西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安建筑科技大學(xué) 劉 衍 趙 歡 張向榮 張 辰 楊 柳

0 引言

隨著人們對(duì)全球環(huán)境問題的關(guān)注和建筑節(jié)能工作的普及，建筑師對(duì)建筑能耗問題不再陌生[1]。從全社會(huì)的能耗情況來看，建筑能耗約占社會(huì)總能耗的40.6%[2]。因此，在營(yíng)造舒適室內(nèi)熱環(huán)境的同時(shí)，充分降低建筑能耗成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。大量的研究與工程實(shí)踐表明，通過合理的建筑熱工設(shè)計(jì)，充分提升建筑物及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的重要途徑[3]。在建筑物及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，窗戶是熱工性能最為薄弱的構(gòu)件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在供暖或空調(diào)條件下，冬季由于外窗熱工性能差而損失的熱量約占供暖負(fù)荷的30%～50%，為消除透過外窗進(jìn)入室內(nèi)的夏季太陽輻射熱所需的冷量約占空調(diào)負(fù)荷的20%～30%，而透過玻璃窗的室內(nèi)太陽輻射得熱量占建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)所形成冷負(fù)荷的一半以上[4-5]。由此可見，在建筑節(jié)能中應(yīng)充分關(guān)注窗戶的節(jié)能措施，其節(jié)能技術(shù)關(guān)鍵在于合理應(yīng)用遮陽裝置，有效控制太陽輻射得熱[6]。

外窗通過遮陽裝置來控制太陽輻射得熱的效果可用太陽得熱系數(shù)SHGC(solar heat gain coefficient)來量化。太陽得熱系數(shù)的定義為“通過透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)(門窗或透光幕墻)的太陽輻射室內(nèi)得熱量與投射到透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)(門窗或透光幕墻)外表面上的太陽輻射量的比值”[7]。如圖1所示，進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射得熱量分為太陽輻射室內(nèi)直接得熱量和太陽輻射室內(nèi)二次傳熱量。為了使各種外窗和遮陽產(chǎn)品之間的性能可進(jìn)行對(duì)比，JGJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》中給出了門窗或透光幕墻的太陽光總透射比計(jì)算方法和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算條件[8]。

圖1 通過外窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射得熱

在外窗遮陽系統(tǒng)的太陽輻射得熱研究方面：楊仕超指出，一般外遮陽比內(nèi)遮陽的效果好很多，因?yàn)閮?nèi)遮陽裝置吸收的太陽輻射熱仍然留在室內(nèi)[9]。丁勇等人建立太陽輻射模型，計(jì)算分析了不同玻璃在不同朝向下的室內(nèi)太陽輻射得熱量[10]。金星等人利用實(shí)驗(yàn)與模擬方法，研究了SHGC與太陽入射角的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同朝向玻璃窗的SHGC隨著太陽入射角變化呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，而當(dāng)玻璃窗表面沒有太陽直射輻射時(shí)，SHGC基本保持不變[11]。Manz通過實(shí)驗(yàn)研究了采用中置遮陽的雙層通風(fēng)玻璃幕墻在夏季自然對(duì)流條件下，安裝順序和通風(fēng)策略對(duì)SHGC的影響[12]。Adeeba等人研究了加利福尼亞外窗遮陽系統(tǒng)在6個(gè)朝向的SHGC大小，并分析了遮陽裝置對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響[13]。Karlsson等人給出了玻璃系統(tǒng)SHGC計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投囗?xiàng)表達(dá)式[14]。上述研究多通過實(shí)驗(yàn)或模擬的方法分析外窗遮陽系統(tǒng)太陽輻射得熱和其SHGC變化情況，SHGC研究主要集中于遮陽形式、朝向、太陽位置對(duì)其數(shù)值大小的影響，且時(shí)間尺度為1天，對(duì)于更長(zhǎng)時(shí)間尺度上的SHGC值變化情況則缺乏研究。

在外窗遮陽系統(tǒng)的負(fù)荷研究方面：McQuiston等人提出了日射冷負(fù)荷系數(shù)，對(duì)透過玻璃窗的日射冷負(fù)荷計(jì)算精度進(jìn)行了改進(jìn)[15]。孫德宇等人根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，對(duì)太陽輻射在室內(nèi)分配的比例進(jìn)行了統(tǒng)一，解決了國(guó)內(nèi)常用的負(fù)荷計(jì)算軟件中外窗冷負(fù)荷差異較大的問題，同時(shí)大大提高了負(fù)荷計(jì)算軟件的計(jì)算精度[16]。楊爽等人建立了玻璃窗的室內(nèi)蓄熱平板模型，為解決太陽輻射透過玻璃窗形成的冷負(fù)荷計(jì)算提供了一個(gè)新思路[17]。趙士懷等人分析了節(jié)能窗對(duì)室內(nèi)得熱和空調(diào)冷負(fù)荷的影響[18]。上述研究主要集中于無遮陽外窗形成的冷負(fù)荷計(jì)算，對(duì)于采用不同遮陽形式外窗系統(tǒng)的日射得熱冷負(fù)荷研究很少，同時(shí)由于太陽輻射和陰影的逐時(shí)變化，導(dǎo)致逐時(shí)計(jì)算通過外窗遮陽系統(tǒng)進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射得熱量難度加大，進(jìn)而使外窗遮陽系統(tǒng)的輻射負(fù)荷模擬實(shí)際情況的難度加大。

綜上，目前外窗遮陽產(chǎn)品的太陽得熱系數(shù)是在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算條件下得到的，是一個(gè)固定值，不能直接用于節(jié)能工程計(jì)算，相較于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算條件得到的太陽得熱系數(shù)，更長(zhǎng)時(shí)間尺度的太陽得熱系數(shù)，如1個(gè)月或者冬季(夏季)，更能宏觀地反映外窗遮陽產(chǎn)品的熱工性能。同時(shí)，隨著各種外窗遮陽系統(tǒng)的出現(xiàn)，如何評(píng)價(jià)其對(duì)房間空調(diào)負(fù)荷的影響；如何選擇合理的遮陽形式，平衡內(nèi)外遮陽的作用，以最優(yōu)方式解決隔熱問題都有進(jìn)一步的研究空間[19]?；谏鲜鰡栴}，本文以夏熱冬冷地區(qū)的南京市為例，對(duì)外窗(雙玻中空玻璃)遮陽系統(tǒng)的太陽得熱系數(shù)在全年逐月的變化規(guī)律、4種外窗遮陽系統(tǒng)在不同朝向方位角上的年太陽得熱系數(shù)，以及不同外窗遮陽系統(tǒng)形成的房間負(fù)荷等進(jìn)行了研究。本研究對(duì)評(píng)價(jià)外窗(雙玻中空玻璃)遮陽系統(tǒng)的熱工性能，選擇以建筑節(jié)能為目的的外窗遮陽形式有一定參考意義。

1 外窗遮陽系統(tǒng)形成的負(fù)荷計(jì)算

對(duì)于空調(diào)房間，房間得熱量由通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入房間的熱量及房間內(nèi)部散發(fā)的各種熱量組成，其中通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入房間的熱量很大一部分是從窗戶得到的。通過窗戶的得熱量分為窗戶傳導(dǎo)得熱量和太陽輻射得熱量，影響兩者的主要參數(shù)為窗戶的傳熱系數(shù)K和太陽得熱系數(shù)SHGC，將通過窗戶的得熱分解為對(duì)流得熱和輻射得熱，再對(duì)對(duì)流得熱和輻射得熱引起的冷負(fù)荷分別求和，便求得窗戶形成的冷負(fù)荷。如果室內(nèi)負(fù)荷為熱負(fù)荷，則熱流的方向相反，但原理相同。

外窗遮陽系統(tǒng)形成的冷負(fù)荷計(jì)算流程如圖2所示。從圖2可以看出，計(jì)算透過外窗的太陽輻射及其形成的冷負(fù)荷是一個(gè)比較復(fù)雜的過程。首先，窗口的太陽輻射強(qiáng)度隨地點(diǎn)、朝向、時(shí)間的改變而改變；其次，不同外窗系統(tǒng)對(duì)太陽輻射的阻擋能力不同，造成通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽直射、散射輻射量不同；最后，要將太陽輻射得熱分解成對(duì)流和輻射部分分別計(jì)算，才能最終得到冷負(fù)荷。其中各個(gè)時(shí)刻通過窗戶的太陽輻射得熱計(jì)算式[20]如下：

Q(k)=AwdIAC[SHGC(θ(k))ED(k)+

SHGCDEdt(k)]

(1)

式中Q(k)為各個(gè)時(shí)刻通過外窗遮陽系統(tǒng)進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射得熱量，W；k為計(jì)算時(shí)刻；Awd為窗戶面積，m2；IAC為內(nèi)遮陽衰減系數(shù)；SHGC(θ(k))為入射角為θ(k)時(shí)的太陽直接得熱系數(shù)；ED(k)為k時(shí)刻的太陽直射輻射，W/m2；SHGCD為太陽散射得熱系數(shù)，其值近似等于垂直入射的SHGC(0)；Edt(k)為k時(shí)刻的散射輻射，W/m2。

圖2 外窗遮陽系統(tǒng)形成的冷負(fù)荷計(jì)算流程

外窗遮陽系統(tǒng)的太陽得熱系數(shù)的計(jì)算時(shí)段可以是1天、1個(gè)月或者1年，計(jì)算時(shí)段內(nèi)的太陽得熱系數(shù)，反映了在某一時(shí)間段內(nèi)外窗遮陽系統(tǒng)對(duì)太陽直射輻射和散射輻射的綜合遮擋效果，其計(jì)算式如下：

(2)

式中SHGCs為外窗遮陽系統(tǒng)在計(jì)算時(shí)段內(nèi)的太陽得熱系數(shù)；n為總小時(shí)數(shù)；IG(k)為k時(shí)刻投射到窗口的太陽輻照度，W/m2。

2 研究方法

以一間典型的辦公建筑房間為原型，使用Parasol軟件建立外窗遮陽系統(tǒng)模型，研究外窗遮陽系統(tǒng)太陽得熱系數(shù)的全年變化規(guī)律及其對(duì)房間負(fù)荷的影響。Parasol軟件的計(jì)算內(nèi)核為DEROH-LTH程序，該程序由美國(guó)德克薩斯大學(xué)建筑學(xué)院編寫，瑞典隆德大學(xué)建筑科學(xué)系在其基礎(chǔ)上進(jìn)行修改和完善，并開發(fā)出該軟件，該軟件可以對(duì)不同外窗遮陽系統(tǒng)的太陽輻射得熱和空調(diào)能耗進(jìn)行模擬計(jì)算，其計(jì)算可靠性在文獻(xiàn)[21]中得到了驗(yàn)證。研究模擬計(jì)算了無遮陽外窗(雙玻中空玻璃)在全年逐月的月太陽得熱系數(shù)與月平均太陽高度角、4種外窗遮陽系統(tǒng)在0°～330°朝向方位角的年太陽得熱系數(shù)，最后分析了4種外窗遮陽系統(tǒng)形成的房間負(fù)荷。

2.1 模型建立

建筑房間的尺寸為5.0 m×4.0 m×3.0 m(長(zhǎng)×寬×高)，外窗尺寸為2.4 m(長(zhǎng))×2.0 m(寬)，窗墻面積比為0.4，外窗玻璃為4 mm透明+12 mm空氣+4 mm透明的雙玻中空玻璃，窗戶所在墻為房間的外墻，其余三面墻為房間內(nèi)墻，內(nèi)墻與室外無傳熱，外墻傳熱系數(shù)為0.15 W/(m2·K)，地面反射比設(shè)定為20%。外窗的傳熱系數(shù)為2.88 W/(m2·K)，外窗的太陽得熱系數(shù)SHGC為0.768。外窗的傳熱系數(shù)采用冬季邊界條件計(jì)算，太陽得熱系數(shù)采用夏季邊界條件計(jì)算[22]，計(jì)算邊界條件具體如表1所示，房間模型示意圖見圖3。

表1 外窗熱工性能計(jì)算的環(huán)境邊界條件

圖3 房間模型示意圖

2.2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

本研究中，夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26 ℃、相對(duì)濕度60%，冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度18 ℃、相對(duì)濕度40%，新風(fēng)量根據(jù)“規(guī)定設(shè)定法”[23]計(jì)算為27 L/s，空調(diào)送風(fēng)溫度為17 ℃，房間內(nèi)熱源存在時(shí)間為工作日的07：00—17：00，內(nèi)熱源參數(shù)設(shè)定見表2。室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)和內(nèi)熱源設(shè)定參數(shù)均符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

表2 內(nèi)熱源設(shè)定參數(shù)

2.3 室外氣象數(shù)據(jù)

典型年氣象數(shù)據(jù)源于“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“建筑節(jié)能設(shè)計(jì)基礎(chǔ)參數(shù)研究”項(xiàng)目關(guān)于建筑能耗模擬氣象年的研究成果。Parasol軟件模擬計(jì)算所需的數(shù)據(jù)包括室外干球溫度、天空有效溫度、太陽法向直射輻射強(qiáng)度、水平面散射輻射強(qiáng)度，將該典型年數(shù)據(jù)中計(jì)算所需的幾個(gè)參數(shù)提取出來，導(dǎo)入軟件進(jìn)行模擬，由于典型年數(shù)據(jù)中缺乏天空有效溫度，天空有效溫度根據(jù)文獻(xiàn)[24]計(jì)算，本文不再贅述。在本研究中，選取我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)的南京市進(jìn)行模擬，模擬時(shí)間為1月1日至12月31日。

2.4 遮陽系統(tǒng)類型

在本次研究中遮陽布置方式分別為外置遮陽、中置遮陽及內(nèi)置遮陽。外置遮陽產(chǎn)品為水平百葉遮陽窗簾，中置遮陽產(chǎn)品為卷簾，內(nèi)置遮陽產(chǎn)品為水平百葉遮陽窗簾。模擬計(jì)算外窗在3種遮陽方式下全年的太陽得熱系數(shù)和空調(diào)能耗變化規(guī)律，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析比較。表3為3種遮陽類型、示意圖及其性能參數(shù)。對(duì)于中置卷簾和內(nèi)置水平百葉遮陽，程序使用遮陽裝置室內(nèi)側(cè)和室外側(cè)對(duì)太陽短波、長(zhǎng)波輻射的阻擋能力，來描述其遮陽性能。

表3 遮陽類型、示意圖及其性能參數(shù)

3 研究結(jié)果及分析

3.1 太陽得熱系數(shù)分析

對(duì)各朝向外窗遮陽系統(tǒng)的太陽得熱系數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬中僅所要研究的朝向有窗，其他朝向均無窗。外窗遮陽系統(tǒng)的太陽得熱系數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果如圖4、5所示。圖4為無遮陽雙玻中空外窗的全年逐月太陽得熱系數(shù)與月平均太陽高度角關(guān)系圖?？梢钥闯?，對(duì)于東向、西向和南向外窗而言，在月太陽得熱系數(shù)曲線的變化趨勢(shì)上，東、西向外窗的月太陽得熱系數(shù)曲線總體略微呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，且2個(gè)朝向外窗的月太陽得熱系數(shù)基本相等，南向外窗的月太陽得熱系數(shù)曲線受月太陽高度角的影響最為顯著，其總體明顯呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。南向外窗的月太陽得熱系數(shù)最大值、最小值分別出現(xiàn)在12月和5月。對(duì)于南京地區(qū)的北向外窗，僅在夏季上午日出后一段時(shí)間和下午近傍晚時(shí)間受到太陽直射輻射，冬季不會(huì)受到太陽直射照射，即北窗全年大部分時(shí)間接收太陽散射輻射，其月太陽得熱系數(shù)全年整體較為穩(wěn)定。在全年逐月太陽得熱系數(shù)的變化幅度上，南向外窗的月太陽得熱系數(shù)曲線全年波動(dòng)最大，其月太陽得熱系數(shù)最大值和最小值相差達(dá)到0.10，而且其夏季(6、7、8、9月)平均太陽得熱系數(shù)比冬季(1、2、11、12月)降低約13%。在4個(gè)朝向月太陽得熱系數(shù)與月平均太陽高度角的關(guān)系上，南向外窗的月太陽得熱系數(shù)與月平均太陽高度角的關(guān)系最為密切，其數(shù)值隨月平均太陽高度角增大而明顯減小。

圖4 無遮陽雙玻中空窗的月太陽得熱系數(shù)及月平均太陽高度角

圖5 不同遮陽方式外窗遮陽系統(tǒng)的年太陽得熱系數(shù)

對(duì)南京地區(qū)無遮陽雙玻中空外窗的月太陽得熱系數(shù)分析可知，外窗的月太陽得熱系數(shù)不僅存在不同朝向時(shí)的差異，而且表現(xiàn)出明顯的時(shí)間分布特征。夏季太陽輻射量大，通過外窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射熱量也較大，而東、西向外窗的太陽得熱系數(shù)在夏季略微升高，南向外窗的太陽得熱系數(shù)在夏季明顯降低，表明東、西向外窗夏季阻擋太陽輻射的能力要弱于南向外窗。南向外窗的太陽得熱系數(shù)在夏季達(dá)到低谷值，冬季達(dá)到峰值，主要原因是由于太陽位置的季節(jié)變化，其平均太陽高度角夏季比冬季高，從而導(dǎo)致外窗的平均太陽直射入射角在夏季大于冬季，太陽得熱系數(shù)呈現(xiàn)隨太陽入射角的增大而減小的一般規(guī)律[13]，所以模擬計(jì)算出的南向外窗夏季太陽得熱系數(shù)小于冬季太陽得熱系數(shù)。從月太陽得熱系數(shù)的角度考慮，東、西向外窗的隔熱節(jié)能潛力最大，其次是南向，北向由于全年受到太陽直射輻射的時(shí)間較短，接收的太陽輻射量也最少，因此隔熱節(jié)能潛力最小。由此可見，對(duì)于建筑節(jié)能而言，要分別計(jì)算夏季空調(diào)期和冬季供暖期外窗的太陽得熱系數(shù)，然后再進(jìn)行全年的能耗計(jì)算，如果全年采用一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)值來進(jìn)行建筑能耗計(jì)算必然會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

圖5比較了采用外置水平百葉遮陽窗簾(百葉傾斜角=0°)、中置卷簾遮陽、內(nèi)置水平百葉遮陽窗簾的3種外窗系統(tǒng)在不同朝向的年太陽得熱系數(shù)，外窗朝向方位角從0°～330°，每隔30°模擬計(jì)算一次?？梢钥闯?，采用不同遮陽方式的外窗系統(tǒng)在阻擋太陽輻射能力方面，中置卷簾遮陽外窗>外置水平百葉遮陽外窗>內(nèi)置水平百葉遮陽外窗>無遮陽外窗。采用中置卷簾遮陽的外窗系統(tǒng)，不同朝向上的年太陽得熱系數(shù)基本趨于穩(wěn)定；采用外置百葉遮陽窗簾和內(nèi)置百葉遮陽窗簾的外窗系統(tǒng)，不同朝向上的年太陽得熱系數(shù)波動(dòng)較大。

以上分析了4個(gè)朝向無遮陽雙玻中空外窗的月太陽得熱系數(shù)在全年的變化規(guī)律及其與月平均太陽高度角的關(guān)系，比較了不同遮陽方式的外窗遮陽系統(tǒng)的年太陽得熱系數(shù)。可以看出南向雙玻中空外窗的月太陽得熱系數(shù)曲線全年波動(dòng)幅度最大，且太陽得熱系數(shù)在夏季(6、7、8、9月)比冬季(1、2、11、12月)降低了約13%，而東、西向雙玻中空外窗的太陽得熱系數(shù)全年較為穩(wěn)定，太陽得熱系數(shù)在夏季略大于冬季；3種外窗遮陽系統(tǒng)中，中置卷簾遮陽外窗的年太陽得熱系數(shù)最小。

3.2 負(fù)荷分析

由于不同外窗遮陽系統(tǒng)對(duì)太陽輻射得熱的阻擋程度不同，進(jìn)而會(huì)影響“設(shè)計(jì)日”負(fù)荷曲線峰值的衰減，這對(duì)于削弱空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷有重要意義。圖6以南向外窗為例，比較了不同外窗遮陽系統(tǒng)模型房間的夏季“設(shè)計(jì)日”冷負(fù)荷，需要指出的是本文中的“設(shè)計(jì)日”與一般而言的空調(diào)設(shè)計(jì)日不同，該軟件選取模擬期間冷熱負(fù)荷的最大值所在日作為“設(shè)計(jì)日”[22]，來比較不同外窗遮陽系統(tǒng)的熱工性能。可以看出夏季“設(shè)計(jì)日”峰值冷負(fù)荷均出現(xiàn)在15：00，其中無遮陽外窗的模型房間峰值冷負(fù)荷為2 028 W，中置卷簾遮陽外窗的模型房間峰值冷負(fù)荷最小，為1 165 W；內(nèi)置水平百葉遮陽外窗、外置水平百葉遮陽外窗、中置卷簾遮陽外窗，與無遮陽外窗相比，夏季“設(shè)計(jì)日”峰值冷負(fù)荷分別降低了4.8%、20.7%、42.4%，累計(jì)冷負(fù)荷分別降低了5.9%、17.9%、38.0%?？梢钥闯?，中置卷簾遮陽外窗對(duì)峰值冷負(fù)荷的降低能力遠(yuǎn)大于外置百葉遮陽外窗和內(nèi)置百葉遮陽外窗，因此采用不同遮陽方式的外窗對(duì)房間夏季“設(shè)計(jì)日”峰值冷負(fù)荷和累計(jì)冷負(fù)荷影響很大，而進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)峰值冷負(fù)荷來確定房間空調(diào)制冷量，峰值冷負(fù)荷越大，空調(diào)設(shè)備制冷量就相應(yīng)越大，能耗也就越大，從這一角度考慮，選擇合適的外窗遮陽系統(tǒng)，然后正確計(jì)算空調(diào)負(fù)荷，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量的合理選取和最終降低建筑能耗都有重要意義。

圖6 不同外窗遮陽系統(tǒng)模型房間“設(shè)計(jì)日”冷負(fù)荷(南向)

采用不同外窗遮陽系統(tǒng)的模型房間在南向的全年各月累計(jì)負(fù)荷與月太陽得熱系數(shù)的關(guān)系如圖7所示。圖7中橫軸上A為外窗無遮陽，B為外窗內(nèi)置水平百葉遮陽，C為外窗中置卷簾遮陽，D為外窗外置水平百葉遮陽?？梢钥闯觯谠吕塾?jì)熱負(fù)荷占比較大的1、2、3和12月，月累計(jì)熱負(fù)荷隨著月太陽得熱系數(shù)的減小而增大，在月累計(jì)冷負(fù)荷占比較大的月份，月累計(jì)冷負(fù)荷隨著月太陽得熱系數(shù)的減小而減小。

圖7 不同外窗遮陽系統(tǒng)各月累計(jì)負(fù)荷與月太陽得熱系數(shù)(南向)

為進(jìn)一步比較不同外窗遮陽系統(tǒng)對(duì)模型房間空調(diào)負(fù)荷的影響，圖8對(duì)采用不同外窗遮陽系統(tǒng)的模型房間在4個(gè)朝向的全年累計(jì)負(fù)荷及累計(jì)負(fù)荷降低率進(jìn)行了比較。從圖8a可以看出，4個(gè)朝向的全年累計(jì)負(fù)荷均是外窗無遮陽最高，其次是外窗內(nèi)置水平百葉遮陽、外窗外置水平百葉遮陽，最小的是外窗中置卷簾遮陽。同時(shí)，外窗遮陽系統(tǒng)的年太陽得熱系數(shù)與全年累計(jì)負(fù)荷呈現(xiàn)正相關(guān)。在外窗朝向?qū)θ昀塾?jì)負(fù)荷的影響方面，西向窗戶全年累計(jì)負(fù)荷最高，主要原因是西向窗戶受太陽的長(zhǎng)時(shí)間低入射角照射，窗戶的太陽得熱系數(shù)很大，同時(shí)室外氣溫較高，“西曬”現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致累計(jì)冷負(fù)荷很大，所以西向外窗隔熱節(jié)能潛力最大；類似地，東向窗戶也受到低角度太陽的照射，但由于太陽輻射較弱、室內(nèi)外溫度不算太高，溫差熱流小，所以“東曬”房間熱環(huán)境比“西曬”稍好；南向窗戶受太陽照射的時(shí)間最長(zhǎng)，但受到低角度太陽照射的時(shí)間比西向和東向短，其全年累計(jì)負(fù)荷小于西向開窗、大于東向開窗；北向窗戶僅在部分時(shí)段能夠收到太陽直接照射，更多的是天空散射和環(huán)境反射輻射得熱，其全年累計(jì)負(fù)荷最低。

圖8 4個(gè)朝向不同外窗遮陽系統(tǒng)房間的全年累計(jì)負(fù)荷及負(fù)荷降低率

圖8b給出了房間外窗采用不同遮陽形式的全年累計(jì)負(fù)荷降低率。這里的累計(jì)負(fù)荷降低率是指外窗采用遮陽設(shè)施前后，全年累計(jì)負(fù)荷降低的百分比?？梢钥闯觯耗舷蚝臀飨蛲獯安捎谜陉柡?，全年累計(jì)負(fù)荷降低率高于東向、北向；而采用本文中置卷簾遮陽產(chǎn)品的南向外窗，由于太陽得熱系數(shù)最小，即模擬中使用的中置卷簾裝置遮陽性能優(yōu)于外置水平百葉的遮陽性能，綜合來看其全年累計(jì)負(fù)荷降低率最大，達(dá)到36.7%。雖然通常西向外窗的隔熱節(jié)能潛力最大，但是在全年累計(jì)負(fù)荷降低率上，南向外窗采用遮陽后要優(yōu)于相同遮陽形式的西向外窗。

4 結(jié)論

1) 外窗的月太陽得熱系數(shù)存在不同朝向的差異和明顯的時(shí)間分布特征。4個(gè)朝向中，南向雙玻中空外窗全年逐月太陽得熱系數(shù)變化最為顯著，其全年逐月的月太陽得熱系數(shù)最大相差達(dá)到0.10，且夏季太陽得熱系數(shù)比冬季太陽得熱系數(shù)降低13%。

2) 太陽得熱系數(shù)是動(dòng)態(tài)變化的。隨太陽位置的變化，不同朝向的太陽得熱系數(shù)變化趨勢(shì)不同，在建筑外窗節(jié)能設(shè)計(jì)中，應(yīng)從朝向和太陽高度角的季節(jié)變化考慮太陽得熱系數(shù)的計(jì)算，同時(shí)從更宏觀的角度來分析外窗遮陽產(chǎn)品的太陽得熱系數(shù)，不能簡(jiǎn)單地將太陽得熱系數(shù)當(dāng)作一個(gè)固定值。

3) 對(duì)外窗分別采用外置水平百葉遮陽、中置卷簾遮陽、內(nèi)置水平百葉遮陽的房間進(jìn)行空調(diào)負(fù)荷模擬，可以得出，由于采用中置卷簾遮陽的外窗系統(tǒng)SHGC更小，與無遮陽外窗相比，房間夏季“設(shè)計(jì)日”峰值冷負(fù)荷、累計(jì)冷負(fù)荷分別降低了42.4%和38.0%；外窗遮陽系統(tǒng)的年太陽得熱系數(shù)與全年累計(jì)負(fù)荷存在正相關(guān)關(guān)系，即外窗遮陽系統(tǒng)的年太陽得熱系數(shù)越大，房間的全年累計(jì)負(fù)荷也越大；采用中置卷簾和內(nèi)置百葉遮陽的南向外窗，其全年累計(jì)負(fù)荷降低率大于采用相同遮陽形式的西向外窗。