荷主要來自窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射熱，采取有效的遮陽措施是減少太陽輻射最有效的方法。因此，在空調(diào)建筑的負(fù)荷和建筑節(jié)能計(jì)算中，遮陽的計(jì)算是很重要的。建筑物遮陽方法可以分為三大類：外遮陽、特性玻璃和內(nèi)遮陽。外遮陽可以由**性的建筑遮陽構(gòu)造，如遮陽板、遮陽擋板、屋檐等，也可以是活動(dòng)、可調(diào)節(jié)的，如百葉、活動(dòng)擋板、卷簾等。這些遮陽構(gòu)造在傳統(tǒng)建筑中使用是很普遍的。特性玻璃是采用現(xiàn)代玻璃鍍膜技術(shù)，使窗玻璃可以對(duì)入射的太陽光進(jìn)行選擇，起到盡量多的引入可見光，同時(shí)減小紅外光進(jìn)入室內(nèi)。特性玻璃已經(jīng)成為現(xiàn)代節(jié)能建筑設(shè)計(jì)的重要手段之一。

　　常見的內(nèi)遮陽有內(nèi)窗簾、百葉窗、內(nèi)貼膜、各種特種纖維防曬卷簾等。不考慮其在設(shè)計(jì)和功能上的需求，內(nèi)遮陽的節(jié)能效果總體上不如前面的兩種方法，通常只有在無法采用前面的兩種方法時(shí)，內(nèi)遮陽才會(huì)被作為一種節(jié)能的補(bǔ)救措施。這些遮陽措施都有不同的遮陽特性，可以滿足不同程度的遮陽需要。各種遮陽設(shè)施采用的目的都是降低進(jìn)入室內(nèi)的太陽直射和散射輻射的熱量。更具體地說，是在不減少可見光進(jìn)入室內(nèi)的情況下，有效地減少紅外線輻射。

采用以上這些遮陽方法無疑會(huì)降低太陽輻射的熱量，但減少的量為多少，怎樣評(píng)價(jià)這些遮陽措施的效果卻還沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)。在《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，外窗（包括陽臺(tái)門透明部分）面積不應(yīng)過大，外窗宜設(shè)置活動(dòng)外遮陽；《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，空調(diào)建筑的向陽面，特別是東、西向窗戶，應(yīng)采取熱反射玻璃、反射陽光涂膜、各種固定式和活動(dòng)式遮陽等有效的遮陽措施；《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定空調(diào)房間應(yīng)盡量減少外窗的面積，并應(yīng)采取遮陽措施。對(duì)于特定的遮陽方法和設(shè)備的遮陽系數(shù)的相關(guān)定義和計(jì)算方法在《公共建筑節(jié)能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》中有明確的規(guī)定。

　　2 、遮陽系數(shù)

　　在設(shè)計(jì)中，為了便于計(jì)算和定量分析各種遮陽措施對(duì)于建筑負(fù)荷和能耗的影響，通常采用遮陽系數(shù)作為一種計(jì)算參數(shù)。一般遮陽系數(shù)定義如下：

　　事實(shí)上，遮陽系數(shù)并不是個(gè)常數(shù)，隨著它與太陽入射夾角（由太陽高度、方位角和窗表面的法線夾角）的變化而變化，這是其材料特性。對(duì)于某些建筑結(jié)構(gòu)的外遮陽來說，一天中太陽位置（高度、方位角）隨著時(shí)間的變化會(huì)使一部分太陽光束“漏”進(jìn)室內(nèi)，這就是它們的幾何特性。同樣，對(duì)于活動(dòng)是可調(diào)節(jié)的內(nèi)、外遮陽設(shè)備和材料，它們的遮陽系數(shù)既是使用調(diào)節(jié)的函數(shù)，又是時(shí)間（即太陽的位置）的函數(shù)，同時(shí)，遮陽設(shè)備的開啟和調(diào)節(jié)會(huì)按照室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)參數(shù)的變化（如照度、溫度）而進(jìn)行。因此，采用遮陽系數(shù)只是一個(gè)工程中的近似算法。工程中常用的遮陽系數(shù)通常采用實(shí)驗(yàn)測(cè)定和計(jì)算機(jī)模擬等方法來確定。

　　目前，國(guó)內(nèi)外常用的遮陽系數(shù)的試驗(yàn)測(cè)定方法有采用量熱器或防護(hù)熱箱的對(duì)比法。量熱器或防護(hù)熱箱，應(yīng)嚴(yán)格按照遮陽系數(shù)的定義來設(shè)計(jì)和使用。量熱器對(duì)比法通常適用于體積小的平面內(nèi)，由于采用實(shí)際尺度的房間和空調(diào)機(jī)恒溫，計(jì)量箱和防護(hù)熱箱對(duì)比法不僅可以確定材料的遮陽系數(shù)，也可以標(biāo)定材料、結(jié)構(gòu)部件和遮陽設(shè)備內(nèi)、外的遮陽系數(shù)。

　　近年來，由于計(jì)算機(jī)能耗模擬技術(shù)在節(jié)能優(yōu)化方案、綠色建筑評(píng)估、LEED 認(rèn)證等等方面的應(yīng)用越來越廣泛，而大部分計(jì)算機(jī)能耗模擬軟件需要將遮陽系數(shù)Sc 作為一個(gè)建筑材料的固定的輸入?yún)?shù)。雖然，窗和玻璃的遮陽系數(shù)Sc 可以從設(shè)備和材料樣本或設(shè)計(jì)手冊(cè)中獲取，但是，很多情況下，有些特殊材料且不同材質(zhì)的遮陽卷簾，特殊建筑構(gòu)件等的遮陽系數(shù)往往無法從上述的途徑中找到。因此，計(jì)算機(jī)模擬遮陽系數(shù)逐漸成為一種獲取材料和建筑構(gòu)件遮陽系數(shù)的實(shí)用方法。

　　用計(jì)算機(jī)能耗模擬軟件確定某建筑結(jié)構(gòu)和材料的遮陽系數(shù)與試驗(yàn)測(cè)定法在原理上是相同的。計(jì)算機(jī)模擬法同樣也是一種對(duì)比法，即按照定義建立兩個(gè)幾何形狀和墻體材料恒等的房間模型，其中一個(gè)房間的窗口安裝待測(cè)的遮陽材料、結(jié)構(gòu)或設(shè)備，另一個(gè)房間的窗口安裝3mm 厚的標(biāo)準(zhǔn)玻璃，在設(shè)定房間溫度的情況下運(yùn)行，兩個(gè)房間的冷負(fù)荷之比就是該種材料、結(jié)構(gòu)或設(shè)備的遮陽系數(shù)。由于是在虛擬環(huán)境中進(jìn)行，計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)可以不受實(shí)際尺度、測(cè)試條件及遮陽設(shè)備的限制，為便于分析，甚至可以提供在實(shí)際條件下不能達(dá)到的假設(shè)，比如房間的墻體內(nèi)表面吸熱系數(shù)為0、外表面絕熱時(shí)間常數(shù)為0 等，可以避免采用量熱器或防護(hù)熱箱對(duì)比法測(cè)試中熱平衡和設(shè)備標(biāo)定的困難。所以，采用計(jì)算機(jī)模擬軟件確定的遮陽系數(shù)應(yīng)該是可靠的。必須指出的是，除了采用平面滿蓋窗口的遮陽材料以外，試驗(yàn)測(cè)定法和計(jì)算機(jī)模擬確定的結(jié)構(gòu)和可調(diào)節(jié)外遮陽的遮陽系數(shù)是受到時(shí)間、建筑的朝向、地域和使用條件等因素限制的。

3、 計(jì)算機(jī)模擬遮陽系數(shù)方法

　　3.1 使用軟件

　　模擬計(jì)算采用的軟件不受限制，推薦采用國(guó)際上公認(rèn)的軟件工具（例如通過ASHRAE140 或BESTEST 測(cè)試的軟件）。本實(shí)例采用的建筑能耗模擬計(jì)算軟件為ESP-r。ESP-r 是英國(guó)Strathclyde 大學(xué)開發(fā)的建筑能耗模擬分析軟件，被指定為歐洲熱環(huán)境模擬的標(biāo)準(zhǔn)參照軟件。

　　3.2 計(jì)算測(cè)試材料

　　本實(shí)例采用的遮陽材料為商業(yè)外卷簾產(chǎn)品（配DICKSON 0018 型面料），面料的光學(xué)特性參數(shù)如表1 所示。

　　3.3 模擬方法

　　模擬計(jì)算運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比法，即有兩個(gè)相同的裝有3mm 標(biāo)準(zhǔn)玻璃的房間，其中一個(gè)房間配置外遮陽，另一個(gè)房間設(shè)有，隨后對(duì)兩個(gè)房間綜合的熱量進(jìn)行對(duì)比。模擬計(jì)算遮陽系數(shù)的方法實(shí)質(zhì)上就是模擬兩個(gè)獨(dú)立、恒等的建筑物的動(dòng)態(tài)能耗，模擬步驟上將遵循建筑能耗模擬軟件的使用方法。表2 是房間的構(gòu)造和尺度的對(duì)比。

　　3.4 氣象參數(shù)和計(jì)算日

　　本實(shí)例的氣象參數(shù)采用上海市標(biāo)準(zhǔn)氣象年數(shù)據(jù)（美國(guó)能源部數(shù)據(jù)中心提供），計(jì)算日為上海地區(qū)7 月份中（包含一年中太陽輻射最強(qiáng)的一個(gè)小時(shí)）的一天。

　　此外，本模擬實(shí)驗(yàn)中，采用網(wǎng)絡(luò)法來模擬室外空氣在風(fēng)壓和熱壓的作用下，對(duì)房間因縫隙滲透引起的對(duì)流換熱，以及由于室外風(fēng)速作用在玻璃表面上的對(duì)流換熱。同時(shí)將房間的空調(diào)控制（供冷）溫度設(shè)定為26℃，墻壁、屋頂及地板均假定為絕熱。

4、 模擬計(jì)算和結(jié)果分析

　　如圖 1 所示，為根據(jù)對(duì)比法建立的房間和卷簾的三維CAD 模型。模型中，根據(jù)要求設(shè)定房間的邊界條件，即墻壁、屋頂及地板均設(shè)為絕熱。

　　4.1 設(shè)定模擬地點(diǎn)和氣象數(shù)據(jù)

　　世界各地的地理位置都已經(jīng)輸入在能耗模擬軟件中，使用時(shí)一旦選擇相應(yīng)的城市，軟件就會(huì)自動(dòng)將信息從資料庫中調(diào)出。使用者按要求填入其他信息，如高度、環(huán)境、地面反射和朝向，如圖2 所示。

　　選擇相應(yīng)的城市，軟件調(diào)出后當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)庫，氣象資料包括六個(gè)基本參數(shù)，即溫度、相對(duì)濕度、直射日射、散直射日射、風(fēng)向和風(fēng)速。圖3 所示是氣象數(shù)據(jù)庫中上海地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)氣象年7 月份氣溫和太陽輻射圖。

4.2 設(shè)定建筑材料

　　本實(shí)例中，建筑（房間）所要用的墻體、窗的玻璃特性等常用建筑材料，可以從軟件提供的材料庫中選擇。如果系統(tǒng)的材料庫中沒有該種所需的材料（如遮陽卷簾），使用者可以按表1 提供的材料特性參數(shù)自行創(chuàng)建，如圖4 所示。創(chuàng)建后的新材料可以加入系統(tǒng)的材料庫中，便于日后其他人使用。

4.3 建立空氣流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)

　　本實(shí)例中房間的傳熱會(huì)受到環(huán)境風(fēng)向和風(fēng)速的影響，因此需要應(yīng)用軟件的自然通風(fēng)模擬功能，功能根據(jù)實(shí)例房間拓?fù)潢P(guān)系，建立自然通風(fēng)的網(wǎng)絡(luò)模型，圖 5 為本實(shí)例生成建立的空氣流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

　　4.4 設(shè)定室內(nèi)空調(diào)控制

　　本實(shí)例為空調(diào)房間，根據(jù)房間的空調(diào)控制（供冷）溫度設(shè)定的要求，選定空調(diào)的控制類型和控制溫度，即26℃。本實(shí)例為對(duì)比測(cè)試，不需要設(shè)定人員和用電設(shè)備等使用信息。

　　4.5 模擬計(jì)算

　　周邊環(huán)境設(shè)定完成以后，就可以開始進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬的可以選定各種計(jì)算參數(shù)，如時(shí)間步長(zhǎng)、緩存類型、模擬時(shí)間段、生成數(shù)據(jù)庫類型等。若需要計(jì)算精度高時(shí)，可以選用較小的時(shí)間步長(zhǎng)。運(yùn)行結(jié)束后，軟件將自動(dòng)生成數(shù)據(jù)庫，并由軟件的處理工具提供圖形和動(dòng)畫分析評(píng)估報(bào)告

4.6 計(jì)算遮陽系數(shù)

　　遮陽系數(shù)的計(jì)算通過累計(jì)兩個(gè)房間的冷負(fù)荷比得出，在室內(nèi)控制溫度為26℃時(shí)，設(shè)置遮陽卷簾的房間和不設(shè)置遮陽卷簾的房間在計(jì)算日逐時(shí)冷負(fù)荷對(duì)比曲線如圖6 所示。

　　圖6 中，兩個(gè)房間的逐時(shí)冷負(fù)荷變化曲線下的面積，即日累計(jì)冷負(fù)荷，該軟件以列表方式給出。表3 為遮陽房間與無遮陽房間不同的冷負(fù)荷參數(shù)對(duì)比。

　　由表3 可知，安裝遮陽卷簾后可以將由太陽輻射造成的冷負(fù)荷減少82％，由此可導(dǎo)出配DICKSON 0018 型面料的遮陽卷簾的當(dāng)量遮陽系數(shù)：

　　4.7 其他參數(shù)

　　在使用軟件進(jìn)行模擬分析時(shí)，不僅能夠生成計(jì)算遮陽系數(shù)所需要的信息，同時(shí)也衍生出有關(guān)建筑熱環(huán)境性能的其他信息。部分和室內(nèi)舒適性有關(guān)的信息介紹如下：

　　（1）遮陽卷簾的遮陽效果

　　模擬計(jì)算遮陽卷簾和窗在每一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的遮陽效果，從而可以精確計(jì)算太陽輻射得熱。如圖7 所示，在本對(duì)比模擬計(jì)算實(shí)例中，當(dāng)太陽直射輻射達(dá)到峰值時(shí)（下午14:30），有遮陽卷簾和無遮陽卷簾時(shí)的遮陽效果。

（2）室內(nèi)平均輻射溫度比較

　　室內(nèi)平均輻射溫度是影響人體熱舒適性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，直接影響人體感官的舒適性。因?yàn)槿梭w產(chǎn)生的熱量是以一定的比例散發(fā)的，對(duì)流散熱約占70%，輻射散熱約占30%。如果房間的輻射溫度過高，人體的熱量就不能散發(fā)出去，而且還有可能從環(huán)境攝入熱量。平均輻射溫度和空氣溫度的共同作用效果可以用溫度來反映。當(dāng)室內(nèi)空氣流速較低（低于0.2m/s）時(shí)，平均輻射溫度和室內(nèi)空氣溫度的差異將小于4℃，此時(shí)作用溫度近似于空氣溫度和平均輻射溫度的平均值，這意味著兩者對(duì)于室內(nèi)熱舒適的影響是同等重要的。安裝遮陽卷簾后使室內(nèi)平均輻射溫度下降，作用溫度可降低1℃～ 2℃，因此，在室內(nèi)氣溫相同的情況下，安裝遮陽卷簾的房間比不安裝的房間具有更好的熱舒適性。圖8 所示為一天中兩個(gè)房間的室內(nèi)平均輻射溫度變化曲線。

　　表4 為上午9 時(shí)至下午6 時(shí)有遮陽房間與無遮陽房間室內(nèi)平均輻射溫度的對(duì)比。由表3 可知，在室內(nèi)氣溫相同的條件下，有遮陽房間白天的室內(nèi)平均輻射溫度的平均值比無遮陽房間低9.42℃，前者的熱舒適性明顯優(yōu)于后者。

　　5、 結(jié)束語

　　建筑物遮陽材料的遮陽系數(shù)是建筑能耗計(jì)算和節(jié)能模擬的基本參數(shù)。在設(shè)計(jì)中，有些材料的遮陽系數(shù)往往在設(shè)計(jì)手冊(cè)中不能找到。事實(shí)證明，采用集成模擬技術(shù)，以對(duì)比法進(jìn)行材料遮陽系數(shù)的計(jì)算，是一種切實(shí)有效的方法，有時(shí)還可以用來補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏的空白，由此確定的材料遮陽系數(shù)可以供設(shè)計(jì)冷負(fù)荷計(jì)算時(shí)使用，也可供部分能耗模擬軟件，如eQuest 等，作為基本輸入?yún)?shù)。　　　　　

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