一种扇形外遮阳装置在夏热冬冷地区的应用

王亚斯，梁云，董翠丽，曹毅然

［1.上海市建筑科学研究院（集团）有限公司，上海　200032；2.上海建科建筑节能评估事务所，上海　200032］

一种扇形外遮阳装置在夏热冬冷地区的应用

王亚斯1，2，梁云1，2，董翠丽1，2，曹毅然1，2

［1.上海市建筑科学研究院（集团）有限公司，上海200032；2.上海建科建筑节能评估事务所，上海200032］

基于常见水平遮阳形式，提出了一种可克服现有技术和产品弊端的扇形外遮阳装置，并在建立上海地区典型建筑理论模拟的基础上，确定了扇形外遮阳装置的适宜尺寸，搭建了可模拟带遮阳装置和不带遮阳装置接收太阳辐射强度的建筑遮阳效果实验台。通过实验测试，对比分析二者建筑外窗受外遮阳装置的影响差异，并验证扇形外遮阳装置的遮阳效果。结果显示，实测带遮阳装置的建筑外窗可有效遮挡9：00～16：00的太阳光辐射，降低室内温度；窗墙比为0.34时，进深为1.1 m的扇形外遮阳可遮挡37.4%的太阳光辐射，使夏季冷负荷降低10%以上，达到建筑节能效果。

扇形外遮阳；太阳光辐射；实验测试；对比分析

0　前言

建筑节能标准实施之前，建筑的设计和建造不注重外围护结构的保温隔热，导致室内热环境恶劣。但随着人民生活水平的提高，对室内热环境的舒适性提出了越来越高的要求。在外围护结构的节能研究中，应用适宜的建筑遮阳形式改善室内热环境，降低空调能耗，成为一个重要课题。

建筑外遮阳装置可以在夏季有效遮挡太阳光通过外窗的直射，降低空调运行负荷。而对于夏热冬冷地区，冬夏季遮阳效果相反，特别是固定外遮阳装置，冬季会遮挡有利阳光而增大热负荷，因此遮阳装置尺寸对遮阳效果影响较大。

基于建筑常见的水平遮阳形式，提出一种可克服现有技术和产品弊端的扇形外遮阳装置，并建立在上海典型建筑理论模拟的基础上，确定扇形外遮阳装置的适宜尺寸。选择建筑遮阳效果综合实验设计方案和搭建实验台，通过测试，对比分析带遮阳装置和不带遮阳装置的建筑外窗受外遮阳装置的影响差异，验证扇形外遮阳装置的遮阳效果。

1　扇形外遮阳装置

建筑外遮阳形式的选择，需要综合考虑多方面的因素，例如安全性、经济性、遮阳效果、建筑朝向，以及遮阳对通风、采光和视野的影响。根据现有外遮阳的形式和特点［1］，在夏热冬冷地区，南向外窗宜采用水平式遮阳装置。然而，工程上常见的水平式遮阳存在遮阳结构复杂、成本高、维护不便、普通活动外遮阳强度较弱、固定遮阳对冬季不利等弊端。因此，针对外遮阳技术改进需要解决的问题，以专利的形式提供一种结构简单、成本低、安装使用方便、强度较高、易于维护的水平外遮阳。

实用新型专利《一种水平扇形外遮阳装置》［2］中提出一种扇形活动外遮阳装置的设计，由半圆形框架、半圆形导轨、支撑杆、顶半环、伞形遮阳面料、手动调节控制机构等组成，如图1所示。

遮阳材料采用高强度复合面料，并设计为扇形，扇形外圆弧边缘利用高强度柔性绳线增加其强度；设置半圆形导轨，置于其中的多个滑块连接遮阳面料的外圆弧边缘；遮阳面料展开时，整体结构呈半圆锥形，圆锥母线与水平面呈10°～30°夹角；锥顶处设置半圆环并锚固于外墙上，扇形遮阳面料内边连接在半圆环上，遮阳装置顶部呈半圆形开口；半圆形导轨锚固于外墙上，将2根支撑杆焊接在导轨上并将另一端锚固于外墙上。该装置具有结构简单、成本低、安装使用方便、强度较高、易于维护等优点。

图1　扇形外遮阳活动装置示意

2　扇形外遮阳装置尺寸确定

由于在水平式遮阳装置尺寸与能耗之间的关系理论模拟研究中，设置的遮阳形式只有矩形遮阳板，因此，需建立在矩形遮阳板与能耗之间关系的模拟研究的基础上，确定扇形外遮阳装置的尺寸，进而通过实验测试验证其遮阳效果。

通过建筑能耗动态分析软件，建立夏热冬冷地区典型城市上海地区的典型建筑水平遮阳分析模型，分析水平遮阳深度与建筑能耗之间的关系［3-7］。根据模拟结果可知，对于南向外窗，随着水平遮阳板深度的增加，夏季制冷能耗逐渐减小，而冬季制热能耗逐渐增加；且当水平遮阳板深度达到1 m以上时，建筑夏季制冷能耗可以减少10%以上。

根据上海市工程建设规范DGJ 08-205—2011《居住建筑节能设计标准》中外遮阳系数确定公式，可计算理论模型中水平遮阳板的外遮阳系数SD，见式（1）：

式中：x——外遮阳特征值，当x＞1时，取x=1；

a，b——拟合系数；

A，B——外遮阳构造定性尺寸。

由式（1）、式（2）可计算得出，理论模型中遮阳板的外遮阳系数SD=0.74。因此，在保证实验测试外遮阳系数与理论模型外遮阳系数一致的情况下，推导计算实验装置（外窗设计尺寸为：宽×高=1700 mm×1500 mm）中扇形外遮阳装置的尺寸，即半径为1.1 m。

3　建筑外遮阳改造效果实验测试

3.1实验测试装置的搭建

建筑遮阳效果综合实验测试装置包括2个尺寸完全相同的测试箱体、外窗、外遮阳装置和室内外参数测试系统。整个实验装置结构如图2和图3所示。

图2　实验测试装置

图3　实验参数测试系统

为了尽可能减少箱体围护结构的传热损失、提高测试精度，2个测试箱体均采用80 mm泡沫彩钢板制作，设计尺寸为：长×宽×高=2700 mm×2000 mm×2600 mm，箱体水平间距为2.7 m以避免箱体之间对照射到箱体上阳光的影响；箱体外窗由理论模型的南向窗墙比确定，设计尺寸为：宽×高=1700mm× 1500mm，玻璃为5mm厚标准白玻璃；外遮阳装置为避免加工的复杂性，设计为固定式扇形外遮阳，圆锥母线与水平面呈20°夹角，半径为1.1m；温度测点热电偶和太阳辐射仪分别用于测试温度和太阳辐射强度，并由数据采集仪逐时采集和储存。

3.2实验测点的布置

图4　测点布置平面示意

本实验测点布置总共有54路温度测点和4路太阳辐射强度测点，详细测点布置平面如图4所示：测试箱体内中间高度布置2个温度测点，测试室内空气温度；箱体各壁面分别布置2个温度测点，测试各壁面的内外表面温度；玻璃内外表面分别布置2个温度测点，测试玻璃内外表面的温度；太阳辐射测点布置在箱体外窗中间位置，测试箱体垂直面上接收的太阳辐射强度。

考虑太阳高度角在一天中是变化的，遮阳装置对接收的太阳辐射强度有一定的影响，还需在带遮阳装置的2号测试箱体的外窗两侧墙体布置2个太阳辐射测点，以便更精确地测试不同太阳高度角时箱体垂直面上接收的太阳辐射强度。3.3实验测试方案

（1）测试箱体相对误差测试方案

本实验的2个测试箱体设计几何尺寸、材料完全一样。考虑测试箱体的制作、安装等因素的影响，二者在相同的室外环境条件下存在一定的相对误差。因此，在实验测试前，必须对2个测试箱体进行自然工况下的标定，考察自然状态下测试箱体内空气温度变化情况是否一致。

（2）遮阳效果综合测试方案

测试时间安排在8月份，选择室外温度较高和晴好天气，待调试好仪器设备后，设置测试时间间隔为15 min，由计算机自动采集全天逐时的实验测试数据，主要包括室内空气温度、箱体各壁面温度、玻璃表面温度、箱体接收的太阳辐射强度等。遮阳类型为水平式半圆形外遮阳，设置箱体1（无遮阳）、箱体2（有遮阳）。

4　建筑遮阳效果综合实验测试结果分析

4.1实验装置相对误差测试结果分析

实验装置相对误差的测试中，对2个测试箱体进行自然状态下室内逐时温度的测试与采集，图5为选取的某测试时刻箱体室内的温度。

图5　测试箱体室内温度对比

由图5可知，在测试期间，2个测试箱体内部温度的波动变化情况几乎一致，二者各个时刻温度相差均在1℃范围内，相对误差均在5%以内。由此说明，2个测试箱体的热容量是一致的，即在同一环境条件下，2个测试箱体具有很好的可比性。

4.2建筑外遮阳试件实验测试对比分析

选取8月30日当天的测试数据进行建筑外遮阳试件实验测试对比分析。

（1）箱体内部温度测试结果对比分析

考虑到测试箱体的各温度值均为逐时变化值，在一天中的12：25时刻各温度测试值为最大。选取该最大值作为2个测试箱体的测试结果进行对比分析，如表1所示。

表1　2个箱体的温度测试结果

从表1可看出，由于外遮阳装置的作用，箱体2的各壁面和玻璃内表面温度明显低于箱体1，两者差值均在7℃范围内。（2）测试箱体室内空气温度和玻璃外表面温度对比分析测试箱体室内空气温度和玻璃外表面温度的实验测试结果如图6～图8所示。

图6　测试箱体室内空气温度比较分析

图7　测试箱体玻璃外表面温度比较分析

由图6和图7可以看出，测试箱体室内空气温度和玻璃外表面温度均呈逐时变化趋势。扇形外遮阳装置可以显著降低9：00～16：00期间箱体室内温度和玻璃外表面温度。同时在8：00以前和16：00以后2个箱体室内温度和玻璃外表面温度几乎相等，说明在上海地区扇形外遮阳装置并不能遮挡这2个时间段的太阳直射辐射。

图8　2个箱体室内空气和玻璃外表面温差

由图8可以更直观地看出，2个箱体的室内空气和玻璃外表面温差（无遮阳-有遮阳）是波动的，且室内空气温差最大值为6.72℃，出现在一天中的12：25时刻；玻璃外表面温差最大值为 5.49℃，出现在一天中的 11：55左右。

（3）接收的太阳辐射强度对比分析

2个箱体接收的太阳辐射强度测试结果如图9所示。

图9　2个箱体接收的太阳辐射强度

由图9可以看出，由于受到扇形外遮阳装置的影响，箱体2接收的太阳辐射强度明显低于箱体1。在当天测试期间，箱体1全天累计可接收的太阳辐射为6.48 MJ，箱体2全天累计可接收的太阳辐射为4.06 MJ，由此可知半径为1.1 m的南向扇形外遮阳装置可遮挡37.4%的太阳辐射。

考虑透过外窗进入室内的太阳辐射得热在室内冷负荷中占着较大的比例，以上海地区典型多层节能住宅为例［8］，采用GB 50176—1993《民用建筑热工设计规范》中建筑能耗静态计算方法，计算分析窗户在整个采暖空调能耗中所占的比例。其中在夏季，外窗在整个建筑能耗中所占的比例主要体现在太阳辐射得热，结果如图10所示。

图10　夏季建筑能耗构成

由图10可知，按照上海地区典型建筑中通过窗户的太阳辐射得热量占总供冷量的50%，本实验中的扇形外遮阳装置可使夏季冷负荷降低10%以上，达到节能的效果。

5　结　论

（1）带水平扇形遮阳装置的建筑外窗可显著降低室内温度，在夏热冬冷地区典型城市上海主要遮挡9：00～16：00时间段的太阳辐射。

（2）窗墙比为0.34时，安装半径为1.1 m的扇形外遮阳装置，可遮挡37.4%的太阳辐射，使夏季冷负荷降低10%以上，达到节能的效果。

［1］顾端青，沈源韶.建筑遮阳的形式及性能特点［J］.建设科技，2013 （15）：41-43.

［2］曹毅然，肖先波，梁云，等.一种水平扇形外遮阳装置，中国：ZL20130071862.9［P］.2014-05-14.

［3］清华大学DeST开发组.建筑环境系统模拟分析方法：DeST［M］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

［4］张野，谢晓娜，罗涛，等.建筑环境设计模拟分析软件DeST第4 讲 建筑热过程中的太阳辐射相关模型［J］.暖通空调，2004，34 （10）：55-64.

［5］简毅文，上苏颖，江亿.水平和垂直遮阳方式对北京地区西窗和南窗遮阳效果的分析［J］.西安建筑大学学报，2001，33（9）：212-217.

［6］张欢，杨斌，杨向劲.住宅建筑南向墙遮阳板尺寸设计及节能潜力分析［J］.天津大学学报，2004，37（7）：610-613.

［7］曹国庆，涂光备，杨斌.水平遮阳方式在住宅建筑南窗遮阳应用上的探讨［J］.太阳能学报，2006，27（1）：96-99.

［8］卜震，陆善后，范宏武.窗户遮阳技术在节能住宅中的应用研究［J］.上海建设科技，2005（3）：33-36.

The application of fan-shape external shading device in hot-summer and cold-winter area

WANG Yasi1，2，LIANG Yun1，2，DONG Cuili1，2，CAO Yiran1，2
［1.Shanghai Research Institute of Building Science（Group）Co.Ltd.，Shanghai 200032，China；2.Shanghai Jianke Building Energy Conversation Evaluation Institute，Shanghai 200032，China］

According to the common horizontal shading，this paper proposes a fan-shape external shading device which can overcome the disadvantages of the present techniques and products.And based on the theory simulation of the typical building in Shanghai，determine the appropriate size of the fan-shape external shading device，build the test bench of the building shading effect which can simulate the solar radiation intensity with shading devices or not，comparative analyze the difference effected by the external shading device between the two kinds building windows，and verify the shading effect of the fan-shape external shading device.The results show that the building window with shading devices can effectively cover the solar radiation from 9：00 to 16：00，and reduce the inner temperature.When the window wall ratio is 0.34，the semicircular shading device with depth of 1.1 m can cover 37.4%solar radiation，and reduce more than 10%summer cooling load to saving the building energy.

fan-shape external shading，solar radiation，experimental measurement，comparative analyze

TU111.4

A

1001-702X（2015）11-0045-05

国家“十二五”科技支撑计划项目（2012BAJ06B02）

2015-04-17

王亚斯，女，1990年生，江西鹰潭人，助理工程师。