建筑卷帘外遮阳节能特性分析

　 在夏季，室内的空调负荷主要来自窗户进入室内的太阳辐射热，采取有效的遮阳措施是减少太阳辐射最有效的方法。因此，在空调建筑的负荷和建筑节能计算中，遮阳的计算是很重要的。建筑物遮阳方法可以分为三大类：外遮阳、特性玻璃和内遮阳。外遮阳可以由**性的建筑遮阳构造，如遮阳板、遮阳挡板、屋檐等，也可以是活动、可调节的，如百叶、活动挡板、卷帘等。这些遮阳构造在传统建筑中使用是很普遍的。特性玻璃是采用现代玻璃镀膜技术，使窗玻璃可以对入射的太阳光进行选择，起到尽量多的引入可见光，同时减小红外光进入室内。特性玻璃已经成为现代节能建筑设计的重要手段之一。

　　常见的内遮阳有内窗帘、百叶窗、内贴膜、各种特种纤维防晒卷帘等。不考虑其在设计和功能上的需求，内遮阳的节能效果总体上不如前面的两种方法，通常只有在无法采用前面的两种方法时，内遮阳才会被作为一种节能的补救措施。这些遮阳措施都有不同的遮阳特性，可以满足不同程度的遮阳需要。各种遮阳设施采用的目的都是降低进入室内的太阳直射和散射辐射的热量。更具体地说，是在不减少可见光进入室内的情况下，有效地减少红外线辐射。

采用以上这些遮阳方法无疑会降低太阳辐射的热量，但减少的量为多少，怎样评价这些遮阳措施的效果却还没有明确的标准。在《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中规定，外窗（包括阳台门透明部分）面积不应过大，外窗宜设置活动外遮阳；《民用建筑热工设计规范》规定，空调建筑的向阳面，特别是东、西向窗户，应采取热反射玻璃、反射阳光涂膜、各种固定式和活动式遮阳等有效的遮阳措施；《采暖通风与空气调节设计规范》规定空调房间应尽量减少外窗的面积，并应采取遮阳措施。对于特定的遮阳方法和设备的遮阳系数的相关定义和计算方法在《公共建筑节能计算标准》中有明确的规定。

　　2 、遮阳系数

　　在设计中，为了便于计算和定量分析各种遮阳措施对于建筑负荷和能耗的影响，通常采用遮阳系数作为一种计算参数。一般遮阳系数定义如下：

　　事实上，遮阳系数并不是个常数，随着它与太阳入射夹角（由太阳高度、方位角和窗表面的法线夹角）的变化而变化，这是其材料特性。对于某些建筑结构的外遮阳来说，一天中太阳位置（高度、方位角）随着时间的变化会使一部分太阳光束“漏”进室内，这就是它们的几何特性。同样，对于活动是可调节的内、外遮阳设备和材料，它们的遮阳系数既是使用调节的函数，又是时间（即太阳的位置）的函数，同时，遮阳设备的开启和调节会按照室内环境状态参数的变化（如照度、温度）而进行。因此，采用遮阳系数只是一个工程中的近似算法。工程中常用的遮阳系数通常采用实验测定和计算机模拟等方法来确定。

　　目前，国内外常用的遮阳系数的试验测定方法有采用量热器或防护热箱的对比法。量热器或防护热箱，应严格按照遮阳系数的定义来设计和使用。量热器对比法通常适用于体积小的平面内，由于采用实际尺度的房间和空调机恒温，计量箱和防护热箱对比法不仅可以确定材料的遮阳系数，也可以标定材料、结构部件和遮阳设备内、外的遮阳系数。

　　近年来，由于计算机能耗模拟技术在节能优化方案、绿色建筑评估、LEED 认证等等方面的应用越来越广泛，而大部分计算机能耗模拟软件需要将遮阳系数Sc 作为一个建筑材料的固定的输入参数。虽然，窗和玻璃的遮阳系数Sc 可以从设备和材料样本或设计手册中获取，但是，很多情况下，有些特殊材料且不同材质的遮阳卷帘，特殊建筑构件等的遮阳系数往往无法从上述的途径中找到。因此，计算机模拟遮阳系数逐渐成为一种获取材料和建筑构件遮阳系数的实用方法。

　　用计算机能耗模拟软件确定某建筑结构和材料的遮阳系数与试验测定法在原理上是相同的。计算机模拟法同样也是一种对比法，即按照定义建立两个几何形状和墙体材料恒等的房间模型，其中一个房间的窗口安装待测的遮阳材料、结构或设备，另一个房间的窗口安装3mm 厚的标准玻璃，在设定房间温度的情况下运行，两个房间的冷负荷之比就是该种材料、结构或设备的遮阳系数。由于是在虚拟环境中进行，计算机模拟系统可以不受实际尺度、测试条件及遮阳设备的限制，为便于分析，甚至可以提供在实际条件下不能达到的假设，比如房间的墙体内表面吸热系数为0、外表面绝热时间常数为0 等，可以避免采用量热器或防护热箱对比法测试中热平衡和设备标定的困难。所以，采用计算机模拟软件确定的遮阳系数应该是可靠的。必须指出的是，除了采用平面满盖窗口的遮阳材料以外，试验测定法和计算机模拟确定的结构和可调节外遮阳的遮阳系数是受到时间、建筑的朝向、地域和使用条件等因素限制的。

3、 计算机模拟遮阳系数方法

　　3.1 使用软件

　　模拟计算采用的软件不受限制，推荐采用国际上公认的软件工具（例如通过ASHRAE140 或BESTEST 测试的软件）。本实例采用的建筑能耗模拟计算软件为ESP-r。ESP-r 是英国Strathclyde 大学开发的建筑能耗模拟分析软件，被指定为欧洲热环境模拟的标准参照软件。

　　3.2 计算测试材料

　　本实例采用的遮阳材料为商业外卷帘产品（配DICKSON 0018 型面料），面料的光学特性参数如表1 所示。

　　3.3 模拟方法

　　模拟计算运用标准的实验对比法，即有两个相同的装有3mm 标准玻璃的房间，其中一个房间配置外遮阳，另一个房间设有，随后对两个房间综合的热量进行对比。模拟计算遮阳系数的方法实质上就是模拟两个独立、恒等的建筑物的动态能耗，模拟步骤上将遵循建筑能耗模拟软件的使用方法。表2 是房间的构造和尺度的对比。

　　3.4 气象参数和计算日

　　本实例的气象参数采用上海市标准气象年数据（美国能源部数据中心提供），计算日为上海地区7 月份中（包含一年中太阳辐射最强的一个小时）的一天。

　　此外，本模拟实验中，采用网络法来模拟室外空气在风压和热压的作用下，对房间因缝隙渗透引起的对流换热，以及由于室外风速作用在玻璃表面上的对流换热。同时将房间的空调控制（供冷）温度设定为26℃，墙壁、屋顶及地板均假定为绝热。

4、 模拟计算和结果分析

　　如图 1 所示，为根据对比法建立的房间和卷帘的三维CAD 模型。模型中，根据要求设定房间的边界条件，即墙壁、屋顶及地板均设为绝热。

　　4.1 设定模拟地点和气象数据

　　世界各地的地理位置都已经输入在能耗模拟软件中，使用时一旦选择相应的城市，软件就会自动将信息从资料库中调出。使用者按要求填入其他信息，如高度、环境、地面反射和朝向，如图2 所示。

　　选择相应的城市，软件调出后当地的气象数据库，气象资料包括六个基本参数，即温度、相对湿度、直射日射、散直射日射、风向和风速。图3 所示是气象数据库中上海地区标准气象年7 月份气温和太阳辐射图。

4.2 设定建筑材料

　　本实例中，建筑（房间）所要用的墙体、窗的玻璃特性等常用建筑材料，可以从软件提供的材料库中选择。如果系统的材料库中没有该种所需的材料（如遮阳卷帘），使用者可以按表1 提供的材料特性参数自行创建，如图4 所示。创建后的新材料可以加入系统的材料库中，便于日后其他人使用。

4.3 建立空气流动网络

　　本实例中房间的传热会受到环境风向和风速的影响，因此需要应用软件的自然通风模拟功能，功能根据实例房间拓扑关系，建立自然通风的网络模型，图 5 为本实例生成建立的空气流动网络。

　　4.4 设定室内空调控制

　　本实例为空调房间，根据房间的空调控制（供冷）温度设定的要求，选定空调的控制类型和控制温度，即26℃。本实例为对比测试，不需要设定人员和用电设备等使用信息。

　　4.5 模拟计算

　　周边环境设定完成以后，就可以开始进行模拟计算。模拟的可以选定各种计算参数，如时间步长、缓存类型、模拟时间段、生成数据库类型等。若需要计算精度高时，可以选用较小的时间步长。运行结束后，软件将自动生成数据库，并由软件的处理工具提供图形和动画分析评估报告

4.6 计算遮阳系数

　　遮阳系数的计算通过累计两个房间的冷负荷比得出，在室内控制温度为26℃时，设置遮阳卷帘的房间和不设置遮阳卷帘的房间在计算日逐时冷负荷对比曲线如图6 所示。

　　图6 中，两个房间的逐时冷负荷变化曲线下的面积，即日累计冷负荷，该软件以列表方式给出。表3 为遮阳房间与无遮阳房间不同的冷负荷参数对比。

　　由表3 可知，安装遮阳卷帘后可以将由太阳辐射造成的冷负荷减少82％，由此可导出配DICKSON 0018 型面料的遮阳卷帘的当量遮阳系数：

　　4.7 其他参数

　　在使用软件进行模拟分析时，不仅能够生成计算遮阳系数所需要的信息，同时也衍生出有关建筑热环境性能的其他信息。部分和室内舒适性有关的信息介绍如下：

　　（1）遮阳卷帘的遮阳效果

　　模拟计算遮阳卷帘和窗在每一个时间步长的遮阳效果，从而可以精确计算太阳辐射得热。如图7 所示，在本对比模拟计算实例中，当太阳直射辐射达到峰值时（下午14:30），有遮阳卷帘和无遮阳卷帘时的遮阳效果。

（2）室内平均辐射温度比较

　　室内平均辐射温度是影响人体热舒适性的一项重要指标，直接影响人体感官的舒适性。因为人体产生的热量是以一定的比例散发的，对流散热约占70%，辐射散热约占30%。如果房间的辐射温度过高，人体的热量就不能散发出去，而且还有可能从环境摄入热量。平均辐射温度和空气温度的共同作用效果可以用温度来反映。当室内空气流速较低（低于0.2m/s）时，平均辐射温度和室内空气温度的差异将小于4℃，此时作用温度近似于空气温度和平均辐射温度的平均值，这意味着两者对于室内热舒适的影响是同等重要的。安装遮阳卷帘后使室内平均辐射温度下降，作用温度可降低1℃～ 2℃，因此，在室内气温相同的情况下，安装遮阳卷帘的房间比不安装的房间具有更好的热舒适性。图8 所示为一天中两个房间的室内平均辐射温度变化曲线。

　　表4 为上午9 时至下午6 时有遮阳房间与无遮阳房间室内平均辐射温度的对比。由表3 可知，在室内气温相同的条件下，有遮阳房间白天的室内平均辐射温度的平均值比无遮阳房间低9.42℃，前者的热舒适性明显优于后者。

　　5、 结束语

　　建筑物遮阳材料的遮阳系数是建筑能耗计算和节能模拟的基本参数。在设计中，有些材料的遮阳系数往往在设计手册中不能找到。事实证明，采用集成模拟技术，以对比法进行材料遮阳系数的计算，是一种切实有效的方法，有时还可以用来补充实验数据缺乏的空白，由此确定的材料遮阳系数可以供设计冷负荷计算时使用，也可供部分能耗模拟软件，如eQuest 等，作为基本输入参数。　　　　　

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