丁 勇，連大旗，李百戰(zhàn)，姚潤明

(1.重慶大學 三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶400045；2.英國雷丁大學 建筑管理工程系，英國雷丁RG66AW)

建筑外窗由于薄壁輕質(zhì)透明構件的特點，使得夏季通過玻璃窗的太陽輻射得熱負荷占到室內(nèi)空調(diào)負荷的20%～30%。因此，大量的建筑外窗均設置有各種遮陽措施以阻擋夏季太陽輻射進入房間，其中的內(nèi)遮陽由于設置便捷，功能多樣，美觀大方等優(yōu)勢得到大量應用[1－5]。由于內(nèi)遮陽設施本身的特點，能夠反射、吸收和透過太陽輻射(圖1)，吸收和透過部分均成為建筑空調(diào)冷負荷，其中吸收的輻射熱會慢慢在室內(nèi)釋放全部成為得熱，而反射部分也因為玻璃的二次反射而部分成為空調(diào)冷負荷，內(nèi)遮陽設施只是使得熱的峰值有所衰減和延遲。而與此同時，內(nèi)遮陽遮擋了直射陽光，同時也遮擋了散射的光線，影響室內(nèi)自然采光，形成了內(nèi)遮陽應用中的必然矛盾[6－7]。因此，內(nèi)遮陽在遮擋太陽輻射的同時也吸收了太陽輻射熱；在阻止輻射熱進入的同時也阻擋了自然光的進入[6、8]，因而，內(nèi)遮陽對室內(nèi)熱環(huán)境和光環(huán)境的作用具有典型的交叉性，而對于這種交互影響的認識，目前大多是從感性上得以理解，鮮有具體數(shù)據(jù)的理性論證，而對于合理設置與利用內(nèi)遮陽的分析，首先需要的就是弄清楚這些影響的作用?；谶@一出發(fā)點，本文圍繞內(nèi)遮陽對室內(nèi)熱環(huán)境和光環(huán)境所產(chǎn)生的影響程度和所產(chǎn)生的空調(diào)能耗降低及照明能耗增加的程度開展了實驗對比測試研究，對內(nèi)遮陽應用情況下室內(nèi)圍護結(jié)構表面溫度變化、自然采光照度變化以及能耗變化進行了分析。

圖1 內(nèi)遮陽設施對太陽輻射的影響[9]

1 研究方法

為了研究內(nèi)遮陽對室內(nèi)熱環(huán)境和光環(huán)境的影響，研究針對2相鄰辦公室開展了對比測試。兩辦公室的房間長寬高均為7.9m×3.7m×3.5m，面積29.2m2；在西北向外墻上設置有外窗，寬高為1.2m×2.1m，窗臺高0.8m，窗墻比為0.24；辦公室A未設置內(nèi)遮陽，辦公室B設置淺色布窗簾內(nèi)遮陽。實驗測試中，按照相關測試標準[10－13]的要求，參考文獻[14－21]中相關實驗的設置，分別測試了測試房間4面墻體的表面溫度、地板和天花板表面的溫度、室內(nèi)溫濕度、室內(nèi)照度以及外窗玻璃內(nèi)表面溫度和內(nèi)遮陽表面溫度，室內(nèi)測點按照相關測試要求[10－13]布置(圖2)。2間測試房間內(nèi)均采用柜式空調(diào)器控制室內(nèi)溫度，空調(diào)設定溫度為26℃。

圖2 測試房間溫度(左圖)和照度(右圖)測點布置圖

為了測試觀察的連續(xù)性與周期性，測試選取了重慶地區(qū)8月的代表性氣候時間段進行測試，分別采用了溫濕度計Dwyer485、照度計TES1334A、紅外測溫計UT302A、電能表DD862－4測試儀器測試了室內(nèi)外溫濕度、照度、圍護結(jié)構內(nèi)表面溫度、空調(diào)能耗等參數(shù)。根據(jù)測試結(jié)果，對比分析了測試參數(shù)的動態(tài)特性與周期性、空間分布與時間分布等性能所反應出的內(nèi)遮陽作用下的室內(nèi)熱環(huán)境狀態(tài)與光環(huán)境狀態(tài)的特征參數(shù)，對內(nèi)遮陽對室內(nèi)光熱環(huán)境的影響進行了定量化的衡量。

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)遮陽對建筑室內(nèi)熱環(huán)境的作用分析

根據(jù)研究測試結(jié)果，將內(nèi)遮陽房間與未遮陽房間的室內(nèi)溫濕度狀況進行對比(圖3)。測試期間天氣多為多云和晴天，室外照度值較高，在下午時刻達到最大值約51 000lx。室外溫濕度呈現(xiàn)日動態(tài)變化特性，早上溫度較低，約30℃左右，到下午15：30左右上升到近38℃，而隨后溫度開始下降，全天溫度在29～38℃之間；空氣相對濕度則從早上的約77%變化到下午的49%，而后又呈現(xiàn)上升趨勢，全天相對濕度在45%～80%之間。而室內(nèi)在空調(diào)器的作用下，無論是否設置內(nèi)遮陽，室內(nèi)溫濕度全天受室外擾動小，溫度維持在26℃左右，相對濕度在55%～70%之間。

圖3 室內(nèi)外溫度、濕度的日變化

根據(jù)研究測試結(jié)果，將房間A與B的圍護結(jié)構內(nèi)表面溫度以及房間A窗簾內(nèi)表面溫度與房間B的玻璃內(nèi)表面溫度進行對比發(fā)現(xiàn)，內(nèi)遮陽減弱了太陽輻射與內(nèi)圍護結(jié)構之間的直接熱作用，使得內(nèi)遮陽房間圍護結(jié)構內(nèi)表面溫度得到一定程度的降低，并且對于均與室內(nèi)空氣直接接觸的房間A窗簾內(nèi)表面和房間B玻璃內(nèi)外面，前者溫度明顯小于后者(圖4、5)。

圖4 室外平均溫度、辦公室圍護結(jié)構內(nèi)表面溫度變化趨勢

由于通過窗戶的太陽輻射在內(nèi)遮陽處分為3部分，一部分直接透過內(nèi)遮陽裝置進入室內(nèi)，被圍護結(jié)構內(nèi)表面、家具、空氣所吸收；另一部分被內(nèi)遮陽裝置反射到室外側(cè)，不完全成為房間得熱；還有一部分被內(nèi)遮陽裝置吸收，提高本身溫度，并通過長波輻射和對流方式向室內(nèi)和玻璃區(qū)域散發(fā)影響室內(nèi)熱環(huán)境。內(nèi)遮陽透光材料對太陽輻射透過率介于0～1之間，阻隔了通過玻璃的太陽輻射與室內(nèi)空氣及內(nèi)圍護結(jié)構的直接熱作用，減小了它們之間的傳熱量，有效降低了內(nèi)遮陽房間圍護結(jié)構內(nèi)表面溫度。從測試數(shù)據(jù)對比圖3可以看出，2個測試房間在空調(diào)器的作用下，室內(nèi)的各圍護結(jié)構內(nèi)表面的溫度變化相對平穩(wěn)，但仍可看出由于辦公室A設置了窗簾內(nèi)遮陽，因此導致東北、西南和東南的各面內(nèi)墻的表面溫度均低于辦公室B，平均差值為0.59℃左右，平均降幅2.8%，由此可見內(nèi)遮陽有效降低了太陽輻射熱對室內(nèi)各表面的加熱程度；同理可見，在天花板的溫度對比中，同樣是設置了內(nèi)遮陽的辦公室B的天花板內(nèi)表面溫度明顯低于未設置內(nèi)遮陽的辦公室A，最大差值達到1.8℃，而且溫度差值從早上到下午逐漸增加，這充分表明了內(nèi)遮陽在阻擋室內(nèi)表面太陽輻射得熱方面的作用；而由于受到空調(diào)器作用和溫度梯度分布規(guī)律的作用，2測試房間的地板表面溫度相差并不明顯，這也是符合熱流分布規(guī)律的[20]；而西北向的圍護結(jié)構為測試房間的外墻，其直接受外界影響，因此2個測試房間該面墻體內(nèi)表面溫度相差不大，而且溫度也隨時間逐漸上升，且明顯高于其他內(nèi)墻表面溫度。

內(nèi)遮陽的設置，使得內(nèi)遮陽與外窗玻璃表面之間形成空氣層，該空氣層的作用，對于降低太陽輻射熱傳向室內(nèi)起到了阻礙作用。通過對比外窗玻璃的內(nèi)表面和窗簾的內(nèi)表面溫度(圖5)，由于受到外界氣候因素的直接作用，此2表面的溫度波動明顯大于其他墻體內(nèi)表面，而更接近于外界溫度的波動；對比2表面的測試結(jié)果，窗簾內(nèi)表面溫度和玻璃內(nèi)表面溫度之差平均為1.22℃，而隨著外窗所接受的太陽輻射量的增加，該溫差最大值達到1.93℃，由此可見，由于玻璃與遮陽布之間的空氣間層的作用，使得2表面的溫度存在明顯的差別，從而也可以再次證明內(nèi)遮陽可降低圍護結(jié)構內(nèi)表面的溫度；但是，與此同時我們也應看到，雖然內(nèi)遮陽內(nèi)表面的溫度低于外窗玻璃內(nèi)表面的溫度，但由于受到太陽輻射的直接影響，其表面溫度卻仍然高于其他墻體的內(nèi)表面溫度，該高出值平均為3.54℃，最大達到了5.01℃。

圖5 室外空氣溫度、辦公室A窗簾和辦公室B窗玻璃內(nèi)表面溫度變化趨勢

由此可見，內(nèi)遮陽由于阻擋了太陽輻射對室內(nèi)的直接作用，對降低外窗玻璃內(nèi)表面的溫度起到了一定的作用，從而可以在一定程度上減少外窗的熱傳遞，但由于內(nèi)遮陽在遮擋太陽輻射的同時也吸收了部分太陽輻射熱，因此使得內(nèi)遮陽的溫度遠高于其他墻體表面，其本身也形成了對室內(nèi)散熱的熱源，也就是說內(nèi)遮陽并未起到完全隔絕太陽輻射熱的作用。

2.2 內(nèi)遮陽對空調(diào)能耗的影響分析

在前面的分析中可以看到，內(nèi)遮陽對太陽輻射有遮擋、反射的作用，被反射到室外的太陽輻射，不會成為室內(nèi)得熱，這有效減小了空調(diào)冷負荷。但是，由于內(nèi)遮陽窗簾對熱量的吸收作用，吸收的太陽輻射二次作用于室內(nèi)熱環(huán)境，同時玻璃對太陽光的“易進難出”特性使得部分熱量積蓄在內(nèi)遮陽窗簾與玻璃之間的空氣間層，這些熱量通過對流、輻射的方式逐漸向室內(nèi)傳遞，并最終成為空調(diào)冷負荷。因此，為了對比內(nèi)遮陽對室內(nèi)空調(diào)負荷的影響，研究人員對2個房間內(nèi)的空調(diào)器的使用能耗進行了測試研究。由于2房間在結(jié)構、位置、使用特點以及空調(diào)設定溫度上均保持一致，因此，空調(diào)能耗可以間接反映房間的空調(diào)負荷的大小。

通過研究表明，在內(nèi)遮陽的作用下，房間的空調(diào)負荷在1d中具有一定的時間分布性，隨著日射得熱的增強，內(nèi)遮陽對空調(diào)負荷的影響逐漸增大，相比未遮陽房間，遮陽房間全天空調(diào)負荷降幅較明顯。由此可得，對于夏季炎熱地區(qū)，日射得熱占主導的外窗，設置內(nèi)遮陽是減少夏季空調(diào)冷負荷行之有效的方法之一。

根據(jù)8月18日～8月25日5d的日平均空調(diào)耗能變化對比(圖6)。設置有內(nèi)遮陽的辦公室A比未設置內(nèi)遮陽的辦公室B的能耗明顯較低，辦公室B比辦公室A平均每天多耗電大約1.72kW·h。并且具有顯著的時間階段性，在上午時段9：30－11：30，由于測試房間朝向的影響，房間受太陽直射的影響不太大，因此該時段2房間的能耗差值較小，約為0.16kW·h；而從中午時段到下午，由于受到太陽直射的影響，使2房間的空調(diào)能耗產(chǎn)生了較大的差值，在11：30－13：30，13：30－15：30這段時間內(nèi)，電耗最大差值為0.53kW·h，在15：30－17：30，差值為0.51kW·h，測試期間的日平均空調(diào)電耗差值為1.72kW·h。由此可見，內(nèi)遮陽對于降低室內(nèi)的空調(diào)負荷具有一定的作用，根據(jù)測試表明，測試期間，辦公室A由于設置有內(nèi)遮陽，5d內(nèi)共節(jié)約了8.61 kW·h電，節(jié)能率達到17.24%。因此，在窗口設置內(nèi)遮陽設施，對削減太陽輻射熱的作用較明顯，尤其對太陽直射輻射的遮擋，有效減小了透過玻璃進入室內(nèi)的太陽輻射總透過率，阻擋了太陽輻射與室內(nèi)空氣和內(nèi)圍護結(jié)構的直接熱作用，減小向室內(nèi)的傳熱量。

2.3 內(nèi)遮陽對建筑室內(nèi)光環(huán)境的作用分析

自然光主要包括2部分，一部分是直接到達地面的光線即直射太陽光，另一部分為經(jīng)大氣、構筑物等擴散的散射光。無論是直射還是散射太陽光，其輻射的主要能量集中在0.2～2μm的波長范圍，其中可見光和近紅外光區(qū)能量占很大比例[23]。室內(nèi)自然采光主要來自可見光的作用，而建筑遮陽系統(tǒng)卻是以減少這2個區(qū)段的太陽輻射能量進入室內(nèi)實現(xiàn)夏季空調(diào)節(jié)能為目的，這與太陽輻射強度是自然采光的最大因素存在著必然的矛盾。因此，對于遮陽系統(tǒng)，有必要綜合分析遮陽與采光的耦合作用，優(yōu)化室內(nèi)光環(huán)境。

圖6 辦公室A和辦公室B的空調(diào)日平均電耗對比

為了全面分析內(nèi)遮陽對室內(nèi)環(huán)境的影響，對受內(nèi)遮陽影響最直接的室內(nèi)自然采光照度進行了測試。測試點如圖2所示，測試時間與溫度測試時間相同，每隔2h測試一次，測試結(jié)果如圖7所示。如果按照辦公室照度為200lx的標準來界定[24]，則在設置了內(nèi)遮陽的辦公室A內(nèi)，各測點的照度變化小，其照度值均滿足不了要求。而辦公室B內(nèi)，在距窗3.4m的范圍內(nèi)，其照度值大于200lx，該范圍利用自然采光可以滿足標準要求，而后隨著進深的加大，自然采光的照度值低于標準要求，需采用人工照明。總體而言，由于內(nèi)遮陽對陽光的遮擋作用，未設置內(nèi)遮陽的辦公室B室內(nèi)照度全天平均值為249.40lx，辦公室A為47.49lx，室內(nèi)的照度平均下降了81%。

圖7 辦公室A和辦公室B室內(nèi)不同測點的平均照度變化

為了更好的說明內(nèi)遮陽所影響的室內(nèi)采光問題，對測試房間的人工照明能耗進行了簡要對比。由于辦公室A需全天采用人工照明，設定在測試期間燈具一直開啟，共4根燈開啟8h。而辦公室B只需遠離外窗的內(nèi)部從9：30～17：30和靠近外窗的部分9：30－10：00需采用人工照明，該辦公室在測試期間共2根燈開啟8.5h。2個辦公室均安裝了4根可分控的T5高效節(jié)能型熒光燈，熒光燈功率為28W。表1為兩辦公室照明計算能耗的對比?？梢钥吹?，辦公室A和B的日照明電耗分別為0.90kW·h和0.48kW·h，測試期間總能耗分別為4.48kW·h和2.38kW·h，辦公室B節(jié)約電耗2.10kW·h，節(jié)能率為46.88%。雖然在辦公室A和B的照明電耗絕對值相比空調(diào)電耗較小，分別僅占到了總電耗的10%和5%左右，但就照明電耗本身而言，合理的自然采光對于降低照明電耗的幅度卻不容小視，其降幅達到46.88%。由此可以推論，對于大面積的空間而言，隨著照明需求量的增加，由于內(nèi)遮陽所造成的人工照明能耗的增加量也將是不可忽略的。而與此同時，由于內(nèi)遮陽遮擋了陽光進入室內(nèi)，室內(nèi)的光環(huán)境舒適性[25]也受到了嚴重影響，這也是在使用內(nèi)遮陽時所應該考慮的問題。

表1 2個辦公室的日照明電耗對比

3 結(jié) 論

上述研究表明，內(nèi)遮陽存在本身特點的局限性，雖然其表面溫度比未遮陽房間玻璃表面溫度有所降低，但仍遠高于其他內(nèi)墻表面，形成了室內(nèi)空調(diào)負荷的熱源。但外窗內(nèi)遮陽設施對太陽輻射的遮擋、吸收、反射作用，對建筑室內(nèi)熱環(huán)境的調(diào)節(jié)仍起到了一定的作用，能降低建筑內(nèi)墻內(nèi)表面的太陽輻射得熱，使得內(nèi)遮陽房間其內(nèi)墻內(nèi)表面的溫度同比沒有內(nèi)遮陽的房間平均低0.6～1℃。

同時，內(nèi)遮陽有效隔熱的同時對室內(nèi)自然采光具有一定消極影響。通過測試表明，內(nèi)遮陽的設置，對室內(nèi)自然采光影響嚴重，同比照度下降了81%，需要全天設置人工照明方能滿足照明標準要求。因此，內(nèi)遮陽窗簾需要根據(jù)室外太陽輻射強弱、方向的不斷變化，施加合理的控制，有效利用自然采光，降低人工照明。

而對比能耗表明，由于內(nèi)遮陽的設置對削減太陽輻射熱的作用較明顯，尤其對太陽直射輻射的遮擋，反映出來的空調(diào)能耗降低了約17.24%。而對于內(nèi)遮陽對室內(nèi)照度的影響所產(chǎn)生的人工照明能耗，由于測試房間的限制，其所降低的絕對值較小，但降幅卻達到了約46.88%，這表明此部分的能耗在照明需求量大的場所是不容忽視的。

上述研究通過對內(nèi)遮陽設置對室內(nèi)熱環(huán)境和光環(huán)境作用影響的實測，發(fā)現(xiàn)了內(nèi)遮陽應用中所體現(xiàn)出來的室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)參數(shù)的變化特征，同時也更明確了內(nèi)遮陽在建筑能效方面所反映出來的雙重性。如何克服這一交叉影響，合理控制使用內(nèi)遮陽，對內(nèi)遮陽的不同設置策略和效果開展深入的研究將是下一步研究的工作重點。

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