建筑卷簾外遮陽節能特性分析

　 在夏季，室內的空調負荷主要來自窗戶進入室內的太陽輻射熱，采取有效的遮陽措施是減少太陽輻射最有效的方法。因此，在空調建筑的負荷和建筑節能計算中，遮陽的計算是很重要的。建筑物遮陽方法可以分為三大類：外遮陽、特性玻璃和內遮陽。外遮陽可以由**性的建筑遮陽構造，如遮陽板、遮陽擋板、屋檐等，也可以是活動、可調節的，如百葉、活動擋板、卷簾等。這些遮陽構造在傳統建筑中使用是很普遍的。特性玻璃是采用現代玻璃鍍膜技術，使窗玻璃可以對入射的太陽光進行選擇，起到盡量多的引入可見光，同時減小紅外光進入室內。特性玻璃已經成為現代節能建筑設計的重要手段之一。

　　常見的內遮陽有內窗簾、百葉窗、內貼膜、各種特種纖維防曬卷簾等。不考慮其在設計和功能上的需求，內遮陽的節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，內遮陽才會被作為一種節能的補救措施。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。各種遮陽設施采用的目的都是降低進入室內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入室內的情況下，有效地減少紅外線輻射。

采用以上這些遮陽方法無疑會降低太陽輻射的熱量，但減少的量為多少，怎樣評價這些遮陽措施的效果卻還沒有明確的標準。在《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》中規定，外窗（包括陽臺門透明部分）面積不應過大，外窗宜設置活動外遮陽；《民用建筑熱工設計規范》規定，空調建筑的向陽面，特別是東、西向窗戶，應采取熱反射玻璃、反射陽光涂膜、各種固定式和活動式遮陽等有效的遮陽措施；《采暖通風與空氣調節設計規范》規定空調房間應盡量減少外窗的面積，并應采取遮陽措施。對于特定的遮陽方法和設備的遮陽系數的相關定義和計算方法在《公共建筑節能計算標準》中有明確的規定。

　　2 、遮陽系數

　　在設計中，為了便于計算和定量分析各種遮陽措施對于建筑負荷和能耗的影響，通常采用遮陽系數作為一種計算參數。一般遮陽系數定義如下：

　　事實上，遮陽系數并不是個常數，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。對于某些建筑結構的外遮陽來說，一天中太陽位置（高度、方位角）隨著時間的變化會使一部分太陽光束“漏”進室內，這就是它們的幾何特性。同樣，對于活動是可調節的內、外遮陽設備和材料，它們的遮陽系數既是使用調節的函數，又是時間（即太陽的位置）的函數，同時，遮陽設備的開啟和調節會按照室內環境狀態參數的變化（如照度、溫度）而進行。因此，采用遮陽系數只是一個工程中的近似算法。工程中常用的遮陽系數通常采用實驗測定和計算機模擬等方法來確定。

　　目前，國內外常用的遮陽系數的試驗測定方法有采用量熱器或防護熱箱的對比法。量熱器或防護熱箱，應嚴格按照遮陽系數的定義來設計和使用。量熱器對比法通常適用于體積小的平面內，由于采用實際尺度的房間和空調機恒溫，計量箱和防護熱箱對比法不僅可以確定材料的遮陽系數，也可以標定材料、結構部件和遮陽設備內、外的遮陽系數。

　　近年來，由于計算機能耗模擬技術在節能優化方案、綠色建筑評估、LEED 認證等等方面的應用越來越廣泛，而大部分計算機能耗模擬軟件需要將遮陽系數Sc 作為一個建筑材料的固定的輸入參數。雖然，窗和玻璃的遮陽系數Sc 可以從設備和材料樣本或設計手冊中獲取，但是，很多情況下，有些特殊材料且不同材質的遮陽卷簾，特殊建筑構件等的遮陽系數往往無法從上述的途徑中找到。因此，計算機模擬遮陽系數逐漸成為一種獲取材料和建筑構件遮陽系數的實用方法。

　　用計算機能耗模擬軟件確定某建筑結構和材料的遮陽系數與試驗測定法在原理上是相同的。計算機模擬法同樣也是一種對比法，即按照定義建立兩個幾何形狀和墻體材料恒等的房間模型，其中一個房間的窗口安裝待測的遮陽材料、結構或設備，另一個房間的窗口安裝3mm 厚的標準玻璃，在設定房間溫度的情況下運行，兩個房間的冷負荷之比就是該種材料、結構或設備的遮陽系數。由于是在虛擬環境中進行，計算機模擬系統可以不受實際尺度、測試條件及遮陽設備的限制，為便于分析，甚至可以提供在實際條件下不能達到的假設，比如房間的墻體內表面吸熱系數為0、外表面絕熱時間常數為0 等，可以避免采用量熱器或防護熱箱對比法測試中熱平衡和設備標定的困難。所以，采用計算機模擬軟件確定的遮陽系數應該是可靠的。必須指出的是，除了采用平面滿蓋窗口的遮陽材料以外，試驗測定法和計算機模擬確定的結構和可調節外遮陽的遮陽系數是受到時間、建筑的朝向、地域和使用條件等因素限制的。

3、 計算機模擬遮陽系數方法

　　3.1 使用軟件

　　模擬計算采用的軟件不受限制，推薦采用國際上公認的軟件工具（例如通過ASHRAE140 或BESTEST 測試的軟件）。本實例采用的建筑能耗模擬計算軟件為ESP-r。ESP-r 是英國Strathclyde 大學開發的建筑能耗模擬分析軟件，被指定為歐洲熱環境模擬的標準參照軟件。

　　3.2 計算測試材料

　　本實例采用的遮陽材料為商業外卷簾產品（配DICKSON 0018 型面料），面料的光學特性參數如表1 所示。

　　3.3 模擬方法

　　模擬計算運用標準的實驗對比法，即有兩個相同的裝有3mm 標準玻璃的房間，其中一個房間配置外遮陽，另一個房間設有，隨后對兩個房間綜合的熱量進行對比。模擬計算遮陽系數的方法實質上就是模擬兩個獨立、恒等的建筑物的動態能耗，模擬步驟上將遵循建筑能耗模擬軟件的使用方法。表2 是房間的構造和尺度的對比。

　　3.4 氣象參數和計算日

　　本實例的氣象參數采用上海市標準氣象年數據（美國能源部數據中心提供），計算日為上海地區7 月份中（包含一年中太陽輻射最強的一個小時）的一天。

　　此外，本模擬實驗中，采用網絡法來模擬室外空氣在風壓和熱壓的作用下，對房間因縫隙滲透引起的對流換熱，以及由于室外風速作用在玻璃表面上的對流換熱。同時將房間的空調控制（供冷）溫度設定為26℃，墻壁、屋頂及地板均假定為絕熱。

4、 模擬計算和結果分析

　　如圖 1 所示，為根據對比法建立的房間和卷簾的三維CAD 模型。模型中，根據要求設定房間的邊界條件，即墻壁、屋頂及地板均設為絕熱。

　　4.1 設定模擬地點和氣象數據

　　世界各地的地理位置都已經輸入在能耗模擬軟件中，使用時一旦選擇相應的城市，軟件就會自動將信息從資料庫中調出。使用者按要求填入其他信息，如高度、環境、地面反射和朝向，如圖2 所示。

　　選擇相應的城市，軟件調出后當地的氣象數據庫，氣象資料包括六個基本參數，即溫度、相對濕度、直射日射、散直射日射、風向和風速。圖3 所示是氣象數據庫中上海地區標準氣象年7 月份氣溫和太陽輻射圖。

4.2 設定建筑材料

　　本實例中，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自行創建，如圖4 所示。創建后的新材料可以加入系統的材料庫中，便于日后其他人使用。

4.3 建立空氣流動網絡

　　本實例中房間的傳熱會受到環境風向和風速的影響，因此需要應用軟件的自然通風模擬功能，功能根據實例房間拓撲關系，建立自然通風的網絡模型，圖 5 為本實例生成建立的空氣流動網絡。

　　4.4 設定室內空調控制

　　本實例為空調房間，根據房間的空調控制（供冷）溫度設定的要求，選定空調的控制類型和控制溫度，即26℃。本實例為對比測試，不需要設定人員和用電設備等使用信息。

　　4.5 模擬計算

　　周邊環境設定完成以后，就可以開始進行模擬計算。模擬的可以選定各種計算參數，如時間步長、緩存類型、模擬時間段、生成數據庫類型等。若需要計算精度高時，可以選用較小的時間步長。運行結束后，軟件將自動生成數據庫，并由軟件的處理工具提供圖形和動畫分析評估報告

4.6 計算遮陽系數

　　遮陽系數的計算通過累計兩個房間的冷負荷比得出，在室內控制溫度為26℃時，設置遮陽卷簾的房間和不設置遮陽卷簾的房間在計算日逐時冷負荷對比曲線如圖6 所示。

　　圖6 中，兩個房間的逐時冷負荷變化曲線下的面積，即日累計冷負荷，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荷參數對比。

　　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荷減少82％，由此可導出配DICKSON 0018 型面料的遮陽卷簾的當量遮陽系數：

　　4.7 其他參數

　　在使用軟件進行模擬分析時，不僅能夠生成計算遮陽系數所需要的信息，同時也衍生出有關建筑熱環境性能的其他信息。部分和室內舒適性有關的信息介紹如下：

　?。?）遮陽卷簾的遮陽效果

　　模擬計算遮陽卷簾和窗在每一個時間步長的遮陽效果，從而可以精確計算太陽輻射得熱。如圖7 所示，在本對比模擬計算實例中，當太陽直射輻射達到峰值時（下午14:30），有遮陽卷簾和無遮陽卷簾時的遮陽效果。

（2）室內平均輻射溫度比較

　　室內平均輻射溫度是影響人體熱舒適性的一項重要指標，直接影響人體感官的舒適性。因為人體產生的熱量是以一定的比例散發的，對流散熱約占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出去，而且還有可能從環境攝入熱量。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。當室內空氣流速較低（低于0.2m/s）時，平均輻射溫度和室內空氣溫度的差異將小于4℃，此時作用溫度近似于空氣溫度和平均輻射溫度的平均值，這意味著兩者對于室內熱舒適的影響是同等重要的。安裝遮陽卷簾后使室內平均輻射溫度下降，作用溫度可降低1℃～ 2℃，因此，在室內氣溫相同的情況下，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 所示為一天中兩個房間的室內平均輻射溫度變化曲線。

　　表4 為上午9 時至下午6 時有遮陽房間與無遮陽房間室內平均輻射溫度的對比。由表3 可知，在室內氣溫相同的條件下，有遮陽房間白天的室內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于后者。

　　5、 結束語

　　建筑物遮陽材料的遮陽系數是建筑能耗計算和節能模擬的基本參數。在設計中，有些材料的遮陽系數往往在設計手冊中不能找到。事實證明，采用集成模擬技術，以對比法進行材料遮陽系數的計算，是一種切實有效的方法，有時還可以用來補充實驗數據缺乏的空白，由此確定的材料遮陽系數可以供設計冷負荷計算時使用，也可供部分能耗模擬軟件，如eQuest 等，作為基本輸入參數。　　　　　

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