摘要：采用能耗模擬軟件Energyplus對(duì)重慶地區(qū)南向外窗水平外遮陽(yáng)進(jìn)行模擬研究，包括單遮陽(yáng)板適宜的外挑系數(shù)，多遮陽(yáng)板(雙遮陽(yáng)板、三遮陽(yáng)板)與單遮陽(yáng)板的性能比較，遮陽(yáng)板對(duì)照明電耗的影響，多遮陽(yáng)板對(duì)室內(nèi)采光的影響。單純考慮太陽(yáng)直射輻射時(shí)，單遮陽(yáng)板的外挑系數(shù)宜控制在0.3左右。在相同外挑系數(shù)下，多遮陽(yáng)板的遮擋效果優(yōu)于單遮陽(yáng)板。單遮陽(yáng)板、多遮陽(yáng)板基本不影響照明電耗。多遮陽(yáng)板能夠改善室內(nèi)自然采光的均勻性。

關(guān)鍵詞：南向外窗；  水平外遮陽(yáng)；  遮陽(yáng)板；  外挑系數(shù)；  太陽(yáng)輻射；  照明能耗；  采光

 Simulation Research on Horizontal External Shading of South-facing Outward Windows in Chongqing Area

Abstract: The simulation research on horizontal external shading of south-facing outward windows in Chongqing area is conducted by the Energy Plus software. The research includes the appropriate protrusion coefficient of single sun visor，the performance comparison between single sun visor and multi sun visor(dual sun visor and triple sun visor)，the influence of the sun visor on lighting power consumption and the influence of multi sun visor on indoor daylighting. Only considering the direct solar radiation，the protrusion coefficient of single sun visor should be controlled at about 0.3.The effect of multi sun visor is better than that of single sun visor at the same protrusion coefficient. The single sun visor and the multi sun visor do not affect the lighting power consumption. The multi sun visor can improve the uniformity of indoor natural daylighting.

Key words: south-facing outward window；horizontal external shadin9；sun visor；protrusion coefficient；solar radiation；lighting power consumption；daylighting

1 概述

建筑外遮陽(yáng)可分為水平式遮陽(yáng)、垂直式遮陽(yáng)、綜合式遮陽(yáng)、擋板式遮陽(yáng)，不同的遮陽(yáng)形式適用于不同朝向，而中國(guó)建筑大多坐北朝南，加之水平式遮陽(yáng)易于實(shí)現(xiàn)，因此南向水平外遮陽(yáng)成為我國(guó)建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)中的主流。南向水平外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣不僅影響供暖、空調(diào)、照明能耗，也對(duì)室內(nèi)光環(huán)境有著重要影響，針對(duì)這方面的研究國(guó)內(nèi)外也比較廣泛。鄭清容等人^[1]分析了廣州地區(qū)建筑水平外遮陽(yáng)對(duì)冷負(fù)荷的影響。周荃等人^[2]進(jìn)行了廣州地區(qū)建筑水平外遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)采光的影響研究，指出通過合理的構(gòu)造設(shè)計(jì)、尺寸設(shè)計(jì)和材料選擇，如增加導(dǎo)光板可以兼顧遮陽(yáng)和采光的雙重需求。王斌等人^[3]采用Energyplus等模擬軟件，分析了夏季南向窗太陽(yáng)輻射得熱問題，考慮水平外遮陽(yáng)板外挑長(zhǎng)度對(duì)建筑供暖、空調(diào)負(fù)荷的影響，得到水平外遮陽(yáng)板最佳設(shè)計(jì)尺寸。李崢嶸等人^[4]采用模擬耦合計(jì)算室內(nèi)照度與窗體能耗的方法，以上海為研究區(qū)域，針對(duì)南向窗，分析了水平、垂直外遮陽(yáng)板以及卷簾等不同遮陽(yáng)裝置引起的照明電耗和制冷能耗，并由此評(píng)價(jià)不同遮陽(yáng)裝置的節(jié)能效果。H.A.Hussain等人^[5]對(duì)南向垂直與水平外遮陽(yáng)進(jìn)行了綜合考慮照明和空調(diào)能耗的節(jié)能模擬分析。唐鳴放等人^[6]、連大旗^[7]對(duì)重慶市水平外遮陽(yáng)板尺寸及各朝向的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)策略進(jìn)行了研究。HUANG Yu等人^[8]從全生命周期的角度探討了某校園建筑節(jié)能改造項(xiàng)目是否采用水平外遮陽(yáng)。

單純考慮制冷能耗時(shí)，水平外遮陽(yáng)板的外挑長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好。但過長(zhǎng)的外挑長(zhǎng)度易削弱冬季房間的太陽(yáng)輻射得熱量，增加供暖熱負(fù)荷。外挑長(zhǎng)度過長(zhǎng)易導(dǎo)致房間采光不足，使照明電增加，在夏季增加了冷負(fù)荷。另外，遮陽(yáng)板外挑長(zhǎng)度也不宜過短，過短的遮陽(yáng)板無(wú)法有效地遮擋太陽(yáng)光，造成室內(nèi)采光不均勻。因此，水平外遮陽(yáng)板的設(shè)計(jì)必須綜合考慮供暖、空調(diào)、照明等因素，以確定最佳的外挑長(zhǎng)度。然而不同緯度地區(qū)對(duì)水平外遮陽(yáng)板尺寸要求是不同的，即使在同一緯度地區(qū)，遮陽(yáng)形式也不應(yīng)完全照搬，如重慶、上海地區(qū)，雖同屬夏熱冬冷地區(qū)，緯度在30°左右，但重慶地區(qū)的大氣透明度較低，散射輻射量明顯高于上海地區(qū)，因此遮陽(yáng)形式應(yīng)有所不同。本文對(duì)重慶地區(qū)南向外窗水平外遮陽(yáng)相關(guān)問題進(jìn)行模擬研究。

2 研究方法及內(nèi)容

以長(zhǎng)×寬×高為4 m×4 m×3 m的房間作為模型，外窗寬×高為2.0 m×l.5 m，窗臺(tái)高0.9 m，玻璃為Energyplus軟件默認(rèn)的一種單層玻璃，太陽(yáng)光透過率為0.33，反射率為0.62。水平外遮陽(yáng)板沿外窗上檐安裝，無(wú)橫向延伸。照明功率密度為11 W／m²，遮陽(yáng)板上下表面反射率均設(shè)定為0.2。其他參數(shù)采用Energyplus軟件的默認(rèn)參數(shù)。為研究水平外遮陽(yáng)板的遮陽(yáng)效果，采用Energyplus軟件對(duì)以下內(nèi)容進(jìn)行模擬，透過基準(zhǔn)窗(不帶水平外遮陽(yáng)板)、遮陽(yáng)窗(帶水平外遮陽(yáng)板)的太陽(yáng)總輻射量、太陽(yáng)直射輻射量、太陽(yáng)散射輻射量的全年逐時(shí)值。并采用Excel制圖表分析數(shù)據(jù)，比較遮陽(yáng)效果。

對(duì)于沿外窗上檐安裝的遮陽(yáng)板，外挑系數(shù)定義為遮陽(yáng)板外挑長(zhǎng)度(對(duì)于多遮陽(yáng)板，為各遮陽(yáng)板外挑長(zhǎng)度之和)除以窗高。當(dāng)外挑系數(shù)大于0時(shí)，為遮陽(yáng)窗。當(dāng)外挑系數(shù)為l時(shí)，表示遮陽(yáng)板的外挑長(zhǎng)度與窗高相等。

設(shè)定空調(diào)期為6-9月，供暖期為l2、1、2月。太陽(yáng)輻射遮擋率β的計(jì)算式為：

式中 β——太陽(yáng)輻射遮擋率

     E_b——透過基準(zhǔn)窗的太陽(yáng)輻射量，J

     E_s——透過遮陽(yáng)窗的太陽(yáng)輻射量，J

當(dāng)太陽(yáng)輻射量分別取總輻射量、直射量、散射量時(shí)，可由式(1)分別計(jì)算得到太陽(yáng)總輻射遮擋率β_t、太陽(yáng)直射遮擋率反、太陽(yáng)散射遮擋率β_s。從模擬結(jié)果中提取各月基準(zhǔn)窗和不同外挑系數(shù)下遮陽(yáng)窗的太陽(yáng)直射輻射量，計(jì)算不同外挑系數(shù)下的太陽(yáng)直射遮擋率。

研究?jī)?nèi)容包括：?jiǎn)握陉?yáng)板適宜的外挑系數(shù)；多遮陽(yáng)板(包括雙遮陽(yáng)板、三遮陽(yáng)板)與單遮陽(yáng)板的性能比較；遮陽(yáng)板對(duì)照明電耗的影響；多遮陽(yáng)板對(duì)室內(nèi)采光的影響。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 單遮陽(yáng)板適宜的外挑系數(shù)

單遮陽(yáng)板情況下各月太陽(yáng)直射遮擋率計(jì)算結(jié)果見表l。由于各月太陽(yáng)高度角的不同，導(dǎo)致太陽(yáng)直射量的差異，最終反映到各月太陽(yáng)直射遮擋率的不同。

由表l可知，單遮陽(yáng)板對(duì)太陽(yáng)直射光的遮擋效果比較明顯，當(dāng)外挑系數(shù)在0.3以上時(shí)，空調(diào)期(6-9月)的太陽(yáng)直射遮擋率都達(dá)到了50％以上。尤其是當(dāng)外挑系數(shù)為0.3時(shí)，6月太陽(yáng)直射遮擋率達(dá)到了91.2％。對(duì)于供暖期(12、1、2月)，太陽(yáng)直射遮擋率不宜過大。因此，當(dāng)只考慮太陽(yáng)直射輻射時(shí)，單遮陽(yáng)板的外挑系數(shù)宜控制在0.3左右。

3.2 多遮陽(yáng)板與單遮陽(yáng)板的性能比較

進(jìn)入外窗的太陽(yáng)總輻射量包括直射輻射量、散射輻射量，重慶地區(qū)南向外窗的太陽(yáng)散射輻射量占總輻射量的82％，而其他夏熱冬冷地區(qū)的太陽(yáng)散射輻射量占總輻射量的60％左右。這主要是由于重慶地區(qū)大氣透明度較低，削弱了太陽(yáng)直射輻射量。因此，對(duì)于重慶地區(qū)的南向外窗水平外遮陽(yáng)，不應(yīng)僅考慮太陽(yáng)直射輻射量，而應(yīng)考慮太陽(yáng)總輻射量。

太陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)的途徑主要有兩種：直接射入的太陽(yáng)光；來(lái)自天空、地面及其他物體漫反射形成的散射光。在外窗上檐設(shè)置遮陽(yáng)板可有效遮擋大部分直射光和少部分來(lái)自天空的散射光，但無(wú)法遮擋來(lái)自地面及其他物體的散射光。光線到達(dá)地面后的漫反射效果見圖l。由圖1可知，太陽(yáng)光入射到地面后以漫反射的形式向四周反射，若在外窗高度方向增加一塊或多塊遮陽(yáng)板，那么投射到頂端遮陽(yáng)板下表面的散射光可基本被擋住，但遮陽(yáng)板過多將影響

室內(nèi)的采光和視野。同一外挑系數(shù)下南向外窗分別設(shè)置單、雙遮陽(yáng)板的遮擋效果比較(夏至日10：O0)見圖2。由圖2可知，設(shè)置雙遮陽(yáng)板也能加強(qiáng)對(duì)直射光的遮擋。當(dāng)直射光從非正南入射時(shí)，第二遮陽(yáng)板能夠有效地削弱進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)直射光，并且能將投射到下遮陽(yáng)板的直射光以漫反射的形式投射到室內(nèi)深處，加強(qiáng)室內(nèi)深處的采光效果。

規(guī)定多遮陽(yáng)板(雙遮陽(yáng)板、三遮陽(yáng)板)各遮陽(yáng)板的外挑長(zhǎng)度相等，且各遮陽(yáng)板在外窗高度方向平均分配。空調(diào)期、供暖期單遮陽(yáng)板、雙遮陽(yáng)板、三遮陽(yáng)板的平均太陽(yáng)直射遮擋率比較分別見圖3、4。由圖3可知，三遮陽(yáng)板的空調(diào)期平均太陽(yáng)直射遮擋率高于單遮陽(yáng)板，當(dāng)外挑系數(shù)超過0.3時(shí)，三遮陽(yáng)板的空調(diào)期平均太陽(yáng)直射遮擋率超過80％，最高達(dá)到93％，比單遮陽(yáng)板高出10％。當(dāng)三遮陽(yáng)板的外挑系數(shù)超過0.5時(shí)，空調(diào)期平均太陽(yáng)直射遮擋率基本無(wú)增長(zhǎng)趨勢(shì)。由圖4可知，由于供暖期太陽(yáng)高度角較低，三遮陽(yáng)板的供暖期平均太陽(yáng)直射遮擋率遠(yuǎn)低于夏季，當(dāng)外挑系數(shù)小于0.5時(shí)，單遮陽(yáng)板與三遮陽(yáng)板的供暖期平均太陽(yáng)直射遮擋率差別很小，超過0.5時(shí)，差距逐漸出現(xiàn)，但不超過10％。

空調(diào)期、供暖期單遮陽(yáng)板、雙遮陽(yáng)板、三遮陽(yáng)板的平均太陽(yáng)散射遮擋率比較分別見圖5、6。由圖5、6可知，太陽(yáng)散射遮擋率隨著遮陽(yáng)板外挑系數(shù)的增大而增大，由于散射的無(wú)方向性，因此太陽(yáng)散射遮擋率不會(huì)很高。三遮陽(yáng)板的空調(diào)期、供暖期平均太陽(yáng)散射遮擋率均高于單遮陽(yáng)板，這主要是由于三遮陽(yáng)板更多地遮擋了來(lái)自地面及地面上其他物體漫反射形成的散射光，且外挑系數(shù)越大遮擋效果越明顯。

空調(diào)期、供暖期單遮陽(yáng)板、雙遮陽(yáng)板、三遮陽(yáng)板的平均太陽(yáng)總輻射遮擋率比較分別見圖7、8。由圖7、8可知，空調(diào)期、供暖期平均太陽(yáng)總輻射遮擋率與平均太陽(yáng)散射遮擋率變化趨勢(shì)一致，這說(shuō)明進(jìn)入南向外窗的太陽(yáng)輻射量以散射輻射量為主，為降低空調(diào)能耗，應(yīng)更加注重散射光的遮擋。

3.3 遮陽(yáng)板對(duì)照明電耗的影響

為研究遮陽(yáng)板對(duì)照明電耗的影響，在模型中添加Daylighting Control的控制方式，即根據(jù)工作面上選取的控制點(diǎn)要求照度控制照明輸入功率。在距地高度0.8 m，設(shè)置100(10×10)個(gè)照度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為0.44 m，形成一個(gè)工作面，基本覆蓋整個(gè)房間。將距外窗中心處l.5 m作為控制點(diǎn)，設(shè)定控制點(diǎn)要求照度為300 lx，不足照度由照明設(shè)備補(bǔ)充。采用遮陽(yáng)窗時(shí)的照明電耗增加率y的計(jì)算式為：

式中 γ——照明電耗增加率

     W_s——采用遮陽(yáng)窗時(shí)的照明電耗，kW·h

     W_b——采用基準(zhǔn)窗時(shí)的照明電耗，kW·h

不同外挑系數(shù)下，單遮陽(yáng)板、雙遮陽(yáng)板、三遮陽(yáng)板的照明電耗增加率計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可知，遮陽(yáng)板的外挑系數(shù)和形式對(duì)于照明電耗的影響不大，照明電耗的增加率不超過5％，這主要是由于控制點(diǎn)靠近外窗，全年大部分時(shí)間的照度高于300lx。

3.4 多遮陽(yáng)板對(duì)室內(nèi)采光的影響

為研究設(shè)置多遮陽(yáng)板對(duì)室內(nèi)采光的影響，模擬了工作面在自然采光條件下的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)照度。由模擬結(jié)果可知，對(duì)于多遮陽(yáng)板，由于第二或第三遮陽(yáng)板上表面的漫反射，使得遠(yuǎn)離外窗的工作面能夠接受更多的光線，提高了整個(gè)房間采光的均勻性。

4 結(jié)論

①單純考慮太陽(yáng)直射輻射時(shí)，單遮陽(yáng)板的外挑系數(shù)宜控制在0.3左右。

②在相同外挑系數(shù)下，多遮陽(yáng)板的遮擋效果優(yōu)于單遮陽(yáng)板。

③單遮陽(yáng)板、多遮陽(yáng)板基本不影響照明電耗。

④多遮陽(yáng)板能夠改善室內(nèi)自然采光的均勻性。

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本文作者：劉猛 胡鐵軍 李文龍

作者單位：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院  重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室