摘要：采用能耗模擬軟件Energyplus對重慶地區(qū)南向外窗水平外遮陽進行模擬研究，包括單遮陽板適宜的外挑系數(shù)，多遮陽板(雙遮陽板、三遮陽板)與單遮陽板的性能比較，遮陽板對照明電耗的影響，多遮陽板對室內(nèi)采光的影響。單純考慮太陽直射輻射時，單遮陽板的外挑系數(shù)宜控制在0.3左右。在相同外挑系數(shù)下，多遮陽板的遮擋效果優(yōu)于單遮陽板。單遮陽板、多遮陽板基本不影響照明電耗。多遮陽板能夠改善室內(nèi)自然采光的均勻性。

關(guān)鍵詞：南向外窗；  水平外遮陽；  遮陽板；  外挑系數(shù)；  太陽輻射；  照明能耗；  采光

 Simulation Research on Horizontal External Shading of South-facing Outward Windows in Chongqing Area

Abstract: The simulation research on horizontal external shading of south-facing outward windows in Chongqing area is conducted by the Energy Plus software. The research includes the appropriate protrusion coefficient of single sun visor，the performance comparison between single sun visor and multi sun visor(dual sun visor and triple sun visor)，the influence of the sun visor on lighting power consumption and the influence of multi sun visor on indoor daylighting. Only considering the direct solar radiation，the protrusion coefficient of single sun visor should be controlled at about 0.3.The effect of multi sun visor is better than that of single sun visor at the same protrusion coefficient. The single sun visor and the multi sun visor do not affect the lighting power consumption. The multi sun visor can improve the uniformity of indoor natural daylighting.

Key words: south-facing outward window；horizontal external shadin9；sun visor；protrusion coefficient；solar radiation；lighting power consumption；daylighting

1 概述

建筑外遮陽可分為水平式遮陽、垂直式遮陽、綜合式遮陽、擋板式遮陽，不同的遮陽形式適用于不同朝向，而中國建筑大多坐北朝南，加之水平式遮陽易于實現(xiàn)，因此南向水平外遮陽成為我國建筑外遮陽設(shè)計中的主流。南向水平外遮陽設(shè)計的優(yōu)劣不僅影響供暖、空調(diào)、照明能耗，也對室內(nèi)光環(huán)境有著重要影響，針對這方面的研究國內(nèi)外也比較廣泛。鄭清容等人^[1]分析了廣州地區(qū)建筑水平外遮陽對冷負荷的影響。周荃等人^[2]進行了廣州地區(qū)建筑水平外遮陽對室內(nèi)采光的影響研究，指出通過合理的構(gòu)造設(shè)計、尺寸設(shè)計和材料選擇，如增加導(dǎo)光板可以兼顧遮陽和采光的雙重需求。王斌等人^[3]采用Energyplus等模擬軟件，分析了夏季南向窗太陽輻射得熱問題，考慮水平外遮陽板外挑長度對建筑供暖、空調(diào)負荷的影響，得到水平外遮陽板最佳設(shè)計尺寸。李崢嶸等人^[4]采用模擬耦合計算室內(nèi)照度與窗體能耗的方法，以上海為研究區(qū)域，針對南向窗，分析了水平、垂直外遮陽板以及卷簾等不同遮陽裝置引起的照明電耗和制冷能耗，并由此評價不同遮陽裝置的節(jié)能效果。H.A.Hussain等人^[5]對南向垂直與水平外遮陽進行了綜合考慮照明和空調(diào)能耗的節(jié)能模擬分析。唐鳴放等人^[6]、連大旗^[7]對重慶市水平外遮陽板尺寸及各朝向的遮陽設(shè)計策略進行了研究。HUANG Yu等人^[8]從全生命周期的角度探討了某校園建筑節(jié)能改造項目是否采用水平外遮陽。

單純考慮制冷能耗時，水平外遮陽板的外挑長度越長越好。但過長的外挑長度易削弱冬季房間的太陽輻射得熱量，增加供暖熱負荷。外挑長度過長易導(dǎo)致房間采光不足，使照明電增加，在夏季增加了冷負荷。另外，遮陽板外挑長度也不宜過短，過短的遮陽板無法有效地遮擋太陽光，造成室內(nèi)采光不均勻。因此，水平外遮陽板的設(shè)計必須綜合考慮供暖、空調(diào)、照明等因素，以確定最佳的外挑長度。然而不同緯度地區(qū)對水平外遮陽板尺寸要求是不同的，即使在同一緯度地區(qū)，遮陽形式也不應(yīng)完全照搬，如重慶、上海地區(qū)，雖同屬夏熱冬冷地區(qū)，緯度在30°左右，但重慶地區(qū)的大氣透明度較低，散射輻射量明顯高于上海地區(qū)，因此遮陽形式應(yīng)有所不同。本文對重慶地區(qū)南向外窗水平外遮陽相關(guān)問題進行模擬研究。

2 研究方法及內(nèi)容

以長×寬×高為4 m×4 m×3 m的房間作為模型，外窗寬×高為2.0 m×l.5 m，窗臺高0.9 m，玻璃為Energyplus軟件默認的一種單層玻璃，太陽光透過率為0.33，反射率為0.62。水平外遮陽板沿外窗上檐安裝，無橫向延伸。照明功率密度為11 W／m²，遮陽板上下表面反射率均設(shè)定為0.2。其他參數(shù)采用Energyplus軟件的默認參數(shù)。為研究水平外遮陽板的遮陽效果，采用Energyplus軟件對以下內(nèi)容進行模擬，透過基準窗(不帶水平外遮陽板)、遮陽窗(帶水平外遮陽板)的太陽總輻射量、太陽直射輻射量、太陽散射輻射量的全年逐時值。并采用Excel制圖表分析數(shù)據(jù)，比較遮陽效果。

對于沿外窗上檐安裝的遮陽板，外挑系數(shù)定義為遮陽板外挑長度(對于多遮陽板，為各遮陽板外挑長度之和)除以窗高。當外挑系數(shù)大于0時，為遮陽窗。當外挑系數(shù)為l時，表示遮陽板的外挑長度與窗高相等。

設(shè)定空調(diào)期為6-9月，供暖期為l2、1、2月。太陽輻射遮擋率β的計算式為：

式中 β——太陽輻射遮擋率

     E_b——透過基準窗的太陽輻射量，J

     E_s——透過遮陽窗的太陽輻射量，J

當太陽輻射量分別取總輻射量、直射量、散射量時，可由式(1)分別計算得到太陽總輻射遮擋率β_t、太陽直射遮擋率反、太陽散射遮擋率β_s。從模擬結(jié)果中提取各月基準窗和不同外挑系數(shù)下遮陽窗的太陽直射輻射量，計算不同外挑系數(shù)下的太陽直射遮擋率。

研究內(nèi)容包括：單遮陽板適宜的外挑系數(shù)；多遮陽板(包括雙遮陽板、三遮陽板)與單遮陽板的性能比較；遮陽板對照明電耗的影響；多遮陽板對室內(nèi)采光的影響。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 單遮陽板適宜的外挑系數(shù)

單遮陽板情況下各月太陽直射遮擋率計算結(jié)果見表l。由于各月太陽高度角的不同，導(dǎo)致太陽直射量的差異，最終反映到各月太陽直射遮擋率的不同。

由表l可知，單遮陽板對太陽直射光的遮擋效果比較明顯，當外挑系數(shù)在0.3以上時，空調(diào)期(6-9月)的太陽直射遮擋率都達到了50％以上。尤其是當外挑系數(shù)為0.3時，6月太陽直射遮擋率達到了91.2％。對于供暖期(12、1、2月)，太陽直射遮擋率不宜過大。因此，當只考慮太陽直射輻射時，單遮陽板的外挑系數(shù)宜控制在0.3左右。

3.2 多遮陽板與單遮陽板的性能比較

進入外窗的太陽總輻射量包括直射輻射量、散射輻射量，重慶地區(qū)南向外窗的太陽散射輻射量占總輻射量的82％，而其他夏熱冬冷地區(qū)的太陽散射輻射量占總輻射量的60％左右。這主要是由于重慶地區(qū)大氣透明度較低，削弱了太陽直射輻射量。因此，對于重慶地區(qū)的南向外窗水平外遮陽，不應(yīng)僅考慮太陽直射輻射量，而應(yīng)考慮太陽總輻射量。

太陽光進入室內(nèi)的途徑主要有兩種：直接射入的太陽光；來自天空、地面及其他物體漫反射形成的散射光。在外窗上檐設(shè)置遮陽板可有效遮擋大部分直射光和少部分來自天空的散射光，但無法遮擋來自地面及其他物體的散射光。光線到達地面后的漫反射效果見圖l。由圖1可知，太陽光入射到地面后以漫反射的形式向四周反射，若在外窗高度方向增加一塊或多塊遮陽板，那么投射到頂端遮陽板下表面的散射光可基本被擋住，但遮陽板過多將影響

室內(nèi)的采光和視野。同一外挑系數(shù)下南向外窗分別設(shè)置單、雙遮陽板的遮擋效果比較(夏至日10：O0)見圖2。由圖2可知，設(shè)置雙遮陽板也能加強對直射光的遮擋。當直射光從非正南入射時，第二遮陽板能夠有效地削弱進入室內(nèi)的太陽直射光，并且能將投射到下遮陽板的直射光以漫反射的形式投射到室內(nèi)深處，加強室內(nèi)深處的采光效果。

規(guī)定多遮陽板(雙遮陽板、三遮陽板)各遮陽板的外挑長度相等，且各遮陽板在外窗高度方向平均分配?？照{(diào)期、供暖期單遮陽板、雙遮陽板、三遮陽板的平均太陽直射遮擋率比較分別見圖3、4。由圖3可知，三遮陽板的空調(diào)期平均太陽直射遮擋率高于單遮陽板，當外挑系數(shù)超過0.3時，三遮陽板的空調(diào)期平均太陽直射遮擋率超過80％，最高達到93％，比單遮陽板高出10％。當三遮陽板的外挑系數(shù)超過0.5時，空調(diào)期平均太陽直射遮擋率基本無增長趨勢。由圖4可知，由于供暖期太陽高度角較低，三遮陽板的供暖期平均太陽直射遮擋率遠低于夏季，當外挑系數(shù)小于0.5時，單遮陽板與三遮陽板的供暖期平均太陽直射遮擋率差別很小，超過0.5時，差距逐漸出現(xiàn)，但不超過10％。

空調(diào)期、供暖期單遮陽板、雙遮陽板、三遮陽板的平均太陽散射遮擋率比較分別見圖5、6。由圖5、6可知，太陽散射遮擋率隨著遮陽板外挑系數(shù)的增大而增大，由于散射的無方向性，因此太陽散射遮擋率不會很高。三遮陽板的空調(diào)期、供暖期平均太陽散射遮擋率均高于單遮陽板，這主要是由于三遮陽板更多地遮擋了來自地面及地面上其他物體漫反射形成的散射光，且外挑系數(shù)越大遮擋效果越明顯。

空調(diào)期、供暖期單遮陽板、雙遮陽板、三遮陽板的平均太陽總輻射遮擋率比較分別見圖7、8。由圖7、8可知，空調(diào)期、供暖期平均太陽總輻射遮擋率與平均太陽散射遮擋率變化趨勢一致，這說明進入南向外窗的太陽輻射量以散射輻射量為主，為降低空調(diào)能耗，應(yīng)更加注重散射光的遮擋。

3.3 遮陽板對照明電耗的影響

為研究遮陽板對照明電耗的影響，在模型中添加Daylighting Control的控制方式，即根據(jù)工作面上選取的控制點要求照度控制照明輸入功率。在距地高度0.8 m，設(shè)置100(10×10)個照度監(jiān)測點，監(jiān)測點間距為0.44 m，形成一個工作面，基本覆蓋整個房間。將距外窗中心處l.5 m作為控制點，設(shè)定控制點要求照度為300 lx，不足照度由照明設(shè)備補充。采用遮陽窗時的照明電耗增加率y的計算式為：

式中 γ——照明電耗增加率

     W_s——采用遮陽窗時的照明電耗，kW·h

     W_b——采用基準窗時的照明電耗，kW·h

不同外挑系數(shù)下，單遮陽板、雙遮陽板、三遮陽板的照明電耗增加率計算結(jié)果見表2。由表2可知，遮陽板的外挑系數(shù)和形式對于照明電耗的影響不大，照明電耗的增加率不超過5％，這主要是由于控制點靠近外窗，全年大部分時間的照度高于300lx。

3.4 多遮陽板對室內(nèi)采光的影響

為研究設(shè)置多遮陽板對室內(nèi)采光的影響，模擬了工作面在自然采光條件下的各監(jiān)測點照度。由模擬結(jié)果可知，對于多遮陽板，由于第二或第三遮陽板上表面的漫反射，使得遠離外窗的工作面能夠接受更多的光線，提高了整個房間采光的均勻性。

4 結(jié)論

①單純考慮太陽直射輻射時，單遮陽板的外挑系數(shù)宜控制在0.3左右。

②在相同外挑系數(shù)下，多遮陽板的遮擋效果優(yōu)于單遮陽板。

③單遮陽板、多遮陽板基本不影響照明電耗。

④多遮陽板能夠改善室內(nèi)自然采光的均勻性。

參考文獻：

[1] 鄭清容，丁云飛，吳騰飛.廣州地區(qū)建筑水平外遮陽節(jié)能潛力分析[J].廣州大學(xué)學(xué)報，2008(6)：69-72.

[2] 周荃，楊仕超.廣州地區(qū)建筑水平外遮陽對室內(nèi)采光影響研究[J].廣東土木與建筑，2011(6)：15-18.

[3] 王斌，張櫻子.西安地區(qū)辦公建筑南窗水平遮陽研究[J].建筑節(jié)能，2009(8)：27—29.

[4] 李崢嶸，潘欣鈺，馮聞，等.基于光熱性能的南向遮陽措施節(jié)能降耗模擬研究[J].建筑節(jié)能，2011，39(10)：57-60.

[5] HUSSAIN H A，AMNEH H A. Assessment of building facade performance in terms of daylighting and the associated energy consumption in architectural spaces：vertical and horizontal shading devices for southern exposure facades[J].Energy Conversion and Management，2010(51)：1592-1599.

[6] 唐鳴放，王丹妮.重慶地區(qū)窗戶外遮陽能效分析[J].建筑科學(xué)，2007，23(6)：60-63.

[7] 連大旗.重慶地區(qū)建筑水平外遮陽的效果和策略研究(碩士學(xué)位論文)[D].重慶：重慶大學(xué)，2010：54-97.

[8] HUANG Yu，NIU Jianlei，CHUNG T M. Energy and carbon emission payback analysis for energy-efficient retrofitting in buildings—overhang shading option [J].Energy and Buildings，2012(44)：94-103.

本文作者：劉猛 胡鐵軍 李文龍

作者單位：重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院  重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室