百葉外遮陽對辦公建筑光熱環(huán)境及綜合能耗影響研究

梁樹維，劉國丹，紀銥行，滕 潤，王志欣，李傳銳(青島理工大學 環(huán)境與市政工程學院，青島 266033)

目前，辦公建筑多采用玻璃幕墻，較大的窗墻比可以保證室內的良好采光，但更多的太陽光透過玻璃射入室內，影響室內的光熱環(huán)境及耗能水平.在建筑設計中，合理有效利用太陽輻射，不僅可以營造健康舒適的室內環(huán)境，還能夠減少對耗能設備的依賴，有效降低建筑能耗[1].冬季，太陽輻射是得熱量的一部分，可以抵消部分建筑耗熱量；夏季，太陽輻射則會增大冷負荷.此外，合理利用太陽光能，也可以降低照明能耗，但需考慮眩光引起的不適感[2].通常人們會采用遮陽措施滿足不同光照需求[3-4].

建筑遮陽方式依據遮陽構件形式不同可以分為5種：水平式、垂直式、綜合式、擋板式以及百葉式.其中，百葉式遮陽結構簡單，可調節(jié)葉片轉角，滿足不同遮陽需要，在辦公建筑中應用較為廣泛.劉國丹等[5]通過Ecotect軟件對不同遮陽形式進行了采光系數與照度水平的模擬，指出百葉遮陽形式對室內采光更為有利.帥慶源等[6]利用DEST軟件分析了百葉窗遮陽在我國不同地區(qū)對全年采暖及制冷能耗的影響.ERELL等[7]研究了不同的遮陽控制策略下辦公室的采光性能，發(fā)現在各種遮陽措施中，使用水平百葉遮陽并且按照一定的規(guī)律來調節(jié)百葉角度可以使室內光環(huán)境達到較好的視覺舒適度.管玲俐等[8-9]采用EnergyPlus軟件模擬了南向和西向不同百葉開啟度下各季節(jié)建筑能耗及眩光值，得出了夏熱冬冷地區(qū)不同季節(jié)百葉外遮陽的最優(yōu)開啟度.百葉遮陽可作為內外遮陽措施，外百葉遮陽可直接阻擋太陽輻射進入室內，并且百葉與窗戶之間的流動空氣可以帶走部分熱量，在夏季就可以有效減少進入室內的熱量[10-12]；內百葉遮陽不能直接阻隔太陽輻射進入室內，并且在百葉和玻璃之間會形成熱島效應，熱量很容易向室內擴散，不能較大限度地減少進入室內的輻射熱量，所以內百葉遮陽對房間負荷的影響相當小[13].

前述內容基本是研究百葉外遮陽對單一光環(huán)境或熱環(huán)境及其能耗的影響，本文著重研究百葉外遮陽對光熱環(huán)境及綜合能耗的影響.由于不同季節(jié)太陽高度角和方位角不同，南向房間在冬季的太陽得熱最多，西向房間在夏季的“西曬”現象格外明顯，因此，本文著重分析了夏季西向房間和冬季南向房間的光熱環(huán)境及綜合能耗變化，利用EnergyPlus軟件建立了1個標準房間模型，模擬地點選取青島市，設置夏季朝

向為西向，冬季朝向為南向，模擬房間在不同角度百葉外遮陽下的光熱環(huán)境及綜合能耗，量化不同角度下百葉外遮陽對辦公建筑光熱環(huán)境及綜合能耗的影響.

1 軟件模擬

1.1 模型的建立

建筑模型長8 m、寬8.6 m、高3.9 m，窗墻比為0.67，窗臺高度為0.4 m(圖1).

圖1 建筑模擬模型

1.2 模型參數設定

模型各項參數設定如表1所示.

表1 模型各項參數

外百葉模型如圖2所示.

圖2 室外百葉傾角模型w—百葉寬度；d—百葉間距；θ—百葉角度；s—百葉距墻距離

1.3 模擬輸出的參數

軟件模擬需要輸出的參數有：眩光指數、照度、平均輻射溫度(MRT)、直射區(qū)和非直射區(qū)的預測熱感覺投票(PMV)、制冷能耗、照明能耗、采暖能耗等.

2 夏季典型日西向房間不同角度百葉外遮陽對光熱環(huán)境及綜合能耗影響結果分析

2.1 光環(huán)境結果分析

夏季典型日不同角度百葉外遮陽西向房間近窗處(1 m)眩光指數(DGI)及照度的模擬結果如圖3和4所示.

結合圖3和4可以分析出夏季典型日不同角度百葉外遮陽下西向房間光環(huán)境的優(yōu)劣情況.根據《建筑采光設計標準》(GB 50033—2013)規(guī)定，辦公建筑的照度水平為500 lx，眩光指數DGI不大于28，DGI為22是可以接受的基準線.在模擬的5種百葉角度下，各角度下近窗處的眩光指數和照度隨著時間的推移，在14：00以后開始發(fā)生較大轉變，這是由于房間窗戶為西向，14：00以后太陽光可以更多地照射入室內.在15：00后，太陽基本接近直射西向窗戶，百葉角度θ=150°時，更多地是把太陽光線反射到室外，隨著時間推移，太陽高度角下降，進入室內的光強度就逐漸減少，所以照度和眩光指數逐漸下降；百葉角度θ=120°時，進入室內的光照強度在14：00—16：00時間段內逐漸增加，在16：00后基本保持不變，這是由于在這段時間太陽直射西向房間，此角度對太陽光的遮擋作用不大導致.各角度下近窗處的照度在工作時間段內均滿足建筑自然采光水平.百葉角度θ為120，150°時，眩光指數在14：00—16：00左右超過可接受的設計標準值22，光環(huán)境變差.總的來看，30，60，90°3種百葉角度下，夏季西向房間的光環(huán)境水平較優(yōu).

2.2 熱環(huán)境結果分析

經計算得出夏季典型日不同角度百葉外遮陽西向房間平均輻射溫度(MRT)的不均勻系數如圖5所示.

經過計算得出夏季典型日不同角度百葉外遮陽西向房間直射區(qū)和非直射區(qū)不同時間點的預測平均熱感覺投票(PMV)(圖6、圖7).

結合圖5—7可以分析出夏季典型日不同角度百葉外遮陽西向房間熱環(huán)境的優(yōu)劣情況.根據文獻[14]，PMV為0是熱舒適狀態(tài)，并且平均輻射溫度的均勻性越好，室內的熱環(huán)境水平就越優(yōu).在模擬的5種角度下，各角度MRT的不均勻系數隨著時間推移，在14：00后逐漸增大，這是由于14：00太陽光逐漸直射西向窗戶，室內的近窗處的光照強度增強，導致室內的光照強度不均勻.各角度下直射區(qū)和非直射區(qū)的PMV在14：00后逐漸升高，室內偏離舒適區(qū)，這是由于14：00后從西向窗戶進入室內的光照強度增加，進入室內的熱量增加，使室內溫度升高導致PMV升高.30，60°2種百葉角度下的室內熱環(huán)境水平要優(yōu)于90，120，150°.其中，120，90° 2種情況下在下午會比上午的熱環(huán)境變化更大、更不舒適.

2.3 綜合能耗結果分析

夏季的綜合能耗是制冷能耗和照明能耗之和，分析不同角度百葉外遮陽下夏季西向房間綜合能耗，如圖8所示.

從圖8中可以看出，百葉角度θ=90，120，150°下綜合能耗隨著時間的推移，能耗逐漸增加，在14：00之后變化更加快，這是由于14：00后太陽開始直射西向窗戶，進入室內的照度和熱量都增加，但是帶來的冷負荷占比更大，所以制冷能耗增加遠大于照明能耗降低量，綜合能耗上升更明顯.夏季30，60°百葉外遮陽西向房間的綜合能耗在12：00之前明顯高于其他角度，這是由于夏季30，60°百葉外遮陽房間的照明能耗較高的原因導致的.在14：00左右陽光照射進入室內之后，30°百葉外遮陽房間的綜合能耗最小，120°百葉外遮陽房間的綜合能耗最大.

3 冬季典型日南向房間不同角度百葉外遮陽對光熱環(huán)境及綜合能耗影響結果分析

3.1 光環(huán)境結果分析

冬季典型日不同角度百葉外遮陽南向房間近窗處(1 m)眩光指數(DGI)及照度的模擬結果如圖9和10所示.

結合圖9和10可以分析出冬季典型日不同角度百葉外遮陽下南向房間光環(huán)境的優(yōu)劣情況.在模擬的5種百葉角度下，眩光指數在10：00—15：00的變化范圍基本不大，在16：00以后，由于太陽對南向的照射已很小，所以眩光指數開始下降.各角度下近窗處的照度在工作時間段內均滿足建筑自然采光水平.百葉角度θ=30，60，90°的照度水平隨時間變化幅度極小，接近穩(wěn)定；百葉角度θ=120，150°的照度水平較高，并且波動較大，在這2種百葉角度下，透過百葉間隙進入室內的光線和由百葉反射的光線綜合作用造成此結果.百葉角度θ=120，150°時，眩光指數基本在整個工作時間段內超過設計標準值22，θ=90°下眩光指數在某些時間段超過標準值，光環(huán)境變差.總的來看，30，60° 2種百葉角度下冬季南向房間的光環(huán)境水平較優(yōu)，90°下基本滿足要求，120，150°下光環(huán)境較差.

3.2 熱環(huán)境結果分析

經計算得出冬季典型日不同角度百葉外遮陽南向房間平均輻射溫度(MRT)的不均勻系數如圖11所示.

經過計算得出冬季典型日不同角度百葉外遮陽南向房間直射區(qū)和非直射區(qū)不同時間點的PMV(圖12、圖13).

結合圖11—13可以分析出冬季典型日不同角度百葉外遮陽南向房間熱環(huán)境的優(yōu)劣情況.在模擬的5種角度下，MRT的不均勻系數隨著時間變化呈現波動變化，這是由于在百葉遮擋下，各部位的MRT隨著時間均有變化.各角度下直射區(qū)的PMV有波動上升趨勢，因為進入室內的熱輻射增加，PMV升高，其中120°變化較劇烈，這是由冬季的太陽高度角較低導致.各角度非直射區(qū)下的PMV略有上升趨勢，變化基本不大.30，60°百葉角度下室內平均輻射溫度較其他角度下更均勻，盡管其對應室內PMV小于其他角度下PMV，但其舒適性水平會更優(yōu)一些.90，120，150°百葉角度下室內PMV隨著時間的波動變化較大，會使人產生不斷的冷熱變化感覺，較不舒適.

3.3 綜合能耗結果分析

冬季的綜合能耗是采暖能耗和照明能耗之和，分析不同角度百葉外遮陽下冬季南向房間綜合能耗，匯總如圖14所示.

從圖14中可以看出，各百葉角度下房間綜合能耗在14：00之前隨著時間推移逐漸下降，14：00之后逐漸上升，這是由于在10：00—14：00，南向房間的太陽輻射強度逐漸增加，對應的采暖能耗和照明能耗需求均下降，在14：00以后，太陽方位變化導致通過南向窗戶入射的太陽輻射強度減弱，對應采暖能耗需求逐漸增加，照明能耗變化不大，綜合能耗需求逐漸上升.120°百葉角度下冬季南向房間的綜合能耗最小，30°百葉角度下冬季南向房間的綜合能耗最大.在14：00時太陽輻射強度最大，室內日射得熱最高，熱負荷最低，采暖能耗最低，所以此時綜合能耗最低.

4 結論

本文利用EnergyPlus軟件模擬了青島市某辦公建筑的光熱環(huán)境及綜合能耗，量化了不同角度百葉外遮陽下夏季西向房間、冬季南向房間的光熱環(huán)境評價數值及綜合能耗數值.青島處于寒冷地區(qū)，此研究可為寒冷地區(qū)的其他城市提供參考，其他氣候區(qū)亦可借鑒該研究方法進行探究.本文的主要結論如下：

1) 對于夏季西向房間，不同角度百葉外遮陽下房間近窗處的照度在工作時間段內均滿足建筑自然采光要求，即大于500 lx；30，60，90°3種百葉角度下，眩光指數小于28，夏季西向房間的光環(huán)境水平較優(yōu).

2) 對于夏季西向房間，30，60°百葉角度下MRT不均勻系數要小于其他角度，并且30，60°百葉角度下直射區(qū)和非直射區(qū)的PMV更接近0；30，60°2種百葉角度下的室內熱環(huán)境水平要優(yōu)于90，120，150°，其中，120，90°2種情況下在下午會比上午的熱環(huán)境變化更大、更不舒適.

3) 對于夏季西向房間，30，60°百葉外遮陽西向房間的綜合能耗在12：00之前明顯高于其他角度.在14：00之后，30°百葉外遮陽房間的綜合能耗最小，范圍為0.7～0.75 kW·h，120°百葉外遮陽房間的綜合能耗最大，范圍為0.73～0.94 kW·h.

4) 對于冬季南向房間，不同角度百葉外遮陽下房間近窗處的照度在工作時間段內均滿足建筑自然采光要求，即大于500 lx；30，60°2種百葉角度下，眩光指數小于28，冬季南向房間的光環(huán)境水平較優(yōu)，90°下基本滿足要求，120和150°下眩光指數大于28，光環(huán)境較差.

5) 對于冬季南向房間，30，60°百葉角度下室內平均輻射溫度較其他角度更均勻，盡管其對應室內PMV小于其他角度下PMV，但其舒適性更優(yōu).90，120，150°百葉角度下室內PMV隨著時間的波動變化較大，會使人產生不斷的冷熱變化感覺，較不舒適.

6) 對于冬季南向房間，120°百葉角度下房間的綜合能耗最小，范圍為0～0.7 kW·h，30°百葉角度下房間的綜合能耗最大，范圍為0.5～1.25 kW·h.