摘要：采用能耗模拟软件Energyplus对重庆地区南向外窗水平外遮阳进行模拟研究，包括单遮阳板适宜的外挑系数，多遮阳板(双遮阳板、三遮阳板)与单遮阳板的性能比较，遮阳板对照明电耗的影响，多遮阳板对室内采光的影响。单纯考虑太阳直射辐射时，单遮阳板的外挑系数宜控制在0.3左右。在相同外挑系数下，多遮阳板的遮挡效果优于单遮阳板。单遮阳板、多遮阳板基本不影响照明电耗。多遮阳板能够改善室内自然采光的均匀性。

关键词：南向外窗；  水平外遮阳；  遮阳板；  外挑系数；  太阳辐射；  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

建筑外遮阳可分为水平式遮阳、垂直式遮阳、综合式遮阳、挡板式遮阳，不同的遮阳形式适用于不同朝向，而中国建筑大多坐北朝南，加之水平式遮阳易于实现，因此南向水平外遮阳成为我国建筑外遮阳设计中的主流。南向水平外遮阳设计的优劣不仅影响供暖、空调、照明能耗，也对室内光环境有着重要影响，针对这方面的研究国内外也比较广泛。郑清容等人^[1]分析了广州地区建筑水平外遮阳对冷负荷的影响。周荃等人^[2]进行了广州地区建筑水平外遮阳对室内采光的影响研究，指出通过合理的构造设计、尺寸设计和材料选择，如增加导光板可以兼顾遮阳和采光的双重需求。王斌等人^[3]采用Energyplus等模拟软件，分析了夏季南向窗太阳辐射得热问题，考虑水平外遮阳板外挑长度对建筑供暖、空调负荷的影响，得到水平外遮阳板最佳设计尺寸。李峥嵘等人^[4]采用模拟耦合计算室内照度与窗体能耗的方法，以上海为研究区域，针对南向窗，分析了水平、垂直外遮阳板以及卷帘等不同遮阳装置引起的照明电耗和制冷能耗，并由此评价不同遮阳装置的节能效果。H.A.Hussain等人^[5]对南向垂直与水平外遮阳进行了综合考虑照明和空调能耗的节能模拟分析。唐鸣放等人^[6]、连大旗^[7]对重庆市水平外遮阳板尺寸及各朝向的遮阳设计策略进行了研究。HUANG Yu等人^[8]从全生命周期的角度探讨了某校园建筑节能改造项目是否采用水平外遮阳。

单纯考虑制冷能耗时，水平外遮阳板的外挑长度越长越好。但过长的外挑长度易削弱冬季房间的太阳辐射得热量，增加供暖热负荷。外挑长度过长易导致房间采光不足，使照明电增加，在夏季增加了冷负荷。另外，遮阳板外挑长度也不宜过短，过短的遮阳板无法有效地遮挡太阳光，造成室内采光不均匀。因此，水平外遮阳板的设计必须综合考虑供暖、空调、照明等因素，以确定最佳的外挑长度。然而不同纬度地区对水平外遮阳板尺寸要求是不同的，即使在同一纬度地区，遮阳形式也不应完全照搬，如重庆、上海地区，虽同属夏热冬冷地区，纬度在30°左右，但重庆地区的大气透明度较低，散射辐射量明显高于上海地区，因此遮阳形式应有所不同。本文对重庆地区南向外窗水平外遮阳相关问题进行模拟研究。

2 研究方法及内容

以长×宽×高为4 m×4 m×3 m的房间作为模型，外窗宽×高为2.0 m×l.5 m，窗台高0.9 m，玻璃为Energyplus软件默认的一种单层玻璃，太阳光透过率为0.33，反射率为0.62。水平外遮阳板沿外窗上檐安装，无横向延伸。照明功率密度为11 W／m²，遮阳板上下表面反射率均设定为0.2。其他参数采用Energyplus软件的默认参数。为研究水平外遮阳板的遮阳效果，采用Energyplus软件对以下内容进行模拟，透过基准窗(不带水平外遮阳板)、遮阳窗(带水平外遮阳板)的太阳总辐射量、太阳直射辐射量、太阳散射辐射量的全年逐时值。并采用Excel制图表分析数据，比较遮阳效果。

对于沿外窗上檐安装的遮阳板，外挑系数定义为遮阳板外挑长度(对于多遮阳板，为各遮阳板外挑长度之和)除以窗高。当外挑系数大于0时，为遮阳窗。当外挑系数为l时，表示遮阳板的外挑长度与窗高相等。

设定空调期为6-9月，供暖期为l2、1、2月。太阳辐射遮挡率β的计算式为：

式中 β——太阳辐射遮挡率

     E_b——透过基准窗的太阳辐射量，J

     E_s——透过遮阳窗的太阳辐射量，J

当太阳辐射量分别取总辐射量、直射量、散射量时，可由式(1)分别计算得到太阳总辐射遮挡率β_t、太阳直射遮挡率反、太阳散射遮挡率β_s。从模拟结果中提取各月基准窗和不同外挑系数下遮阳窗的太阳直射辐射量，计算不同外挑系数下的太阳直射遮挡率。

研究内容包括：单遮阳板适宜的外挑系数；多遮阳板(包括双遮阳板、三遮阳板)与单遮阳板的性能比较；遮阳板对照明电耗的影响；多遮阳板对室内采光的影响。

3 模拟结果与分析

3.1 单遮阳板适宜的外挑系数

单遮阳板情况下各月太阳直射遮挡率计算结果见表l。由于各月太阳高度角的不同，导致太阳直射量的差异，最终反映到各月太阳直射遮挡率的不同。

由表l可知，单遮阳板对太阳直射光的遮挡效果比较明显，当外挑系数在0.3以上时，空调期(6-9月)的太阳直射遮挡率都达到了50％以上。尤其是当外挑系数为0.3时，6月太阳直射遮挡率达到了91.2％。对于供暖期(12、1、2月)，太阳直射遮挡率不宜过大。因此，当只考虑太阳直射辐射时，单遮阳板的外挑系数宜控制在0.3左右。

3.2 多遮阳板与单遮阳板的性能比较

进入外窗的太阳总辐射量包括直射辐射量、散射辐射量，重庆地区南向外窗的太阳散射辐射量占总辐射量的82％，而其他夏热冬冷地区的太阳散射辐射量占总辐射量的60％左右。这主要是由于重庆地区大气透明度较低，削弱了太阳直射辐射量。因此，对于重庆地区的南向外窗水平外遮阳，不应仅考虑太阳直射辐射量，而应考虑太阳总辐射量。

太阳光进入室内的途径主要有两种：直接射入的太阳光；来自天空、地面及其他物体漫反射形成的散射光。在外窗上檐设置遮阳板可有效遮挡大部分直射光和少部分来自天空的散射光，但无法遮挡来自地面及其他物体的散射光。光线到达地面后的漫反射效果见图l。由图1可知，太阳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块或多块遮阳板，那么投射到顶端遮阳板下表面的散射光可基本被挡住，但遮阳板过多将影响

室内的采光和视野。同一外挑系数下南向外窗分别设置单、双遮阳板的遮挡效果比较(夏至日10：O0)见图2。由图2可知，设置双遮阳板也能加强对直射光的遮挡。当直射光从非正南入射时，第二遮阳板能够有效地削弱进入室内的太阳直射光，并且能将投射到下遮阳板的直射光以漫反射的形式投射到室内深处，加强室内深处的采光效果。

规定多遮阳板(双遮阳板、三遮阳板)各遮阳板的外挑长度相等，且各遮阳板在外窗高度方向平均分配。空调期、供暖期单遮阳板、双遮阳板、三遮阳板的平均太阳直射遮挡率比较分别见图3、4。由图3可知，三遮阳板的空调期平均太阳直射遮挡率高于单遮阳板，当外挑系数超过0.3时，三遮阳板的空调期平均太阳直射遮挡率超过80％，最高达到93％，比单遮阳板高出10％。当三遮阳板的外挑系数超过0.5时，空调期平均太阳直射遮挡率基本无增长趋势。由图4可知，由于供暖期太阳高度角较低，三遮阳板的供暖期平均太阳直射遮挡率远低于夏季，当外挑系数小于0.5时，单遮阳板与三遮阳板的供暖期平均太阳直射遮挡率差别很小，超过0.5时，差距逐渐出现，但不超过10％。

空调期、供暖期单遮阳板、双遮阳板、三遮阳板的平均太阳散射遮挡率比较分别见图5、6。由图5、6可知，太阳散射遮挡率随着遮阳板外挑系数的增大而增大，由于散射的无方向性，因此太阳散射遮挡率不会很高。三遮阳板的空调期、供暖期平均太阳散射遮挡率均高于单遮阳板，这主要是由于三遮阳板更多地遮挡了来自地面及地面上其他物体漫反射形成的散射光，且外挑系数越大遮挡效果越明显。

空调期、供暖期单遮阳板、双遮阳板、三遮阳板的平均太阳总辐射遮挡率比较分别见图7、8。由图7、8可知，空调期、供暖期平均太阳总辐射遮挡率与平均太阳散射遮挡率变化趋势一致，这说明进入南向外窗的太阳辐射量以散射辐射量为主，为降低空调能耗，应更加注重散射光的遮挡。

3.3 遮阳板对照明电耗的影响

为研究遮阳板对照明电耗的影响，在模型中添加Daylighting Control的控制方式，即根据工作面上选取的控制点要求照度控制照明输入功率。在距地高度0.8 m，设置100(10×10)个照度监测点，监测点间距为0.44 m，形成一个工作面，基本覆盖整个房间。将距外窗中心处l.5 m作为控制点，设定控制点要求照度为300 lx，不足照度由照明设备补充。采用遮阳窗时的照明电耗增加率y的计算式为：

式中 γ——照明电耗增加率

     W_s——采用遮阳窗时的照明电耗，kW·h

     W_b——采用基准窗时的照明电耗，kW·h

不同外挑系数下，单遮阳板、双遮阳板、三遮阳板的照明电耗增加率计算结果见表2。由表2可知，遮阳板的外挑系数和形式对于照明电耗的影响不大，照明电耗的增加率不超过5％，这主要是由于控制点靠近外窗，全年大部分时间的照度高于300lx。

3.4 多遮阳板对室内采光的影响

为研究设置多遮阳板对室内采光的影响，模拟了工作面在自然采光条件下的各监测点照度。由模拟结果可知，对于多遮阳板，由于第二或第三遮阳板上表面的漫反射，使得远离外窗的工作面能够接受更多的光线，提高了整个房间采光的均匀性。

4 结论

①单纯考虑太阳直射辐射时，单遮阳板的外挑系数宜控制在0.3左右。

②在相同外挑系数下，多遮阳板的遮挡效果优于单遮阳板。

③单遮阳板、多遮阳板基本不影响照明电耗。

④多遮阳板能够改善室内自然采光的均匀性。

参考文献：

[1] 郑清容，丁云飞，吴腾飞.广州地区建筑水平外遮阳节能潜力分析[J].广州大学学报，2008(6)：69-72.

[2] 周荃，杨仕超.广州地区建筑水平外遮阳对室内采光影响研究[J].广东土木与建筑，2011(6)：15-18.

[3] 王斌，张樱子.西安地区办公建筑南窗水平遮阳研究[J].建筑节能，2009(8)：27—29.

[4] 李峥嵘，潘欣钰，冯闻，等.基于光热性能的南向遮阳措施节能降耗模拟研究[J].建筑节能，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] 唐鸣放，王丹妮.重庆地区窗户外遮阳能效分析[J].建筑科学，2007，23(6)：60-63.

[7] 连大旗.重庆地区建筑水平外遮阳的效果和策略研究(硕士学位论文)[D].重庆：重庆大学，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：刘猛 胡铁军 李文龙

作者单位：重庆大学城市建设与环境工程学院  重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室