重庆地区某建筑不同内遮阳调控策略节能效果分析

沈长亮，庄春龙，赵少卿

（1重庆师范大学基建处，重庆 401331；2陆军勤务学院军事设施系，重庆 401331；3海军青岛某基地，山东青岛 266000）

0 引言

建筑内遮阳是指遮阳装置和控制体都位于室内的遮阳方式，是我国应用最普遍的一种遮阳方式。对于中庭玻璃屋面，加装内遮阳可以改善室内热环境，降低室内空调冷负荷[1]，如果在内遮阳与玻璃之间加排风机，中庭周围空调辐射区温度降低约4℃，并改善采光对人体换射量的影响[2]。实验研究表明，内遮阳房间的内墙内表面温度比没有设置内遮阳的房间平均低0.6℃～1℃，但自然采光照度下降了81%，内遮阳可以有效削减太阳辐射热，内遮阳房间的空调节能率达到17.24%左右[3]。通过模拟计算比较：所采用的遮阳措施中效果最明显的是内悬挂浅色窗帘及双层玻璃并辅以0.4m水平探出的遮阳板[4]。

建筑遮阳会影响室内采光和建筑得热过程，遮阳装置在遮挡太阳辐射进入室内、减少空调制冷能耗的同时，也不可避免地阻碍了自然采光，并导致人工照明能耗的大幅上升[5-6]。而选用高度透明的内遮阳可以降低室内能耗和人员所受眩光影响，提高人员舒适性[7]。赵少卿等人提出“瞬时有效照度（IUDI）”采光评价指标，通过软件模拟了卷帘和百叶遮阳的调控策略，得出合理的调控策略可以提高室内采光质量[8]。Tzempelikos等人根据设定功率密度等参数提出了4种卷帘内遮阳调控策略，并通过试验对模拟进行了验证[9]，但该文献并没有涉及卷帘在不同开启程度下的研究。不同的遮阳方式和不同的调控策略，对室内采光和建筑得热及空调能耗有不同的影响，只有合理的搭配，才能最大限度地发挥内遮阳的作用。

1 实验设置

为研究不同内遮阳调控方式对室内热环境的影响，本文选取重庆某院校两间相邻且基本相同的办公室，尺寸为6m×6m×3.6m，南面开窗，共有4面，窗户为塑钢窗，尺寸为1.2m×2.5m。根据重庆地区气候特点和人们办公、生活习惯，实验选取金属百叶帘、布艺帘和卷帘三类遮阳产品，通过三种不同内遮阳设施，采用不同遮阳调控策略，研究内遮阳对室内热环境变化的影响。其中，百叶叶片宽度30mm，叶片间距18mm，每面窗均设置百叶帘；卷帘同样与每面窗相对应，尺寸为1.3m×2.7m，颜色为浅色；布艺帘与卷帘的开启方式不同，需将整面墙覆盖，其尺寸为6m×6m，其孔隙率较小，仅为5%。具体遮阳装置光学参数如表1所示。

表1 遮阳装置光学参数

测试时间选定重庆地区7月天气晴朗且室外气候条件较为相似的一天时间（9：00至17：30）作为一个实验时段。对比重庆地区办公室内遮阳开启习惯，百叶内遮阳调控选择90°（叶片与地面平行）、45°、30°三个典型倾角；内遮阳卷帘为全闭（遮阳装置全部放下）、半开和开启1/5；布艺帘为全闭、半开和开启1/5。9种内遮阳控制策略进行了9天的实验，每种遮阳控制策略测试周期均为一天。

室内空气温度的测量选取了8个测点，各测量点距离地面的高度取人坐姿时头部位置，高度为1.1m，如图1所示。参照文献[10]测定方法，实验采用SK－WS1000-8多路温湿度巡检仪测量各测点温度，采用SK-ZDXQ型自动气象站测量室外逐时空气温度和太阳直射辐射强度，采用SK－FHRL1810W型建筑热工多路温度热流检测仪测量办公室壁面和玻璃内外壁面温度，并在各测量点用锡箔纸进行遮挡。

图1 室内温度测点布置图（m）

2 实验结果分析

通过测量室内、外空气及墙壁和玻璃壁面逐时温度值，求得不同控制策略下不同时间点室内外的温差，并进行分析探讨。

图2、图3和图4分别为布艺帘开1/5、布艺帘半开和布艺帘全闭的逐时平均温度变化情况。布艺帘遮阳室内空气逐时平均温度的变化趋势与室外气象逐时温度变化趋势一致。布艺帘开1/5策略下室内全天平均温度30.1℃，比室外空气温度高出0.16℃，对比试验中全天平均温度达到31.0℃，比室外空气平均温度高出了1.07℃，可见布艺帘开1/5能够有效阻挡太阳辐射，降低室内温度。布艺帘全闭策略下室内全天平均温度30.3℃，比室外空气温度高出0.16℃，对比试验中全天平均温度达到31.1℃，比室外空气平均温度高出了1.15℃。由于布艺帘开启1/5后受太阳高度角和方位角的影响，仅在中午很短的时间内受到阳光直射作用，导致布艺帘全闭和开启1/5两种策略对室内温度的影响差别不大。布艺帘半开下，室内全天平均温度31.5℃，比室外空气温度相比高出了0.53℃，布艺帘半开遮阳降温效果较差，原因是在中午前后时段，布艺帘半开不能有效阻挡太阳直射辐射，且通过对流传热大部分热量也能通过玻璃进入室内。

图2 布艺帘开1/5逐时平均温度变化

图3 布艺帘半开逐时平均温度变化

图4 布艺帘全闭逐时平均温度变化

图5 布艺帘开1/5围护结构壁面逐时温度

图6 布艺帘半开围护结构壁面逐时温度

图7 布艺帘全闭围护结构壁面逐时温度

图5 、图6和图7分别为布艺帘开1/5、布艺帘半开和布艺帘全闭时，室内东墙、西墙、北墙、地面、南墙内外壁和玻璃内外壁逐时温度的变化情况。从图中可以看出，玻璃外壁温度吸收太阳辐射后温度急剧上升，平均温度比玻璃内壁高出2℃～3℃。南墙外壁面温度变化速率要比内壁面大，室内温度波动较小，热量由南墙壁面和玻璃向室内其它壁面以辐射和对流形式扩散。对比三种遮阳调控策略下室内壁面平均温度与室外温度的差值可以发现，布艺帘开1/5和布艺帘全闭下室内壁面温度相差不大，都比室内温度略低。布艺帘半开时室内壁面平均温度比其他两种策略要高出1℃左右，可见布艺帘半开下遮阳降温效果较差。

同理，对于百叶遮阳，通过对比逐时温度变化情况，可以得出，30°百叶的遮阳降温效果好于45°百叶，而45°百叶对调节室内空间温度平衡起到了一定的作用。90°百叶遮阳降温效果较差，主要原因是90°百叶叶片处于水平状态，无法有效地遮挡太阳辐射所致。对比墙壁和玻璃壁面温度，可以得出，30°百叶与45°百叶墙内壁温度相差不大，都比室外温度略低，而90°百叶室内壁面温度高于室外温度，北墙内壁平均温度比室外温度高出0.5℃，这也从另一方面说明90°百叶遮阳效果比30°百叶和45°百叶遮阳降温效果差。

对于卷帘遮阳，通过对比逐时温度变化情况可以得出，卷帘开启1/5与卷帘全闭两种策略的遮阳降温效果相差不大。卷帘半开下，室内全天平均温度31.6℃，比室外空气温度相比高出了0.54℃，说明卷帘半开相对于其他两种策略遮阳降温效果较差。对比墙壁和玻璃壁面温度，可以得出，卷帘开1/5南墙内壁的差值最小为2.6℃，卷帘全闭南墙内壁差值最大，达到4.4℃。卷帘全闭和卷帘半开两种策略下室内壁面和室外温度相差很小，但卷帘全闭却比卷帘半开室内温度要低0.4℃左右，靠窗较近的测点3全天平均温度也低0.5℃。可见，卷帘全闭能有效阻挡太阳直射辐射，达到良好的遮阳降温效果。

图8所示为百叶遮阳与室外逐时温差变化情况，从图中可以看出，45°百叶与室外逐时温差从上午9时呈上升趋势，在14时达到峰值，随后开始下降。全天平均温差0.38℃，最大温差0.6℃。90°百叶与45°百叶走势类似，全天平均温差比45°百叶略小。30°百叶遮阳与室外逐时温差较大，最大温差0.7℃，全天平均温差为0.52℃，因此全天30°百叶遮阳为最优遮阳策略。

图8 百叶遮阳与室外逐时温度差值

图9 和图10分别为布艺帘遮阳和卷帘遮阳与室外逐时温度差值变化情况。通过对比，可以发现，布艺帘遮阳与卷帘遮阳降温效果相似，布艺帘半开和卷帘半开遮阳与对比组逐时温差较小，全天平均温差在0.4℃左右，遮阳效果并不理想。布艺帘全闭与室外逐时温差最高达到1.3℃，全天平均温差1.02℃，说明布艺帘全闭时遮阳降温效果较好，能够有效降低室内温度。而布艺帘开1/5与室外逐时温度差值最高1.2℃，全天平均温差0.96℃，与布艺帘全闭时遮阳降温效果相差不大。卷帘全闭的遮阳降温效果在卷帘遮阳中最好。

表2 不同遮阳策略下温度差值与空调耗电量表

图9 布艺帘遮阳与室外逐时温度差值

图10 卷帘遮阳与室外逐时温度差值

综合来看，百叶的遮阳降温效果较差，但百叶30°遮阳要好于布艺帘半开和卷帘半开遮阳策略；布艺帘和卷帘遮阳降温效果较好，其中布艺帘全闭和卷帘全闭是最优的遮阳策略。

3 不同内遮阳调控策略的节能率

采用DesignBuilder软件计算不同遮阳策略下的节能率。为了简化计算，假设相邻房间均为开启空调，且内围护结构的冷负荷忽略不计，计算空调冷负荷时采用冷负荷系数法。为了使室外温度更加贴近实测温度，修改DesignBuilder软件中气象参数，取当天室外干球温度32.0℃不变，空调设定基础温度为26℃，其中空调设定温度为基础温度与遮阳温差的和。夏季制冷能效比EER取值为3，计量时间为9：00至18：00。建筑不设置遮阳，仅研究室内温度变化对空调能耗的贡献率。表2为不同遮阳策略下温度差值与空调耗电量。

室内温度变化对空调能耗的贡献率ESr（Energy-saving rate）可用下式表示：

ESr=(Qs-Qe)/Qsx100%

式中：Qs为空调基础温度设定为26℃时，空调全天耗电量，由软件计算得18.60kW·h；Qe为不同遮阳调控策略下，以基础温度与遮阳温差的和作为空调设定温度时，空调全天耗电量，kW·h。

通过计算，不同遮阳策略下的节能率如图11所示。从图11中可以看出，布艺帘全闭策略节能率最高，达到11.3%，卷帘全闭策略次之，而百叶90°节能率最低，仅有3.6%。对于遮阳产品，从降低室内温度方面来讲，布艺帘的节能效果要优于卷帘和百叶。这是由于所选的布艺帘孔隙率较低，且为银灰色，可以有效阻挡太阳辐射进入室内。

图11 不同遮阳策略下的节能率

4 结语

本文以遮阳策略下室内温差作为衡量遮阳降温效果优劣的标准，通过实验测试了重庆地区某建筑不同内遮阳设施在不同调控策略下对室内温度的影响，并对遮阳效果进行对比分析，得出以下结论：

（1）百叶遮阳中30°遮阳与室外逐时温度差值较大，最大温差0.7℃，全天平均温差为0.52℃，而90°百叶与45°百叶全天平均温差仅0.38℃；布艺帘遮阳与卷帘遮阳效果相差不大，其中布艺帘全闭和卷帘全闭是最优的遮阳策略，全天平均温差高达1℃左右。

（2）通过软件计算不同遮阳策略下的节能率，布艺帘全闭策略节能率最高，达到11.3%，卷帘全闭策略次之，而百叶90°节能率最低，仅有3.6%。

（3）不同内遮阳方式、不同调控策略对空调能耗影响较大，只有选择最合适的内遮阳方式，才能在既定条件下最大限度地降低空调能耗，减少不必要的能源损耗。