百叶型外遮阳对建筑光热能耗影响的优化探讨

■ 宋德萱 SONG Dexuan 童晓泉 TONG Xiaoquan 周伊利 ZHOU Yili

1 绪论

外窗作为建筑节能的薄弱环节，在外立面安装百叶遮阳装置是常见措施。在炎热的夏季，百叶可以降低建筑制冷能耗；但在无需遮阳时，则会影响室内采光，增加照明能耗；而在寒冷的冬季，又会遮挡部分日照，增加采暖能耗。故从能量角度出发，如何平衡照明、制冷、采暖三部分能耗以最大限度地发挥遮阳百叶的节能效果，值得深入研究。

刘鸣飞等[1]以西安某居住建筑为例，证明水平外遮阳角度处于30～45°之间时，可以显著降低夏季空调能耗，同时兼顾室内良好的自然采光效果；姜俞龙等[2]对不同外遮阳百叶倾角条件下，计算出郑州某建筑全年采暖和照明的综合能耗；霍慧敏等[3]验证了外遮阳百叶与外窗玻璃的间距，对于室内能耗计算的影响小于2%，忽略装置与玻璃间距的遮阳模型具有可行性。崔艳秋等[4]通过模拟发现，适当增加叶片宽度或减小叶片间距，可降低夏季制冷能耗，提升室内采光均匀度；衡涛等[5]以深圳某南向教室为例，研究外遮阳百叶倾角与室内舒适度的关系，得出最佳倾角为30～60°；刘国丹等[6]通过EnergyPlus 模拟不同百叶倾角下，青岛某建筑的夏季室内热环境、光环境、综合能耗情况，从而确定最佳百叶遮阳角度；王锡[7]将百叶叶片到窗户的距离、叶片间距与尺寸、叶片倾角作为自变量，利用Honeybee 和Ladybug，对广州某办公建筑外遮阳百叶进行模拟，通过遗传算法迭代，得到帕累托解集，证明了算法优化的合理性及其对于建筑节能的实用价值；Kim Wonuk 等[8]利用遗传算法，寻找满足使用者光热舒适条件下的建筑最低能耗，在冬季3 个月使能耗下降13.7%；Bustamante 等[9]通过对弧形穿孔百叶系统的优化，实现了满足室内采光要求前提下的建筑能耗最低。

可见，现有关于百叶遮阳装置对室内能耗影响的研究，大多集中在特定时间或单一能耗；而以全年为周期，分析百叶对室内光热综合能耗的研究相对较少，分析精度也较低，且未考虑人工调节的可能性。基于此现状，本文通过对外遮阳构件在不同状态下的室内全年照明、制冷、采暖能耗进行模拟，寻找不同调控频率下外遮阳百叶倾角的最优解集。为控制变量，减少各类偶然因素的干扰，以提高研究的精准性，需选择一特征性明显，使用规律和相关建筑标准明确，且具有代表性的建筑类型作为分析案例。办公类建筑作为常见的建筑种类，使用时间规律性较强，且相关规范完善，故以其为代表，研究百叶型外遮阳对建筑室内全年光热综合能耗的影响。

2 无遮阳室内光热综合能耗

2.1 建筑参数设定

本研究采用的能耗模拟平台为Ladybug 和Honeybee。气象数据来源于中国标准气象数据库（CSWD）。根据《室内空气质量标准》（GB/T 18883—2002）相关规定，将夏季制冷温度设为26℃，冬季采暖温度设为20℃。本文以上海地区某多层内廊式办公建筑为例，取其中间层的南向标准间为研究对象，利用Grasshopper 建立模型（图1），房间开间和进深均为8 m，层高4 m，南侧为外墙面，其余三面均为内墙，外墙窗墙比为0.4，窗台高0.9 m，窗高2.4 m。

图1 南向标准间模型

由于该房间只有南面为气候开敞面，为避免楼板、内墙因气候开敞带来的热量大幅交换而导致误差增大，需在该单间外包裹一更大的、具有同样建筑材质的单体，以更接近真实建筑环境，且外包部分长、宽、高均为单间的2 倍。建筑外墙构造从外向内分别设定为20 mm 厚水泥砂浆、200 mm 厚加气混凝土砌块、50 mm 厚聚苯乙烯泡沫板（EPS板）、15 mm 厚水泥砂浆；内墙为15 mm 厚水泥砂浆、200 mm 厚加气混凝土砌块、15 mm 厚水泥砂浆；天花板与地面均为15 mm 厚水泥砂浆、100 mm 厚钢筋混凝土、15 mm厚水泥砂浆；房间外包部分四周墙体按照单间外墙构造设定，屋顶与地面按照单间楼地面构造设定。窗户玻璃选用中空玻璃构造，从外向内分别为6 mm 厚清玻璃、13 mm 厚空气层、6 mm 厚清玻璃。根据《建筑照明设计标准》（GB 50034—2013），房间内各部分反射比设定为：地面0.2、天花板0.8、内墙面0.5；照明功率密度值设定为11 W/m2，人工照明调光为两档。房间内共设置16 个照度值监测点，间距2 m，距地面高度0.75 m；当对应监测点照度低于300 lx 时开启室内的人工照明。根据《办公建筑设计标准》（JGJ/T 67—2019）：人员密度设为6 人/m2，人体新陈代谢率为1.2 met（即70 W/m2，静坐办公状态），设备用电荷载为15 W/m2，外围护结构空气渗透率为0.000 3 m2/（s·m2），换气频率为1 次/h。

实际情况中，建筑在有人使用时均会产生能耗，但本文研究的重心在于外遮阳百叶对室内光热能耗的影响，故所需研究的时间段应满足：①建筑处于使用状态；②室内光热环境受到太阳辐射影响。由于大气折射，天亮至日出之间、日落至天黑之间的时间段内仍有明显光照，故以此为依据，每月的天亮与天黑时间取月中当日或月中两日的均值。根据中央气象台网站数据，结合人员出勤情况及能耗计算的时间精度，逐月分析时间段（表1）。

表1 逐月分析时间

2.2 外遮阳百叶参数设定

外遮阳百叶整体外轮廓尺寸与窗户尺寸相同，材料为磨砂阳极氧化铝合金，反射率0.6、透射率0、发射率0.55、厚度3 mm、导热率150 W/(mk)；百叶距离窗户50 mm，叶片宽度200 mm、长度同窗宽，间距200 mm，偏转角度±90°（水平状为0°，向上倾斜为正，向下为负）。以1 年为周期，人工调控频率设定为0 次、2 次、4 次、6 次、12 次。调控精度即叶片倾角调整时的单位角度值，设为10°，此时90°与-90°叶片状态相同，故将角度范围设定为-90～80°，共18个值。

2.3 室内光热能耗

由于设定的全年百叶调控频率最大为12 次，为后续可进行单项能耗的逐月比对，对无遮阳条件下的照明、制冷、采暖能耗分别进行逐月计算。以无遮阳状态下室内光热能耗为基准值，与不同遮阳状态下室内光热能耗组成情况进行对比。

Honeybee 的运算器Annual Daylight Simulation 可对逐个测试点的照度进行计算，并结合房间内的照度值监测点，判定是否需要开启人工照明。人工照明的控制可通过Lighting Control Recipe 和Daysim Occupancy Generator 等运算器完成，并结合Daysim Electrical Lighting Use 等运算器统计出对应时间段内的照明能耗。制冷、采暖能耗主要通过Honeybee 中的Run EnergyPlus Simulation 运算器调用EnergyPlus 能耗模拟引擎，并根据设定时间段，进行逐月计算（表2）。

从表2 可以看出，分析时段内逐月照明能耗总体先升高后降低，全年照明总能耗为1 766.6 kWh；制冷能耗主要集中于6—9 月，其中7 月最高，超过全年比重的1/3，全年制冷总能耗为3 578.43 kWh；采暖能耗主要集中于12 月至次年3 月，其中1 月最高，也超过全年比重的1/3，全年采暖总能耗为1 714.72 kWh。由此可得：无遮阳条件下，室内全年照明、制冷、采暖能耗总量为7 059.75 kWh，三者比例约为1∶2∶1。

表2 无遮阳室内逐月照明、制冷、采暖能耗单位：kWh

3 不同遮阳条件下室内光热能耗分项研究

3.1 照明能耗

照明能耗的计算和寻优分两步，即：首先计算出不同倾角条件下的室内逐月照明能耗；再对计算结果进行比对，寻求单照明要素下的最优倾角解集。

经计算，不同百叶倾角对应的室内逐月照明能耗如表3 所示。将不同百叶倾角对应的逐月照明能耗进行累加：最低值为1 687.4 kWh，对应倾角20°，比无遮阳情况下的照明能耗下降4.48%；最高值为2 394.3 kWh，对应倾角-90°，比无遮阳情况下的照明能耗上升35.53%；两者差值706.9 kWh，且不同倾角对应照明能耗从20°向两侧逐渐升高（图2）。

图2 不同百叶倾角的室内照明能耗变化图

表3 不同百叶倾角的室内逐月照明能耗

室内照明能耗受到室外入射光强弱、角度、时间等因素影响，而由于太阳运动轨迹的变化，对应的最佳百叶倾角也会出现变化。当百叶倾角可调时，全年最低照明能耗为1 683.9 kWh，最高为2 394.3 kWh。最低能耗对应倾角解集为：1—3 月 呈10°，4—8 月呈20°，9—12 月呈10°，相较于全年单一倾角（20°）的最低能耗值降低3.5 kWh，约0.21%；较无遮阳状态下的照明能耗下降82.7 kWh，约4.68%，这是由于氧化铝合金叶片具有一定的反射性，将部分阳光反射至顶棚，增加了室内深处的漫反射强度。此现象在9 月叶片倾角为10°时最显著。

3.2 室内制冷能耗

与照明能耗不同，室内制冷只在部分月份（3—10 月）产生能耗。对不同百叶状态下的室内逐月制冷能耗进行模拟（表4），并根据结果寻求单制冷要素前提下的最优倾角解集。

表4 不同百叶倾角的室内逐月制冷能耗

从表4 可看出，3 月和4 月制冷能耗水平最低，是由于此时室外平均干球温度较低，室内温度超过26℃的热量主要来自于直射阳光，使百叶的遮挡对于降低室内制冷能耗作用显著。当叶片倾角处于20～70°时，能耗降幅最小，此时出现叶片方向与阳光入射方向平行的概率最大，该现象在10 月、倾角为50°时最为明显，制冷能耗降幅不足8%。7 月和8 月的室内制冷能耗达到全年峰值，且此时室外平均干球温度超过27℃，壁面热辐射对于空调功率和开启率的影响大幅增加，由直射光造成的室内升温比例相对下降，百叶叶片对于降低制冷能耗的作用也随之减少。

将不同百叶倾角对应的逐月制冷能耗进行累加，最低值为2 798.65 kWh，对应倾角为-90°；最高值为3 217.28 kWh，对应倾角为50°；两者差值418.63 kWh（图3）。其最低值和最高值相对于无遮阳情况下的制冷能耗分别下降21.79%、10.09%。

图3 不同百叶倾角的室内制冷能耗变化图

制冷能耗最优的逐月百叶倾角解集表明：水平百叶闭合程度越高，越有利于降低制冷能耗。当百叶倾角可调时，全年最低制冷能耗为2 798.65 kWh，最高为3 291.79 kWh，相较于无遮阳情况下的能耗分别下降21.79%、8.01%；最低能耗对应倾角解集为3—10 月，均呈-90°。

3.3 室内采暖能耗

与制冷能耗类似，室内采暖也只在部分月份（1—5 月、10—12 月）产生能耗。对不同百叶倾角状态下的逐月采暖能耗进行计算（表5），并根据结果寻求单采暖要素下的最优倾角解集。

从表5 可看出，5 月采暖能耗最低，1 月采暖能耗最高。当水平百叶的倾角处于30～50°范围时，对应的采暖能耗最低，其平均增幅在10%上下；当叶片倾角为-90°时，采暖能耗增幅最高，除3 月外，均超过30%。

表5 不同百叶倾角的室内逐月采暖能耗

将不同百叶倾角对应的逐月采暖能耗进行累加：最低值为1 874.79 kWh，对应倾角40°；最高值为2 513.37 kWh，对应倾角-90°；两者差值638.58 kWh（图4）。其最低值和最高值相较于无遮阳情况下的采暖能耗分别上升9.34%、46.58%。

图4 不同百叶倾角的室内采暖能耗变化图

采暖能耗最优的逐月百叶倾角解集在10～50°范围内，表明叶片倾角越平行于太阳光入射方向，越有利于降低采暖能耗。当百叶倾角可调时，全年最低采暖能耗为1 854.89 kWh，最高为2 513.37 kWh，相较于无遮阳情况下的能耗分别增加8.17%、46.61%；最低能耗对应倾角解集在10～50°之间波动。

4 调控频率与最优光热综合能耗

4.1 不同调控频率光热综合能耗寻优

将不同条件下的室内光热综合能耗数值进行分类汇总，得到不同月份、不同叶片倾角对应的能耗数值变化情况（图5）。

图5 不同叶片倾角的室内光热综合能耗变化图

与无遮阳相比，18 组不同倾角中，总能耗下降的仅占4 组，其余14 组倾角对应的光热综合能耗均出现不同程度上升。其中，当叶片倾角为30°时，对应全年光热综合能耗最低（6 836.29 kWh），相较于无遮阳条件下的光热综合能耗7 059.75 kWh，降幅3.17%；当叶片倾角为-80°时，对应全年光热综合能耗最高，增幅9.24%。可见对于水平遮阳百叶而言，全年保持同一倾角，并不一定能够实现建筑节能的目的；若角度设定不当，甚至会增加建筑能耗。

根据上述分析，可判定当叶片倾角调控频率为0 次时，外遮阳水平百叶最佳角度为30°，对应节能率为3.17%。在调控频率不为0 的4 种频率中，当调控频率为12 次时，调控时间为每月1 日；而其余3 种均需确定首次调控时间，可能性如表6 所示。经分析可得，不同调控频率下，室内全年最优光热综合能耗与降幅如表7 所示，此时最优倾角解集如图6所示。

图6 不同调控频率对应最优倾角解集

表6 水平遮阳不同调控频率对应首次调控时间

表7 不同调控频率对应最低光热综合能耗与能耗降幅

4.2 分项能耗

以不同调控频率的百叶倾角最优解集为调控依据，将水平遮阳的室内全年光热综合能耗还原为照明、制冷、采暖能耗三项，与无遮阳条件下的数据进行对比，可得出对应能耗的增减情况（表8、图7）。

表8 不同调控频率对应分项能耗

从 表7、8 及 图7 可以看出：①在本研究设定的水平遮阳条件下，随着调控频率的增大，室内最优光热综合能耗降幅总体逐渐扩大（除调控频率为6 次时的降幅略低于4次）；②水平百叶对降低室内制冷能耗有显著作用，不同调控频率对应的最优倾角解集，平均可降低制冷能耗16.94%，但也会增加照明能耗5.66%、采暖能耗10.73%，由于制冷能耗占比最大，增减相抵后，最终仍可小幅降低光热综合能耗。

图7 不同调控频率对应分项能耗增减率

5 结论与展望

本文从定量的角度，证明水平百叶外遮阳装置对节约建筑夏季制冷能耗具有积极意义，但也会显著增加全年照明和采暖能耗。结果表明：当全年采用单一倾角时，20°对应的室内照明能耗最低，较无遮阳状态下降4.48%；-90°对应室内制冷能耗最低，较无遮阳状态下降21.79%；40°对应的室内采暖能耗最低，较无遮阳状态上升9.34%；若对百叶倾角进行人工调整，全年调控频率0次、2 次、4 次、6 次、12 次，对应的室内最低光热综合能耗降幅分别为3.17%、4.16%、4.99%、4.96%、5.54%。以上结论建立在节能优先的前提下，百叶系统的实际状态还需考虑使用者视野、偏好、眩光等其他诸多要素。同时，由于不同建筑类型的相关标准不同，以及管理水平和人员习惯差异，百叶型外遮阳所能发挥的效果也可能产生相应变化。

当前百叶遮阳装置的应用大多仍停留在非智能化阶段，即百叶倾角具备调节能力，但因成本限制，无法根据气候与时间因素进行自动调节。未来随着成本优化和技术水平提升，或许会有越来越多的外遮阳百叶安装智能调节系统，以获得最佳的节能效果和室内光热环境。