建筑遮阳设施对建筑能耗的影响分析

楚洪亮，孙诗兵，万成龙

(1.中国建筑发展有限公司，北京 100195；2.北京工业大学，100124；3. 中国建筑科学研究院，北京 100013)



建筑遮阳设施对建筑能耗的影响分析

楚洪亮1，孙诗兵2，万成龙3

(1.中国建筑发展有限公司，北京 100195；2.北京工业大学，100124；3. 中国建筑科学研究院，北京 100013)

建筑遮阳是夏热地区降低夏季空调能耗有效措施之一，不同类型的建筑遮阳设施对建筑能耗的影响效果差异较大。文章以上海地区某居住建筑为例，通过采用建筑能耗分析软件建立模型，经过逐时计算建筑全年能耗来研究该建筑南向外窗采用不同类型遮阳设施的节能效果。结果表明：与不采用遮阳设施的建筑比较，采用遮阳设施的建筑空调耗电量降低幅度范围为3.37%～11.04%；对建筑采暖能耗的影响因遮阳类型不同差异明显，最多降低0.87%，最高增加1.54%；就建筑全年总耗电量而言，遮阳材料透射比为0的可升降活动外遮阳综合节能效果最优，可降低建筑全年总耗电量4.78%。

建筑遮阳；建筑空调能耗；建筑采暖能耗

0　引言

外窗是建筑围护结构中的开口部位，通过外窗损失的空调、采暖、照明能耗占到建筑围护结构能耗的一半以上[1-2]。在夏季炎热地区，通过外窗的太阳辐射得热是造成空调能耗大和室内热环境不良的主要因素[3]，而建筑遮阳设施就是改善这一问题的主要措施[4]，因此研究建筑遮阳设施对建筑能耗的影响非常重要。

建筑遮阳设施的种类很多，按位置分有内遮阳、外遮阳和中置遮阳；按调节方式分有固定式和活动式；按产品形式分有百叶、卷帘等等[5-6]。就产品形式而言，遮阳百叶对建筑能耗的影响方面的研究最多，研究结果均表明固定遮阳百叶和可调节的遮阳百叶均能有效提高窗的能效，从而降低建筑能耗[7-10]，而可调节的活动百叶相较于固定不可调节的百叶对调节室内光环境和降低建筑能耗的效果更好[11]，而即使是固定的外遮阳百叶节能效果也优于内遮阳[12]。就遮阳位置而言，基本所有的研究都表明外遮阳的节能效果优于内遮阳[4,12]，而且外遮阳对建筑的艺术表现发挥着其他位置遮阳无法代替的作用，李钢和李子俊分别研究了建筑外遮阳对降低建筑能耗的作用及建筑艺术表现方面的作用，结果均表明了建筑外遮阳是建筑形体、美感和节能的最佳结合[13-14]。除此之外，万成龙等研究了一种特别的遮阳方式即玻璃涂膜对节能效果的影响，研究表明玻璃涂合适的膜层后起到了遮阳设施的效果[15]。而万玲青等对建筑外窗遮阳节能效果的各种评价方法进行了比较，证明了众多学者选择的建筑能耗评价是遮阳节能效果评价最直接而有效的途径[16]。其他还有如建筑遮阳节能的标准体系[17]、建筑遮阳节能技术推广等方面的研究[18]，更有力的说明了行业内对建筑遮阳设施的节能效果非常重视。

上述研究主要关注固定遮阳百叶、可调节的遮阳百叶、玻璃涂膜遮阳等建筑遮阳形式的节能效果分析，或者建筑遮阳的综述与介绍，较难找到涵盖自遮阳、水平式固定外遮阳、固定百叶外遮阳及不同透过率材料制作成的活动百叶遮阳定量的节能效果分析的相关研究，因此，文章主要针对这方面做模拟研究.夏热冬冷地区是我国五个气候区中唯一一个冬季需要采暖且夏季需要隔热的气候区，气候条件复杂多样，具有非常高的研究价值，因此研究定位在夏热冬冷地区的典型城市上海市，建筑类型定位为居住建筑，该地区外窗遮阳设施的设置不能仅考虑遮阳的隔热作用(降低夏季空调能耗)，也需要兼顾冬季的采暖需求(不增加冬季采暖能耗)。研究选取外窗常见的7种遮阳形式进行模拟分析，并以普通中空玻璃外窗为参照得出南向外窗采用不同类型遮阳设施对建筑能耗的影响效果，为外窗遮阳设施的选用和节能效果分析提供参考。

1　建筑模型和遮阳设施类型

拟采用模型地处夏热冬冷典型城市上海，该建筑计算机模型如图1所示。建筑的主要朝向为南向，体形系数为0.35，建筑为气体结构，总建筑面积为1531.2m2，建筑总体积为4287.3m3，建筑物高度为16.8m，建筑层数为6层，建筑类型为居住建筑。

图1　典型建筑模型图(a)立面图；(b)三维效果图

本次模拟计算的目的是为了比较南向外窗不同类型遮阳设施的节能效果，和围护结构外墙、屋顶等其它构件的热工性能关系不大，为简化计算，其它构件的热工性能统一设定，详见表1。南向外窗及遮阳设施选型详见表2。

2　遮阳设施遮阳系数的计算

遮阳系数按式(1)、(2)[19]计算为

SD*=ax2+bx+1

(1)

x=A/B

(2)

式中：SD*为外遮阳系数；x为外遮阳的特征值，当x>1时，取x=1；a、b为拟合系数，按表3选取；A、B为外遮阳的构造定性尺寸，按图2确定。

当遮阳材料具有透光能力时，按式(3)[19]进行修正为

SD=1-(1-SD*)(1-η*)

(3)

式中： SD*为外遮阳的遮阳板采用非透明材料制作时的外遮阳系数；η*为遮阳板的透射比。

表1　围护结构热工参数设定

表2　南向外窗及遮阳设施选型

表3　外遮阳计算系数[20]

图2　水平式、挡板式及横百叶遮阳设施尺寸示意图[19](a)水平式遮阳；(b)挡板式遮阳；(c)横白叶遮阳

根据表2所选遮阳设施类型，依据上述公式计算南向外窗外遮阳系数，计算结果详见表4。

表4　遮阳系数计算表

由表4计算结果可知，可升降活动外遮阳设施SD值随遮阳材料的透射比升高而升高，当透射比为0、0.1、0.2和0.4时，遮阳系数对应分别为0.35、0.42、0.48和0.61；透射比为0.1的材料制作成的固定外遮阳遮阳系数为0.76，而对应的可升降活动外遮阳二遮阳系数为0.42；透射比为0.2的材料制作成的活动铝合金横百叶挡板式外遮阳的遮阳系数为0.51，而对应的可升降活动外遮阳三遮阳系数为0.48。

3　建筑采暖和空调能耗计算

上海地区建筑能耗采用动态方法计算，计算条件[20-21]如下：

(1) 居室室内计算温度，夏季全天为26 ℃；冬季全天为18℃。采暖期为12月1日到次年2月28日。空调期为6月15日到8月31日

(2) 采暖和空调时，换气次数为1.0次/h。

(3) 室外气象计算参数采用典型气象年。

(4) 室内得热平均强度为4.3W/m2。

(5) 采暖、空调设备为家用气源热泵空调器，空调额定能效比取2.8，采暖额定能效比取2.3。

根据当地规范要求，上海地区建筑的采暖、空调能耗以单位面积年耗电量为指标，年总耗电量包括空调耗电量和采暖耗电量两部分[20]。该典型建筑的年耗电量详细计算结果见表5。

(6) 关于表5的说明： 编号1计算结果为参考值。“-3.20%”表示该项指标计算结果值比参考值降低了3.20%。而“0.87%”表示该项指标计算结果值比参考值升高了0.87%。

表5　年耗电量计算结果

由表5计算结果可知，在设定的参数下，南向外窗增加遮阳设施后，建筑空调能耗降低效果明显，降低幅度范围为3.37%～11.04%。根据遮阳类型编号，按空调能耗由低到高排序：类型5(13.21kWh/m2)<类型6(13.37kWh/m2)<类型7(13.52kWh/m2)<类型4(13.60kWh/m2)<类型8(13.90kWh/m2)<类型2(13.92kWh/m2)<类型3(14.35kWh/m2)<类型1(14.85kWh/m2)，另对照表4的计算结果可判断空调能耗随外遮阳系数的降低而降低，其中活动外遮阳效果最好，降低幅度为6.40%～11.04%，其次为自遮阳(Low-E中空玻璃)，降低幅度为6.26%，再次为固定外遮阳，降低幅度为3.37%。

建筑采暖耗电量因遮阳设施类型差异而变化不一，按采暖能耗由低到高排序：类型2(19.31kWh/m2)<类型1(19.48kWh/m2)=类型5(19.48kWh/m2)=类型6(19.48kWh/m2)=类型7(19.48kWh/m2)=类型8(19.48kWh/m2)<类型3(19.65kWh/m2)<类型4(19.78kWh/m2)，其中Low-E中空玻璃自遮阳形式因降低了外窗的传热系数而降低了建筑采暖能耗达0.87%，升降式活动外遮阳因冬季不使用对采暖能耗无影响，而固定外遮阳及活动横百叶挡板式外遮阳增加了冬季采暖能耗0.87%和1.54%。

综合建筑空调耗电量及采暖耗电量，南向外窗增加遮阳设施后，建筑全年总耗电量均有不同程度降低，最多可降低4.78%。按总能耗由低到高排序：类型5(32.69kWh/m2)<类型6(32.85kWh/m2)<类型7(33.00kWh/m2)<类型2(33.23kWh/m2)<类型4(33.38kWh/m2)=类型8(33.38kWh/m2)<类型3(34.00kWh/m2)<类型1(34.33kWh/m2)，可见活动外遮阳综合节能效果(如表5中编号4至编号8所示的计算结果)优于选定自遮阳(如表5中编号2所示的计算结果)和固定遮阳(如表5中编号3所示的计算结果)，其中又以编号5、6、7三种类型的活动外遮阳综合节能效果更优。

4　结论

上海地区某居住建筑南向外窗采用不能类型遮阳设施后，节能效果评估结果表明：

(1) 采用遮阳设施的建筑的空调耗电量降低幅度范围为3.37%～11.04%，其中活动外遮阳效果最好，降低幅度为6.40%～11.04%，其次为选定的自遮阳(Low-E中空玻璃)，降低幅度为6.26%，再次为固定外遮阳，降低幅度为3.37%；

(2)Low-E中空玻璃自遮阳形式降低了建筑采暖能耗0.87%，可升降活动外遮阳因冬季不使用对采暖能耗无影响，而固定外遮阳及活动横百叶挡板式外遮阳会增加冬季采暖能耗0.87%和1.54%，可见外遮阳设施对冬季采暖能耗的降低无贡献，不可升降的外遮阳设施甚至会增加建筑冬季的采暖能耗，而Low-E中空玻璃的自遮阳形式可降低采暖能耗。

(3) 综合考虑建筑空调能耗和采暖能耗，活动外遮阳的综合节能效果优于选定的自遮阳和固定遮阳，而遮阳材料透射比为0的可升降活动外遮阳综合节能效果最优，降低建筑全年总耗电量的比例达到4.78%。

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(学科责编：李雪蕾)

Study on the influence of solar shading facilitiesonbuildingenergyconsumption

Chu Hongliang1, Sun Shibing2, Wan Chenglong3

(1.China State Construction Development Co.Ltd.，Beijing 100195, China; 2. Beijing University of Technology， Beijing 100124, China; 3. China Academy of Building Research, Beijing 100013, China)

Solarshadingfacilitiesareveryeffectivewaysofreducingsummercoolingenergyconsumptioninsummer-hotregions.Nevertheless,theinfluencesofdifferentsolarshadingfacilitiesonbuildingenergyconsumptiondifferrelativelylarge.TakingaresidentialbuildinginShanghaiasanexample,annualbuildingenergyconsumptionofthisbuildingiscalculatedbyestablishingthebuildingmodelthroughthebuildingenergyconsumptionanalysissoftware.Thentheenergysavingeffectofthisbuildingwithdifferentkindsofshadingfacilitiesoutsidethesouthwindowisstudied.Theresultsshowthatthecoolingenergyconsumptionofthebuildingwithshadingfacilitiesisreduced3.37%～11.04%andtheinfluenceofdifferentkindsofsolarshadingfacilitiesonthebuildingheatingenergyconsumptionisdifferent.Thebuildingheatingenergyconsumptioncanbereduced0.87%andbeincreased1.54%atmost.Theenergysavingeffectoftheextemalsolarshadingfacilitythatcanliftupanddownisbestwhenitsmaterialη*is0andtheannualenergyconsumptionofthebuildingwithitisreduced4.78%.

solarshadingfacilities;buidingcoolingenergyconsumption;buildingheatingenergyconsumption

2015-09-06

北京市科技计划课题(Z141100006014054)

楚洪亮(1983-)，女，工程师，硕士，主要从事建筑节能及绿色建筑等方面的研究.E-mail：chl19831121@163.com

1673-7644(2016)01-0033-05

TU111.4+8

A