摘要：遮阳设施能合理控制太阳光线进入室内,减少建筑空调能耗和人工照明用电，改善室内光环境，已成为当前追求“绿色建筑”目标的一项具体措施。该文通过理论分析和数学模拟, 并借助ENERGYPLUS、RADIANCE及建模软件, 结合光和热两方面考虑，对上海地区典型夏季日有无遮阳办公房间的空调能耗、照明能耗及室内光环境进行了模拟与分析。

计算结果表明，无遮阳时，室内照度过高，分布不均匀，照度变化梯度大，光环境恶劣，窗体系统得热量大，成为室内主要空调冷负荷；采用遮阳措施后，室内光环境得到了一定的改善，空调冷负荷得到了大幅度下降，窗体得热量降低了58.3％，空调能耗降低了37.9％，照明能耗上升了18.6％，建筑总能耗降低了19.3％。

关键词：遮阳 光环境 建筑能耗 空调能耗 照明能耗 照度 照度均匀度

1 引言

建筑节能是主题,节能减排已提到议事日程。而采取有效的遮阳措施,降低外窗太阳辐射形成的建筑空调负荷,是实现居住建筑节能的有效**方法之一[1]。一方面，遮阳通过阻挡阳光直射辐射和漫辐射得热，控制热量进入室内，降低室温、改善室内热环境，使空调高峰负荷大大削减。另一方面，适量的阳光又使人感到舒适，有利于人体视觉功效的高效发挥和生理机能的正常运行，给人们愉悦的心理感受。所以遮阳是对太阳光的一种合理的利用，根据建筑物所处地域在不同季节的日照角度、日照时间长短以及周边环境，通过遮阳构件的布置角度、对光线的反射、折射进行综合考虑及合理调配，达到对光线的控制：夏天，强烈的光线被挡在室外，防止过多的光线进入室内；冬季，温暖的阳光会被折射进室内，并成漫散光状态，提高室内照明度，改善室内光环境和热环境。

在国外，遮阳产品和技术都相当成熟[2-5]，但是在国内遮阳研究范围相对狭窄，总是把光和热单独分开进行研究，缺少对建筑整体环境的综合研究，难以兼顾生态建筑的多方面要求。针对这些问题，本文借助ENERGYPLUS、RADIANCE及建模等软件,以办公建筑为例,在中国夏热冬冷地区的气候特征下，结合光和热两方面考虑，对上海地区典型夏季日有无遮阳办公房间的室内空调能耗、照明能耗及室内光环境进行了模拟比较与分析。

2 理论分析

2.1 遮阳与建筑能耗

遮阳与建筑室内环境及能耗的关系如图1所示，一方面，遮阳通过调节进入室内的光线影响室内照度，从而影响建筑光环境和人工照明能耗；另一方面，遮阳遮挡直射光线进入室内，减少房间得热，降低了建筑的空调能耗。从空调能耗和照明能耗两方面共同影响建筑能耗，遮阳则可以调节这两方面的矛盾，使其达到一个平衡点，在改善室内光环境的同时，达到建筑能耗的低**。
 
图1 遮阳与建筑室内环境及能耗的关系

光电联合控制技术在国外运用的较多，国内运用也逐渐增加，特别是绿色建筑中，光电联控能有效降低照明能耗。由于遮阳对室内照度的影响，从而影响人工照明能耗，本文考虑了结合光电联控技术来求得遮阳对照明能耗的影响。在房间工作面上设定两个参照点作为衡量室内的照度水平，同时结合参照点的重要程度给出两个参照点的权重系数，当参照点照度低于设定范围，则通过自动调节灯光亮度以便参照点的照度达到设定值，其中，所需灯光的能耗则为照明能耗。其光电联动控制示意图如图2所示[6]。

图2 光电联合控制示意图(摘自EnergyPlus帮助文件)

2.2 遮阳与建筑光环境

在20世纪70年代初，科学家发现自然光可以改善人的工作效率。但是室内过多的太阳光又会产生直接眩光或是VTD反射眩光，从而导致室内光环境质量降低[7]。不同工作性质的场所对照度值的要求不同，适宜的照度应当是在某具体工作条件下，大多数人都感觉比较满意而且保证工作效率和精度均较高的照度值。良好的光环境的基本要素是有适当的亮度和适当的照度均匀度[8]，如果照度和照度均匀性没有达到一定的要求，室内光环境则受到影响。遮阳可阻挡太阳直射光线进入室内，又能通过反射和折射对进入室内的光线进行再调配，以改善室内光环境。本文以工作面参照点照度水平分布、照度变化和整个房间的照度均匀度来评价遮阳对建筑光环境的影响。

3 算例及结果分析

3.1 建筑模型描述

模型如图3所示，本文研究了两个几何形状和材质特性一致的办公房间，房间体积为长4m×宽4m×高2.5m，南面开窗面积为1.2m×2m，窗户玻璃为6mm厚透明白玻璃，一个玻璃表面有外遮阳百叶，一个没有遮阳百叶，其中遮阳百叶的具体特征和与窗户的位置关系如图3所示，其他遮阳百叶物理参数如表1。墙面传热系数0.71w/k*m2，每个室内办公人员为3人，电脑3台，同时设定上班时间为上午8点到下午17点。本文在模拟过程中，只考虑工作期间室内温度维持在23℃，其他时间则不提供空调制冷，即不计算工作之外的建筑能耗，同时考虑到空调制冷效率对能耗的影响，假设制冷机的能效比（EER）为3。室内全部采用人工照明所耗能量为50W。

选择光电联动控制的参考点高度为0.9m，每个房间选择两个点，在室内呈对角线分布（A0，B0），考虑到房间人员位置分布和照度需求，各个权重系数分别为0.5，参考照度为500lx。其中灯光控制分为4级，当室内参考照度不够500lx时，灯光则根据参考点照度大小进行分级控制。
表1：遮阳百叶物理性能

性质 大小 性质 大小
密度 2.7×103Kg/m3 太阳光反射率 0.7
热容 0.39J/Kg*K 可见光反射率 0.5
导热系数 5W/m*K 可见光透过率 0

           
图3 办公建筑模型示意图及遮阳百叶详细布置方式

其中上海地区典型夏季日（7月1日）室外温度变化如图4所示（2005年7月1日上海地区室外气温，数据由美国EergeyPlus官方网站下载得到）。温度变化范围在24.7℃～32℃之间，在工作期间，室内一直维持在23℃。本文运用ENERGYPLUS、RADIANCE及建模软件模拟了典型夏季日（7月1日）一天内有无遮阳办公房间的窗体得热量、空调制冷量、照明能耗、光电联动控制开关率、室内参照点照度及室内整体亮度分布水平。通过对这些参数进行比较和综合分析，得出遮阳对隔热和采光的影响，其具体数值下面分别作分析。
 
图4 典型夏季日（7月1日）室外温度

3.2 遮阳与隔热分析
 
图5 窗体逐时得热率及房间逐时制冷率

图5为典型夏季日的窗体逐时得热率和维持房间温度所需要的逐时制冷率。有遮阳时，窗体得热率从早晨8点50W开始增加，到下午13：30左右得热率高**，达到200W左右；没有遮阳时，窗体得热率从8点的180W左右逐渐增加到15点的420W左右，没遮阳的窗体得热率比有遮阳时高出1～2倍。其中窗体得热率从12点左右到13：30左右变化趋势为先降后升，这是因为窗体得热包括太阳直射辐射得热和温差传递导热得热，由于太阳高度角和方位角的变化，在中午12点前南向窗体可得到太阳直射得热，而在12点到12：30之间太阳高度角最大，对于南向窗户太阳直射辐射得热由于建筑屋顶的遮挡得热反而较少，而当太阳高度角再度变化时，窗户又能吸收太阳直射辐射得热，所以总的逐时得热曲线会形成一个凹槽，其中无遮阳窗体的得热率现象十分明显。从房间逐时制冷率来看，无遮阳窗体房间的制冷率从250W一直递增到450W，递增梯度大；有遮阳窗体的制冷率从170W递增到270W左右，递增梯度较缓，但是窗体得热率和制冷率在有遮阳时相差较大，没有遮阳时却相差较少，这是由于室内还存在室内热源（人员和电脑）和墙体得热，当有遮阳时，窗体得热只是其中总的得热的一部分，所以制冷率与窗体得热率相差较大，而没有遮阳时，窗体是室内主要的得热因素，所以逐时制冷率与逐时窗体得热率相差不大。通过两者之间的比较可以看出，无遮阳的窗体得热是房间制冷量的主要因素，采用遮阳能大幅度降低室内空调冷负荷。
 
图6 参考点A0、A1照度随时间变化曲线

图6 为参考点A0在有无遮阳两个办公房间中的照度水平分布，从整体上看，有遮阳的房间照度水平相对小，照度随时间变化较小，基本在500lx之间波动，而没有遮阳的房间照度水平大，照度变化梯度大。但是研究人员对办公室和车间等工作场所在各种照度条件下感到满意的人数百分比做过调查，发现随着照度的增加，感到满意的人数百分比也在增加，最大值约处在1500～3000lx之间[8]。从图中可以看出，没有遮阳时由于照度过高，高出比较舒服的照度分布内（1500～3000lx），所以室内光环境人员满意度也不高。通过遮阳设施后虽然遮挡光线降低了室内照度，但是照度随时间变化梯度得到改善，一定程度上改善了室内光环境。从另外一方面讲，通过活动的遮阳则可调节遮阳的角度来满足照度的需求，这样既能满足室内光环境照度需求，又能降低建筑空调能耗，是作者下一步的研究点。
 
图7 光电联控照明能耗率

图7为光电联动控制时，灯光能耗所占总灯光能耗的比值。从图中可以看出，当窗体系统有遮阳时，9点以前，需要75％的开灯率来满足照度的大小，从9点到13点左右，由于光线不是很强烈，室内需要开灯率为50％才能满足室内参照点照度在500lx以上，而13点到15点时，室外光线最强烈，即使有遮阳的遮挡，但是室外自然光就能满足室内照度的需要。随着室外光线的减弱，15点以人工照明逐渐增多，到16点以后，灯光要全部开启方能满足室内照度的需要；没有遮阳时，工作期间室内参照点照度基本在500lx以上，白天基本上不用开灯，但是从上面的分析中可以看出，由于无遮阳时照度过高，照度变化梯度大，使人眼睛不舒服，视觉疲劳，室内光环境不理想。同时建筑窗体得热过大，空调能耗增加，所以无遮阳窗体不是我们提倡的一种措施。

图8是一天内的窗体得热量和人工照明得热量，其中无遮阳的窗体得热率是最大的一部分，得热量为1025.8KJ，有遮阳的窗体得热量为427.3KJ，照明得热量为75.8KJ。采用遮阳措施后，窗体的得热量下降了58.3％。
 
图8 一天内房间各部分得热量

图9 一天内房间各部分能耗

考虑到空调制冷效率对能耗的影响，假设制冷机的能效比（EER）为3，图9则为一天内房间各部分能耗，有遮阳窗体的房间空调能耗是252.5KJ，照明能耗为151.5KJ，无遮阳房间空调能耗为406.5KJ，照明能耗理论上接近为0，所以，通过遮阳措施后，房间的空调能耗下降了37.9％，同时照明能耗上升了18.6％，总的建筑能耗下降了19.3％。

3.3 遮阳与采光分析
  
t=9:00:00 (无遮阳)             t=12:00:00(无遮阳)            t=15:00:00(无遮阳)
  
t=9:00:00 (有遮阳)             t=12:00:00(有遮阳)            t=15:00:00(有遮阳)
图10 典型夏季日（7月1日）房间室内亮度分布

图10为结合建模软件和RADIANCE软件对典型夏季日（7月1日）在不同时刻（t=9:00、t=12:00、t=15:00）室内亮度分布进行了模拟，没有采用遮阳时，室内亮度分布不均匀，太阳直射进入室内的光线部分亮度大，周边亮度小。同时红颜色区域由于太亮，这样会产生直接眩光或是VTD反射眩光；另一方面，从t=9:00到t=15:00，室内亮度变化随室外太阳高度角变化较大，这样在工作期间，由于亮度变化太快，在短的时间内眼睛不能适应亮度的剧烈变化从而容易产生疲劳，造成室内光环境下降。采用遮阳百叶以后，整个办公室内的照度均匀度得到了提高，除了屋顶由于遮阳板的反射可能会产生小部分的较高的亮度区域外，其他部分亮度分布基本较均匀。另外一方面，室外亮度变化较剧烈时室内平均照度变化不大，遮阳有效的控制了室外亮度变化对室内光环境的影响，从这两方面可以分析得出，遮阳的运用使室内光环境大大得到了改善。

4 结论

通过上面的计算模拟结果和比较分析，得出以下结论：

1、窗体没有遮阳构件时，室内冷负荷主要是由窗体系统得热引起的，遮阳能使建筑得热和空调能耗大大得到降低，在本文的研究中，窗体采用遮阳措施后，窗体得热量下降了58.3％，空调能耗下降了37.9％，照明能耗上升了18.6％，建筑总能耗下降了19.3％。

2、遮阳使室内光照度得到了降低，但是遮阳使室内照度整体分布变得均匀，室外照度变化剧烈时室内照度变化较小，从人员对照度水平分布和照度均匀度的要求方面来说，遮阳提高了建筑光环境。

邓天福，李景广，叶倩，叶剑军（上海市建筑科学研究院，建筑环境室，上海  201108）