王亞斯，梁云，董翠麗，曹毅然

［1.上海市建筑科學研究院（集團）有限公司，上?！?00032；2.上海建科建筑節(jié)能評估事務所，上?！?00032］

一種扇形外遮陽裝置在夏熱冬冷地區(qū)的應用

王亞斯1，2，梁云1，2，董翠麗1，2，曹毅然1，2

［1.上海市建筑科學研究院（集團）有限公司，上海200032；2.上海建科建筑節(jié)能評估事務所，上海200032］

基于常見水平遮陽形式，提出了一種可克服現(xiàn)有技術(shù)和產(chǎn)品弊端的扇形外遮陽裝置，并在建立上海地區(qū)典型建筑理論模擬的基礎上，確定了扇形外遮陽裝置的適宜尺寸，搭建了可模擬帶遮陽裝置和不帶遮陽裝置接收太陽輻射強度的建筑遮陽效果實驗臺。通過實驗測試，對比分析二者建筑外窗受外遮陽裝置的影響差異，并驗證扇形外遮陽裝置的遮陽效果。結(jié)果顯示，實測帶遮陽裝置的建筑外窗可有效遮擋9：00～16：00的太陽光輻射，降低室內(nèi)溫度；窗墻比為0.34時，進深為1.1 m的扇形外遮陽可遮擋37.4%的太陽光輻射，使夏季冷負荷降低10%以上，達到建筑節(jié)能效果。

扇形外遮陽；太陽光輻射；實驗測試；對比分析

0　前言

建筑節(jié)能標準實施之前，建筑的設計和建造不注重外圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱，導致室內(nèi)熱環(huán)境惡劣。但隨著人民生活水平的提高，對室內(nèi)熱環(huán)境的舒適性提出了越來越高的要求。在外圍護結(jié)構(gòu)的節(jié)能研究中，應用適宜的建筑遮陽形式改善室內(nèi)熱環(huán)境，降低空調(diào)能耗，成為一個重要課題。

建筑外遮陽裝置可以在夏季有效遮擋太陽光通過外窗的直射，降低空調(diào)運行負荷。而對于夏熱冬冷地區(qū)，冬夏季遮陽效果相反，特別是固定外遮陽裝置，冬季會遮擋有利陽光而增大熱負荷，因此遮陽裝置尺寸對遮陽效果影響較大。

基于建筑常見的水平遮陽形式，提出一種可克服現(xiàn)有技術(shù)和產(chǎn)品弊端的扇形外遮陽裝置，并建立在上海典型建筑理論模擬的基礎上，確定扇形外遮陽裝置的適宜尺寸。選擇建筑遮陽效果綜合實驗設計方案和搭建實驗臺，通過測試，對比分析帶遮陽裝置和不帶遮陽裝置的建筑外窗受外遮陽裝置的影響差異，驗證扇形外遮陽裝置的遮陽效果。

1　扇形外遮陽裝置

建筑外遮陽形式的選擇，需要綜合考慮多方面的因素，例如安全性、經(jīng)濟性、遮陽效果、建筑朝向，以及遮陽對通風、采光和視野的影響。根據(jù)現(xiàn)有外遮陽的形式和特點［1］，在夏熱冬冷地區(qū)，南向外窗宜采用水平式遮陽裝置。然而，工程上常見的水平式遮陽存在遮陽結(jié)構(gòu)復雜、成本高、維護不便、普通活動外遮陽強度較弱、固定遮陽對冬季不利等弊端。因此，針對外遮陽技術(shù)改進需要解決的問題，以專利的形式提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安裝使用方便、強度較高、易于維護的水平外遮陽。

實用新型專利《一種水平扇形外遮陽裝置》［2］中提出一種扇形活動外遮陽裝置的設計，由半圓形框架、半圓形導軌、支撐桿、頂半環(huán)、傘形遮陽面料、手動調(diào)節(jié)控制機構(gòu)等組成，如圖1所示。

遮陽材料采用高強度復合面料，并設計為扇形，扇形外圓弧邊緣利用高強度柔性繩線增加其強度；設置半圓形導軌，置于其中的多個滑塊連接遮陽面料的外圓弧邊緣；遮陽面料展開時，整體結(jié)構(gòu)呈半圓錐形，圓錐母線與水平面呈10°～30°夾角；錐頂處設置半圓環(huán)并錨固于外墻上，扇形遮陽面料內(nèi)邊連接在半圓環(huán)上，遮陽裝置頂部呈半圓形開口；半圓形導軌錨固于外墻上，將2根支撐桿焊接在導軌上并將另一端錨固于外墻上。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安裝使用方便、強度較高、易于維護等優(yōu)點。

圖1　扇形外遮陽活動裝置示意

2　扇形外遮陽裝置尺寸確定

由于在水平式遮陽裝置尺寸與能耗之間的關系理論模擬研究中，設置的遮陽形式只有矩形遮陽板，因此，需建立在矩形遮陽板與能耗之間關系的模擬研究的基礎上，確定扇形外遮陽裝置的尺寸，進而通過實驗測試驗證其遮陽效果。

通過建筑能耗動態(tài)分析軟件，建立夏熱冬冷地區(qū)典型城市上海地區(qū)的典型建筑水平遮陽分析模型，分析水平遮陽深度與建筑能耗之間的關系［3-7］。根據(jù)模擬結(jié)果可知，對于南向外窗，隨著水平遮陽板深度的增加，夏季制冷能耗逐漸減小，而冬季制熱能耗逐漸增加；且當水平遮陽板深度達到1 m以上時，建筑夏季制冷能耗可以減少10%以上。

根據(jù)上海市工程建設規(guī)范DGJ 08-205—2011《居住建筑節(jié)能設計標準》中外遮陽系數(shù)確定公式，可計算理論模型中水平遮陽板的外遮陽系數(shù)SD，見式（1）：

式中：x——外遮陽特征值，當x＞1時，取x=1；

a，b——擬合系數(shù)；

A，B——外遮陽構(gòu)造定性尺寸。

由式（1）、式（2）可計算得出，理論模型中遮陽板的外遮陽系數(shù)SD=0.74。因此，在保證實驗測試外遮陽系數(shù)與理論模型外遮陽系數(shù)一致的情況下，推導計算實驗裝置（外窗設計尺寸為：寬×高=1700 mm×1500 mm）中扇形外遮陽裝置的尺寸，即半徑為1.1 m。

3　建筑外遮陽改造效果實驗測試

3.1實驗測試裝置的搭建

建筑遮陽效果綜合實驗測試裝置包括2個尺寸完全相同的測試箱體、外窗、外遮陽裝置和室內(nèi)外參數(shù)測試系統(tǒng)。整個實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

圖2　實驗測試裝置

圖3　實驗參數(shù)測試系統(tǒng)

為了盡可能減少箱體圍護結(jié)構(gòu)的傳熱損失、提高測試精度，2個測試箱體均采用80 mm泡沫彩鋼板制作，設計尺寸為：長×寬×高=2700 mm×2000 mm×2600 mm，箱體水平間距為2.7 m以避免箱體之間對照射到箱體上陽光的影響；箱體外窗由理論模型的南向窗墻比確定，設計尺寸為：寬×高=1700mm× 1500mm，玻璃為5mm厚標準白玻璃；外遮陽裝置為避免加工的復雜性，設計為固定式扇形外遮陽，圓錐母線與水平面呈20°夾角，半徑為1.1m；溫度測點熱電偶和太陽輻射儀分別用于測試溫度和太陽輻射強度，并由數(shù)據(jù)采集儀逐時采集和儲存。

3.2實驗測點的布置

圖4　測點布置平面示意

本實驗測點布置總共有54路溫度測點和4路太陽輻射強度測點，詳細測點布置平面如圖4所示：測試箱體內(nèi)中間高度布置2個溫度測點，測試室內(nèi)空氣溫度；箱體各壁面分別布置2個溫度測點，測試各壁面的內(nèi)外表面溫度；玻璃內(nèi)外表面分別布置2個溫度測點，測試玻璃內(nèi)外表面的溫度；太陽輻射測點布置在箱體外窗中間位置，測試箱體垂直面上接收的太陽輻射強度。

考慮太陽高度角在一天中是變化的，遮陽裝置對接收的太陽輻射強度有一定的影響，還需在帶遮陽裝置的2號測試箱體的外窗兩側(cè)墻體布置2個太陽輻射測點，以便更精確地測試不同太陽高度角時箱體垂直面上接收的太陽輻射強度。3.3實驗測試方案

（1）測試箱體相對誤差測試方案

本實驗的2個測試箱體設計幾何尺寸、材料完全一樣?？紤]測試箱體的制作、安裝等因素的影響，二者在相同的室外環(huán)境條件下存在一定的相對誤差。因此，在實驗測試前，必須對2個測試箱體進行自然工況下的標定，考察自然狀態(tài)下測試箱體內(nèi)空氣溫度變化情況是否一致。

（2）遮陽效果綜合測試方案

測試時間安排在8月份，選擇室外溫度較高和晴好天氣，待調(diào)試好儀器設備后，設置測試時間間隔為15 min，由計算機自動采集全天逐時的實驗測試數(shù)據(jù)，主要包括室內(nèi)空氣溫度、箱體各壁面溫度、玻璃表面溫度、箱體接收的太陽輻射強度等。遮陽類型為水平式半圓形外遮陽，設置箱體1（無遮陽）、箱體2（有遮陽）。

4　建筑遮陽效果綜合實驗測試結(jié)果分析

4.1實驗裝置相對誤差測試結(jié)果分析

實驗裝置相對誤差的測試中，對2個測試箱體進行自然狀態(tài)下室內(nèi)逐時溫度的測試與采集，圖5為選取的某測試時刻箱體室內(nèi)的溫度。

圖5　測試箱體室內(nèi)溫度對比

由圖5可知，在測試期間，2個測試箱體內(nèi)部溫度的波動變化情況幾乎一致，二者各個時刻溫度相差均在1℃范圍內(nèi)，相對誤差均在5%以內(nèi)。由此說明，2個測試箱體的熱容量是一致的，即在同一環(huán)境條件下，2個測試箱體具有很好的可比性。

4.2建筑外遮陽試件實驗測試對比分析

選取8月30日當天的測試數(shù)據(jù)進行建筑外遮陽試件實驗測試對比分析。

（1）箱體內(nèi)部溫度測試結(jié)果對比分析

考慮到測試箱體的各溫度值均為逐時變化值，在一天中的12：25時刻各溫度測試值為最大。選取該最大值作為2個測試箱體的測試結(jié)果進行對比分析，如表1所示。

表1　2個箱體的溫度測試結(jié)果

從表1可看出，由于外遮陽裝置的作用，箱體2的各壁面和玻璃內(nèi)表面溫度明顯低于箱體1，兩者差值均在7℃范圍內(nèi)。（2）測試箱體室內(nèi)空氣溫度和玻璃外表面溫度對比分析測試箱體室內(nèi)空氣溫度和玻璃外表面溫度的實驗測試結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6　測試箱體室內(nèi)空氣溫度比較分析

圖7　測試箱體玻璃外表面溫度比較分析

由圖6和圖7可以看出，測試箱體室內(nèi)空氣溫度和玻璃外表面溫度均呈逐時變化趨勢。扇形外遮陽裝置可以顯著降低9：00～16：00期間箱體室內(nèi)溫度和玻璃外表面溫度。同時在8：00以前和16：00以后2個箱體室內(nèi)溫度和玻璃外表面溫度幾乎相等，說明在上海地區(qū)扇形外遮陽裝置并不能遮擋這2個時間段的太陽直射輻射。

圖8　2個箱體室內(nèi)空氣和玻璃外表面溫差

由圖8可以更直觀地看出，2個箱體的室內(nèi)空氣和玻璃外表面溫差（無遮陽-有遮陽）是波動的，且室內(nèi)空氣溫差最大值為6.72℃，出現(xiàn)在一天中的12：25時刻；玻璃外表面溫差最大值為 5.49℃，出現(xiàn)在一天中的 11：55左右。

（3）接收的太陽輻射強度對比分析

2個箱體接收的太陽輻射強度測試結(jié)果如圖9所示。

圖9　2個箱體接收的太陽輻射強度

由圖9可以看出，由于受到扇形外遮陽裝置的影響，箱體2接收的太陽輻射強度明顯低于箱體1。在當天測試期間，箱體1全天累計可接收的太陽輻射為6.48 MJ，箱體2全天累計可接收的太陽輻射為4.06 MJ，由此可知半徑為1.1 m的南向扇形外遮陽裝置可遮擋37.4%的太陽輻射。

考慮透過外窗進入室內(nèi)的太陽輻射得熱在室內(nèi)冷負荷中占著較大的比例，以上海地區(qū)典型多層節(jié)能住宅為例［8］，采用GB 50176—1993《民用建筑熱工設計規(guī)范》中建筑能耗靜態(tài)計算方法，計算分析窗戶在整個采暖空調(diào)能耗中所占的比例。其中在夏季，外窗在整個建筑能耗中所占的比例主要體現(xiàn)在太陽輻射得熱，結(jié)果如圖10所示。

圖10　夏季建筑能耗構(gòu)成

由圖10可知，按照上海地區(qū)典型建筑中通過窗戶的太陽輻射得熱量占總供冷量的50%，本實驗中的扇形外遮陽裝置可使夏季冷負荷降低10%以上，達到節(jié)能的效果。

5　結(jié)　論

（1）帶水平扇形遮陽裝置的建筑外窗可顯著降低室內(nèi)溫度，在夏熱冬冷地區(qū)典型城市上海主要遮擋9：00～16：00時間段的太陽輻射。

（2）窗墻比為0.34時，安裝半徑為1.1 m的扇形外遮陽裝置，可遮擋37.4%的太陽輻射，使夏季冷負荷降低10%以上，達到節(jié)能的效果。

［1］顧端青，沈源韶.建筑遮陽的形式及性能特點［J］.建設科技，2013 （15）：41-43.

［2］曹毅然，肖先波，梁云，等.一種水平扇形外遮陽裝置，中國：ZL20130071862.9［P］.2014-05-14.

［3］清華大學DeST開發(fā)組.建筑環(huán)境系統(tǒng)模擬分析方法：DeST［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［4］張野，謝曉娜，羅濤，等.建筑環(huán)境設計模擬分析軟件DeST第4 講 建筑熱過程中的太陽輻射相關模型［J］.暖通空調(diào)，2004，34 （10）：55-64.

［5］簡毅文，上蘇穎，江億.水平和垂直遮陽方式對北京地區(qū)西窗和南窗遮陽效果的分析［J］.西安建筑大學學報，2001，33（9）：212-217.

［6］張歡，楊斌，楊向勁.住宅建筑南向墻遮陽板尺寸設計及節(jié)能潛力分析［J］.天津大學學報，2004，37（7）：610-613.

［7］曹國慶，涂光備，楊斌.水平遮陽方式在住宅建筑南窗遮陽應用上的探討［J］.太陽能學報，2006，27（1）：96-99.

［8］卜震，陸善后，范宏武.窗戶遮陽技術(shù)在節(jié)能住宅中的應用研究［J］.上海建設科技，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

國家“十二五”科技支撐計劃項目（2012BAJ06B02）

2015-04-17

王亞斯，女，1990年生，江西鷹潭人，助理工程師。