湖南大學(xué)  譚羽桐, 彭晉卿

       【摘  要】建筑遮陽是提升窗戶系統(tǒng)的有效措施，合理的遮陽既能夠有效改善室內(nèi)熱舒適及視覺舒適，同時(shí)能夠減少建筑的空調(diào)能耗。本文旨在探究基于眩光控制的卷簾對(duì)建筑空調(diào)能耗的影響。首先，基于卷簾和玻璃的光熱特性參數(shù)在WINDOW中建立窗戶系統(tǒng)的模型，并驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性；然后，建立以湖南大學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為原型的建筑模型并利用Energyplus軟件計(jì)算無遮陽時(shí)參考點(diǎn)的逐時(shí)日光眩光指數(shù) (DGI) 以獲取遮陽時(shí)間表；最后根據(jù)遮陽時(shí)間表對(duì)布置于南向窗戶的卷簾進(jìn)行眩光控制并計(jì)算全年制冷與供暖能耗。研究結(jié)果表明：基于眩光控制的卷簾遮陽模式與無遮陽相比能夠減少28%的制冷能耗，但增加了3%的供暖能耗，全年總空調(diào)能耗能夠減少14%。由此可知，卷簾能夠有效保障室內(nèi)采光環(huán)境并減少建筑空調(diào)能耗，對(duì)實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能具有深遠(yuǎn)的意義。

       【關(guān)鍵詞】卷簾；眩光控制；能耗模擬；實(shí)驗(yàn)研究；建筑節(jié)能

0 引言

    目前，建筑能耗約占社會(huì)總能耗的30%~40%^[1] ，其中，由窗戶造成的能耗約占建筑能耗的50%^[2]。在夏熱冬冷地區(qū)，由單層玻璃透射入室內(nèi)的太陽輻射所消耗的冷量約占空調(diào)負(fù)荷的20%-30%^[3]。詹林^[4]分析了夏熱冬冷地區(qū)各朝向窗戶在晴朗天氣各季節(jié)得到的太陽輻射熱變化。研究結(jié)果表明南向窗戶夏季得熱不多，而冬季比其他朝向能匯集更多的太陽輻射。由于太陽輻射對(duì)室內(nèi)的空調(diào)采暖制冷能耗具有重大影響，從窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射在冬季有利于減少建筑采暖能耗，但在夏季可能造成過熱而增加制冷能耗^[5]，因此建議南向開窗。

       窗戶因其在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中獨(dú)特的透光特性，成為室內(nèi)采光和熱舒適平衡的關(guān)鍵。為了保障室內(nèi)舒適的采光環(huán)境并盡可能減少建筑能耗，一種安裝簡(jiǎn)單，成本低，調(diào)節(jié)靈活的卷簾遮陽被廣泛應(yīng)用于提升窗戶的保溫隔熱性能。Oleskowicz-Popiel等^[6]研究了卷簾布置于外部和內(nèi)部時(shí)在采暖季節(jié)的節(jié)能潛力，研究結(jié)果表明外卷簾可節(jié)省45%的能耗，而內(nèi)卷簾能節(jié)省33%的能耗。李崢嶸等人^[7]根據(jù)6種不同性能的遮陽卷簾在上海地區(qū)的模擬數(shù)據(jù)得出，采用中反射-中透過率的卷簾能夠削弱44%~51%的采光。根據(jù)采光動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，有效采光照度（UDI），趙忠超^[8]的研究結(jié)果表明采用動(dòng)態(tài)窗簾可使進(jìn)深1~5m區(qū)域的UDI達(dá)80%。此外，Kunwar等人^[9]根據(jù)2017年3月至9月采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探究了卷簾在不同朝向的節(jié)能潛力，研究結(jié)果表明在保證可接受眩光水平90%以上時(shí)，卷簾能平均節(jié)省26%的制冷能耗。由此可知，布置合理的卷簾具有平衡室內(nèi)采光和熱舒適的潛力。

       本文旨在探究基于眩光的卷簾控制策略對(duì)建筑空調(diào)能耗的影響。由于進(jìn)行全年能耗監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施難度大，故本文采用Energyplus軟件進(jìn)行全年能耗模擬。為驗(yàn)證該模擬方法的準(zhǔn)確性，首先基于湖南大學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展試驗(yàn)，比較窗戶系統(tǒng)內(nèi)表面溫度的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果。然后，利用驗(yàn)證過的模型計(jì)算無卷簾遮陽時(shí)參考點(diǎn)的逐時(shí)DGI，并由此確定遮陽時(shí)間表。最后，根據(jù)遮陽時(shí)間表控制卷簾的開啟并模擬計(jì)算全年空調(diào)能耗。

1 窗戶模型建立

       1.1 光熱參數(shù)測(cè)試

       能耗模擬的準(zhǔn)確度和可靠性取決于模型的輸入?yún)?shù)。因此，首先采用紫外/可見/近紅外分光光度計(jì) (LAMBDA PE 1050) 測(cè)試卷簾及玻璃的光譜光學(xué)參數(shù)，包括反射率、透射率以及吸收率，測(cè)試結(jié)果如表1所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，本文采用的單片玻璃透過率為0.82，反射率為0.07，吸收率為0.11。而本文采用的卷簾透射率僅為0.26，它能夠有效阻隔過多的太陽輻射進(jìn)入室內(nèi)。對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)，玻璃樣品的導(dǎo)熱系數(shù)取1 W/(m·K)，與IGDB數(shù)據(jù)庫中玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)一致；而卷簾的導(dǎo)熱系數(shù)采用DRE瞬態(tài)平面熱源法導(dǎo)熱儀確定，測(cè)試結(jié)果為0.12 W/(m·K)。

表1 卷簾及窗簾的光學(xué)參數(shù)

       1.2 模型建立和計(jì)算

       基于上述光熱參數(shù)，采用勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一系列用于門窗及幕墻熱工計(jì)算的軟件建立窗戶模型，包括Optics和WINDOW。其中，Optics用于對(duì)光譜數(shù)據(jù)的處理，WINDOW用于計(jì)算窗戶的熱性能指標(biāo)，包括總傳熱系數(shù)（U值），太陽得熱系數(shù)（SHGC），可見光透射率（Tvis）。將玻璃和卷簾的光譜光學(xué)參數(shù)測(cè)試結(jié)果導(dǎo)入Optics軟件中，建立卷簾和玻璃的模型，然后將Optics中的單片模型導(dǎo)入WINDOW軟件中建立完整的窗戶系統(tǒng)。本文建立了兩種窗戶系統(tǒng)：（1）6 mm普通玻璃+12 mm空氣層+6 mm普通玻璃，該窗戶系統(tǒng)用做對(duì)比；（2）6 mm普通玻璃+12 mm空氣層+6 mm普通玻璃+10 mm空氣層+卷簾，該窗戶系統(tǒng)用做探究卷簾對(duì)建筑能耗的影響。兩種窗戶系統(tǒng)的熱性能計(jì)算結(jié)果列于表2，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，卷簾能夠有效降低窗戶系統(tǒng)的傳熱系數(shù)，太陽得熱系數(shù)和可見光透射率。與基準(zhǔn)窗戶相比，上述參數(shù)分別降低了20%，54%和69%。

表2 基準(zhǔn)窗戶與實(shí)驗(yàn)窗戶的熱性能參數(shù)

2 建筑模型

       本研究以長(zhǎng)沙地區(qū)辦公建筑為研究對(duì)象，基于長(zhǎng)沙所處夏熱冬冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)，遵循《公用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) GB50189-2015》，在Sketchup中建立與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（位于湖南長(zhǎng)沙）一致的建筑模型，如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)占地面積112平方米，實(shí)驗(yàn)窗戶安裝于圖示房間，該房間高3米，寬2.5米，進(jìn)深為6米。外窗位于南向外墻，窗戶高2.4米，寬2.4米，窗墻比為76.8%。

圖1 建筑模型示意圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

       3.1 實(shí)驗(yàn)概況

       圖2所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)位于湖南長(zhǎng)沙地區(qū)（112.92E, 28.22N），基準(zhǔn)窗戶位于測(cè)試房間的南向外墻，卷簾布置于窗戶內(nèi)側(cè)。卷簾表面布置6個(gè)溫度傳感器，其平均溫度用以表征窗戶系統(tǒng)內(nèi)表面的逐時(shí)溫度。此外，測(cè)試期間（1月12日~13日）的室外氣象參數(shù)如太陽輻射、環(huán)境溫度、風(fēng)速等由試驗(yàn)臺(tái)的氣象站測(cè)量并采集，圖3是實(shí)測(cè)的太陽輻射及環(huán)境溫度變化情況。由圖可知，實(shí)驗(yàn)期間天氣晴朗，太陽輻射充足，室外平均氣溫約為10℃。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

圖3 實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)

       3.2 結(jié)果對(duì)比以實(shí)測(cè)

       氣象數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)，在Energyplus軟件中將窗戶模型與建筑模型耦合，計(jì)算窗戶系統(tǒng)內(nèi)表面逐時(shí)溫度，圖4為窗戶系統(tǒng)內(nèi)表面逐時(shí)溫度的模擬和實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果。經(jīng)計(jì)算，實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的相對(duì)誤差為7.5%，均方根誤差為1.8℃，兩者具有良好的一致性。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果可知，基于窗戶系統(tǒng)各層部件的實(shí)測(cè)參數(shù)在WINDOW中建模并在Energyplus中進(jìn)行能耗模擬計(jì)算的方法準(zhǔn)確可靠。

圖4 窗戶系統(tǒng)內(nèi)表面溫度的實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比

4 能耗模擬

       4.1 基于眩光控制的遮陽時(shí)間表

       本研究采用Energyplus軟件模擬建筑全年能耗，它由美國(guó)能源部和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室共同開發(fā)，能夠?qū)ㄖ牟晒狻⒖照{(diào)、照明等能源消耗進(jìn)行全面能耗模擬分析^[10]。為獲取卷簾遮陽時(shí)間表，首先計(jì)算無遮陽時(shí)參考點(diǎn)的日光眩光指數(shù)（DGI），采光參考點(diǎn)設(shè)定為0.75m高處工作平面的中心點(diǎn)。DGI自1992年提出以來，成為國(guó)際上最為廣泛應(yīng)用的不舒適眩光評(píng)價(jià)指標(biāo)^[11]。我國(guó)的《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50033-2013^[12]中對(duì)采光等級(jí)進(jìn)行了更具體的劃分，等級(jí)劃分列于表3。由表可知，當(dāng)DGI達(dá)到23時(shí)眩光能被察覺，因此，當(dāng)DGI達(dá)到23時(shí)，卷簾調(diào)整為開啟狀態(tài)以削弱眩光。為此，首先在Energyplus中對(duì)基準(zhǔn)窗戶（無卷簾）進(jìn)行全年采光模擬，得到每小時(shí)參考點(diǎn)的DGI，進(jìn)而獲得基于眩光控制的卷簾遮陽時(shí)間表。

表3 DGI采光等級(jí)劃分

       4.2 全年建筑能耗模擬

        全年能耗模擬時(shí)，建筑室內(nèi)熱環(huán)境參數(shù)根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50736-2012^[13]設(shè)定，其中，制冷室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度設(shè)定為26℃，供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度設(shè)定為20℃。模擬時(shí)采用Energyplus官網(wǎng)提供的長(zhǎng)沙典型氣象年 (CSWD) 逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)，其中月平均室外溫度和太陽輻射如圖5所示。

圖5 長(zhǎng)沙月平均溫度及太陽輻射

5 結(jié)果分析與討論

       圖6為無遮陽，全遮陽以及基于眩光控制下的建筑空調(diào)能耗。圖6 (1)所示為三種模式下的逐月制冷能耗，由圖可知，長(zhǎng)沙地區(qū)六月至十月的制冷能耗高，制冷能耗最大月出現(xiàn)在七月。對(duì)比三種模式可知，無遮陽時(shí)的逐月制冷能耗最大，全遮陽時(shí)的逐月制冷能耗最小，而基于眩光控制的遮陽模式的逐月制冷能耗位于兩者之間。此外，與無遮陽模式相比，基于眩光控制的遮陽模式在八月的制冷能耗削減量最大。圖6 (2)所示為三種模式下的逐月供暖能耗，由圖可知，長(zhǎng)沙地區(qū)五月至九月無供暖能耗，在其余有供暖能耗的月份，全遮陽時(shí)的逐月供暖能耗最大，無遮陽時(shí)的逐月供暖能耗最小，基于眩光控制的遮陽模式的逐月供暖能耗位于兩者之間。但與制冷能耗的削減量相比，采用卷簾所增加的供暖能耗可忽略不計(jì)。總空調(diào)能耗如圖6 (3)所示，三種模式的逐月空調(diào)能耗在一月至四月差別甚小，在五月至十一月，無遮陽模式下空調(diào)消耗的能量最大。總地來說，采用卷簾遮陽能夠有效降低空調(diào)制冷能耗，但對(duì)冬季制熱不利。從全年總能耗來看，相比于無遮陽模式，全遮陽能夠減少40%的制冷能耗，但會(huì)增加10%的供暖能耗，全年總空調(diào)能夠減少20%。此外，基于眩光控制的遮陽模式能夠減少28%的制冷能耗，但增加了3%的供暖能耗，全年總空調(diào)能耗能夠減少14%。這是因?yàn)榫砗熌軌蛴行ё钃跆栞椛溥M(jìn)入室內(nèi)，在制冷時(shí)期能夠避免過熱，但在供暖時(shí)期，由于進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射減少，因此導(dǎo)致空調(diào)供暖能耗增加。

圖 6 建筑在無遮陽，全遮陽以及遮陽控制下的逐月
（1）制冷能耗，（2）供暖能耗，（3）空調(diào)能耗和（4）年能耗對(duì)比

6 結(jié)論

       本文旨在探究卷簾對(duì)建筑空調(diào)能耗的影響。首先基于卷簾和玻璃的實(shí)測(cè)參數(shù)在WINDOW中建立窗戶模型，并通過Energyplus軟件計(jì)算無遮陽時(shí)參考點(diǎn)的日光眩光指數(shù)（DGI）。然后，基于湖南大學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)該模擬方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，從窗戶系統(tǒng)內(nèi)表面溫度來看，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果具有良好的一致性。最后，采用經(jīng)驗(yàn)證的模型基于眩光控制卷簾的開啟關(guān)閉，探究卷簾對(duì)建筑能耗的影響。本文的主要結(jié)論如下：

       （1）本文窗戶模型與建筑模型建立準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)與模擬的窗戶內(nèi)表面溫度相對(duì)誤差為7.5%，均方根誤差為1.8℃；

       （2）與無遮陽模式相比，全遮陽能夠減少40%的制冷能耗，但會(huì)增加10%的供暖能耗，全年總空調(diào)能耗能夠減少20%；

       （3）基于眩光控制的卷簾遮陽模式與無遮陽模式相比，能夠減少28%的制冷能耗，但會(huì)增加3%的供暖能耗，全年總空調(diào)能耗能夠減少14%。

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       備注：本文收錄于《建筑環(huán)境與能源》2021年4月刊 總第42期（第二十屆全國(guó)暖通空調(diào)模擬學(xué)術(shù)年會(huì)論文集）。版權(quán)歸論文作者所有，任何形式轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者。