百叶外遮阳对办公建筑光热环境及综合能耗影响研究

梁树维，刘国丹，纪铱行，滕 润，王志欣，李传锐(青岛理工大学 环境与市政工程学院，青岛 266033)

目前，办公建筑多采用玻璃幕墙，较大的窗墙比可以保证室内的良好采光，但更多的太阳光透过玻璃射入室内，影响室内的光热环境及耗能水平.在建筑设计中，合理有效利用太阳辐射，不仅可以营造健康舒适的室内环境，还能够减少对耗能设备的依赖，有效降低建筑能耗[1].冬季，太阳辐射是得热量的一部分，可以抵消部分建筑耗热量；夏季，太阳辐射则会增大冷负荷.此外，合理利用太阳光能，也可以降低照明能耗，但需考虑眩光引起的不适感[2].通常人们会采用遮阳措施满足不同光照需求[3-4].

建筑遮阳方式依据遮阳构件形式不同可以分为5种：水平式、垂直式、综合式、挡板式以及百叶式.其中，百叶式遮阳结构简单，可调节叶片转角，满足不同遮阳需要，在办公建筑中应用较为广泛.刘国丹等[5]通过Ecotect软件对不同遮阳形式进行了采光系数与照度水平的模拟，指出百叶遮阳形式对室内采光更为有利.帅庆源等[6]利用DEST软件分析了百叶窗遮阳在我国不同地区对全年采暖及制冷能耗的影响.ERELL等[7]研究了不同的遮阳控制策略下办公室的采光性能，发现在各种遮阳措施中，使用水平百叶遮阳并且按照一定的规律来调节百叶角度可以使室内光环境达到较好的视觉舒适度.管玲俐等[8-9]采用EnergyPlus软件模拟了南向和西向不同百叶开启度下各季节建筑能耗及眩光值，得出了夏热冬冷地区不同季节百叶外遮阳的最优开启度.百叶遮阳可作为内外遮阳措施，外百叶遮阳可直接阻挡太阳辐射进入室内，并且百叶与窗户之间的流动空气可以带走部分热量，在夏季就可以有效减少进入室内的热量[10-12]；内百叶遮阳不能直接阻隔太阳辐射进入室内，并且在百叶和玻璃之间会形成热岛效应，热量很容易向室内扩散，不能较大限度地减少进入室内的辐射热量，所以内百叶遮阳对房间负荷的影响相当小[13].

前述内容基本是研究百叶外遮阳对单一光环境或热环境及其能耗的影响，本文着重研究百叶外遮阳对光热环境及综合能耗的影响.由于不同季节太阳高度角和方位角不同，南向房间在冬季的太阳得热最多，西向房间在夏季的“西晒”现象格外明显，因此，本文着重分析了夏季西向房间和冬季南向房间的光热环境及综合能耗变化，利用EnergyPlus软件建立了1个标准房间模型，模拟地点选取青岛市，设置夏季朝

向为西向，冬季朝向为南向，模拟房间在不同角度百叶外遮阳下的光热环境及综合能耗，量化不同角度下百叶外遮阳对办公建筑光热环境及综合能耗的影响.

1 软件模拟

1.1 模型的建立

建筑模型长8 m、宽8.6 m、高3.9 m，窗墙比为0.67，窗台高度为0.4 m(图1).

图1 建筑模拟模型

1.2 模型参数设定

模型各项参数设定如表1所示.

表1 模型各项参数

外百叶模型如图2所示.

图2 室外百叶倾角模型w—百叶宽度；d—百叶间距；θ—百叶角度；s—百叶距墙距离

1.3 模拟输出的参数

软件模拟需要输出的参数有：眩光指数、照度、平均辐射温度(MRT)、直射区和非直射区的预测热感觉投票(PMV)、制冷能耗、照明能耗、采暖能耗等.

2 夏季典型日西向房间不同角度百叶外遮阳对光热环境及综合能耗影响结果分析

2.1 光环境结果分析

夏季典型日不同角度百叶外遮阳西向房间近窗处(1 m)眩光指数(DGI)及照度的模拟结果如图3和4所示.

结合图3和4可以分析出夏季典型日不同角度百叶外遮阳下西向房间光环境的优劣情况.根据《建筑采光设计标准》(GB 50033—2013)规定，办公建筑的照度水平为500 lx，眩光指数DGI不大于28，DGI为22是可以接受的基准线.在模拟的5种百叶角度下，各角度下近窗处的眩光指数和照度随着时间的推移，在14：00以后开始发生较大转变，这是由于房间窗户为西向，14：00以后太阳光可以更多地照射入室内.在15：00后，太阳基本接近直射西向窗户，百叶角度θ=150°时，更多地是把太阳光线反射到室外，随着时间推移，太阳高度角下降，进入室内的光强度就逐渐减少，所以照度和眩光指数逐渐下降；百叶角度θ=120°时，进入室内的光照强度在14：00—16：00时间段内逐渐增加，在16：00后基本保持不变，这是由于在这段时间太阳直射西向房间，此角度对太阳光的遮挡作用不大导致.各角度下近窗处的照度在工作时间段内均满足建筑自然采光水平.百叶角度θ为120，150°时，眩光指数在14：00—16：00左右超过可接受的设计标准值22，光环境变差.总的来看，30，60，90°3种百叶角度下，夏季西向房间的光环境水平较优.

2.2 热环境结果分析

经计算得出夏季典型日不同角度百叶外遮阳西向房间平均辐射温度(MRT)的不均匀系数如图5所示.

经过计算得出夏季典型日不同角度百叶外遮阳西向房间直射区和非直射区不同时间点的预测平均热感觉投票(PMV)(图6、图7).

结合图5—7可以分析出夏季典型日不同角度百叶外遮阳西向房间热环境的优劣情况.根据文献[14]，PMV为0是热舒适状态，并且平均辐射温度的均匀性越好，室内的热环境水平就越优.在模拟的5种角度下，各角度MRT的不均匀系数随着时间推移，在14：00后逐渐增大，这是由于14：00太阳光逐渐直射西向窗户，室内的近窗处的光照强度增强，导致室内的光照强度不均匀.各角度下直射区和非直射区的PMV在14：00后逐渐升高，室内偏离舒适区，这是由于14：00后从西向窗户进入室内的光照强度增加，进入室内的热量增加，使室内温度升高导致PMV升高.30，60°2种百叶角度下的室内热环境水平要优于90，120，150°.其中，120，90° 2种情况下在下午会比上午的热环境变化更大、更不舒适.

2.3 综合能耗结果分析

夏季的综合能耗是制冷能耗和照明能耗之和，分析不同角度百叶外遮阳下夏季西向房间综合能耗，如图8所示.

从图8中可以看出，百叶角度θ=90，120，150°下综合能耗随着时间的推移，能耗逐渐增加，在14：00之后变化更加快，这是由于14：00后太阳开始直射西向窗户，进入室内的照度和热量都增加，但是带来的冷负荷占比更大，所以制冷能耗增加远大于照明能耗降低量，综合能耗上升更明显.夏季30，60°百叶外遮阳西向房间的综合能耗在12：00之前明显高于其他角度，这是由于夏季30，60°百叶外遮阳房间的照明能耗较高的原因导致的.在14：00左右阳光照射进入室内之后，30°百叶外遮阳房间的综合能耗最小，120°百叶外遮阳房间的综合能耗最大.

3 冬季典型日南向房间不同角度百叶外遮阳对光热环境及综合能耗影响结果分析

3.1 光环境结果分析

冬季典型日不同角度百叶外遮阳南向房间近窗处(1 m)眩光指数(DGI)及照度的模拟结果如图9和10所示.

结合图9和10可以分析出冬季典型日不同角度百叶外遮阳下南向房间光环境的优劣情况.在模拟的5种百叶角度下，眩光指数在10：00—15：00的变化范围基本不大，在16：00以后，由于太阳对南向的照射已很小，所以眩光指数开始下降.各角度下近窗处的照度在工作时间段内均满足建筑自然采光水平.百叶角度θ=30，60，90°的照度水平随时间变化幅度极小，接近稳定；百叶角度θ=120，150°的照度水平较高，并且波动较大，在这2种百叶角度下，透过百叶间隙进入室内的光线和由百叶反射的光线综合作用造成此结果.百叶角度θ=120，150°时，眩光指数基本在整个工作时间段内超过设计标准值22，θ=90°下眩光指数在某些时间段超过标准值，光环境变差.总的来看，30，60° 2种百叶角度下冬季南向房间的光环境水平较优，90°下基本满足要求，120，150°下光环境较差.

3.2 热环境结果分析

经计算得出冬季典型日不同角度百叶外遮阳南向房间平均辐射温度(MRT)的不均匀系数如图11所示.

经过计算得出冬季典型日不同角度百叶外遮阳南向房间直射区和非直射区不同时间点的PMV(图12、图13).

结合图11—13可以分析出冬季典型日不同角度百叶外遮阳南向房间热环境的优劣情况.在模拟的5种角度下，MRT的不均匀系数随着时间变化呈现波动变化，这是由于在百叶遮挡下，各部位的MRT随着时间均有变化.各角度下直射区的PMV有波动上升趋势，因为进入室内的热辐射增加，PMV升高，其中120°变化较剧烈，这是由冬季的太阳高度角较低导致.各角度非直射区下的PMV略有上升趋势，变化基本不大.30，60°百叶角度下室内平均辐射温度较其他角度下更均匀，尽管其对应室内PMV小于其他角度下PMV，但其舒适性水平会更优一些.90，120，150°百叶角度下室内PMV随着时间的波动变化较大，会使人产生不断的冷热变化感觉，较不舒适.

3.3 综合能耗结果分析

冬季的综合能耗是采暖能耗和照明能耗之和，分析不同角度百叶外遮阳下冬季南向房间综合能耗，汇总如图14所示.

从图14中可以看出，各百叶角度下房间综合能耗在14：00之前随着时间推移逐渐下降，14：00之后逐渐上升，这是由于在10：00—14：00，南向房间的太阳辐射强度逐渐增加，对应的采暖能耗和照明能耗需求均下降，在14：00以后，太阳方位变化导致通过南向窗户入射的太阳辐射强度减弱，对应采暖能耗需求逐渐增加，照明能耗变化不大，综合能耗需求逐渐上升.120°百叶角度下冬季南向房间的综合能耗最小，30°百叶角度下冬季南向房间的综合能耗最大.在14：00时太阳辐射强度最大，室内日射得热最高，热负荷最低，采暖能耗最低，所以此时综合能耗最低.

4 结论

本文利用EnergyPlus软件模拟了青岛市某办公建筑的光热环境及综合能耗，量化了不同角度百叶外遮阳下夏季西向房间、冬季南向房间的光热环境评价数值及综合能耗数值.青岛处于寒冷地区，此研究可为寒冷地区的其他城市提供参考，其他气候区亦可借鉴该研究方法进行探究.本文的主要结论如下：

1) 对于夏季西向房间，不同角度百叶外遮阳下房间近窗处的照度在工作时间段内均满足建筑自然采光要求，即大于500 lx；30，60，90°3种百叶角度下，眩光指数小于28，夏季西向房间的光环境水平较优.

2) 对于夏季西向房间，30，60°百叶角度下MRT不均匀系数要小于其他角度，并且30，60°百叶角度下直射区和非直射区的PMV更接近0；30，60°2种百叶角度下的室内热环境水平要优于90，120，150°，其中，120，90°2种情况下在下午会比上午的热环境变化更大、更不舒适.

3) 对于夏季西向房间，30，60°百叶外遮阳西向房间的综合能耗在12：00之前明显高于其他角度.在14：00之后，30°百叶外遮阳房间的综合能耗最小，范围为0.7～0.75 kW·h，120°百叶外遮阳房间的综合能耗最大，范围为0.73～0.94 kW·h.

4) 对于冬季南向房间，不同角度百叶外遮阳下房间近窗处的照度在工作时间段内均满足建筑自然采光要求，即大于500 lx；30，60°2种百叶角度下，眩光指数小于28，冬季南向房间的光环境水平较优，90°下基本满足要求，120和150°下眩光指数大于28，光环境较差.

5) 对于冬季南向房间，30，60°百叶角度下室内平均辐射温度较其他角度更均匀，尽管其对应室内PMV小于其他角度下PMV，但其舒适性更优.90，120，150°百叶角度下室内PMV随着时间的波动变化较大，会使人产生不断的冷热变化感觉，较不舒适.

6) 对于冬季南向房间，120°百叶角度下房间的综合能耗最小，范围为0～0.7 kW·h，30°百叶角度下房间的综合能耗最大，范围为0.5～1.25 kW·h.