建筑遮陽效果的實(shí)驗(yàn)研究（建筑）

彭小云   萬玲青

華東交通大學(xué)土建學(xué)院

摘要：建筑遮陽能夠防止太陽輻射進(jìn)入室內(nèi)，避免室內(nèi)過熱，降低空調(diào)制冷能耗。通過在實(shí)實(shí)驗(yàn)搭建筑遮陽實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)建筑遮陽效果進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，建筑遮陽能夠有效地防止太陽輻射，降低能耗。

    建筑遮陽能夠防止太陽輻射進(jìn)入室內(nèi)，避免室內(nèi)過熱，降低空調(diào)制冷能耗。目前國內(nèi)大量研究一般只是對(duì)建筑遮陽進(jìn)行模糊的感性研究或者單純依靠軟件進(jìn)行模擬分析，缺乏相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)研究，而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往是最具有說服力的研究手段。因此，本文通過搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)建筑遮陽效果進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。

1  實(shí)驗(yàn)的目的及方案

1.1實(shí)驗(yàn)的目的

    本實(shí)驗(yàn)的目的主要是研究建筑外窗在有無遮陽設(shè)施和在不同的遮陽方式的情況下，室內(nèi)溫度、能耗等方面的差異，以便定量地分析建筑遮陽的效果，為遮陽設(shè)計(jì)提供有利的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1.2試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

    實(shí)驗(yàn)房間采用防護(hù)熱箱法中的冷箱和試件箱模擬，試件箱體的一側(cè)安裝尺寸為1000 mmx1000 mm的保溫性能良好的塑鋼窗，窗戶四周與箱體用聚氨酯泡沫填縫劑密封（圖1）。箱內(nèi)裝有兩組攪拌風(fēng)扇、冷凝器、加熱器均熱板及測(cè)溫控制傳感器。冷箱裝了兩套280 W的進(jìn)口壓縮機(jī)組，壓縮機(jī)有溫度控制及電路顯示。

遮陽板安裝在窗口的上面（水平遮陽板）和兩側(cè)（垂直遮陽板）。

  在本次實(shí)驗(yàn)研究中，選用了總功率為825 W的浴霸紅外線取暖燈泡作為實(shí)驗(yàn)?zāi)�擬輻射光源。

1.3測(cè)試儀器

  本實(shí)驗(yàn)測(cè)試采用的儀器為：TBQ-2太陽總輻射表（測(cè)量光譜范圍為0.28～3.0m）測(cè)試模擬光源的輻射強(qiáng)度，采用JTRG- II建筑熱工溫度與熱流自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量各處的溫度，采用上字牌DD862-4型單相電能表（精度為2級(jí)）測(cè)量制冷過程中冷箱的耗電量。

2實(shí)驗(yàn)原理

  通過窗戶遮陽裝置進(jìn)入實(shí)驗(yàn)箱的總得熱量由兩部分組成：一部分熱量為箱內(nèi)外溫差造成的溫差傳熱，由于玻璃的蓄熱能力很小，這部分熱量可以按照穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算；另外一部分熱量是由模擬太陽光源輻射直接透過玻璃進(jìn)入箱內(nèi)和被玻璃吸收，然后通過對(duì)流和輻射進(jìn)入箱內(nèi)。

  為了增加蓄熱，在測(cè)試箱內(nèi)放入一些石頭，便于充分和迅速地將輻射熱量轉(zhuǎn)為測(cè)試箱體的得熱量。

  對(duì)比實(shí)驗(yàn)分為以下兩種情況進(jìn)行：①水平遮陽與不遮陽的條件下，其它條件相同；②垂直遮陽與不遮陽的條件下，其它條件相同。

  根據(jù)熱平衡，在箱體中，熱量主要有幾部分：

式中：q為測(cè)試箱及冷箱供冷量，W;q₁為由箱體壁面通過導(dǎo)熱和對(duì)流方式進(jìn)入箱體內(nèi)的得熱量，W;q₂為通過窗戶進(jìn)入箱體內(nèi)的得熱量，W;q₃為箱內(nèi)加熱器的加熱量，W。

  對(duì)于q₁，則有：

  實(shí)驗(yàn)時(shí)冷箱內(nèi)的空氣溫度設(shè)置為15℃，箱內(nèi)空氣降溫期間每15 min記錄一次電能表的讀數(shù)，分別測(cè)出降溫期間不同實(shí)驗(yàn)情況下冷箱耗電量。待冷箱內(nèi)氣溫達(dá)到設(shè)置溫度并穩(wěn)定后，同樣每15 min記錄一次電能表的讀數(shù)，2h為一個(gè)時(shí)間段，分別測(cè)出在設(shè)置溫度下、不同實(shí)驗(yàn)情況下2h內(nèi)冷箱的制冷耗電量。耗電量E與制冷量p的轉(zhuǎn)化按下式計(jì)算：

驗(yàn)箱的冷箱耗電量；EER為試驗(yàn)箱的冷箱能效比，取2.7。

3  實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    本次實(shí)驗(yàn)安排在南昌一棟兩層樓的底層房間內(nèi)，房間位于建筑的中間，室內(nèi)溫度相對(duì)較穩(wěn)定。測(cè)試所采用的水平遮陽板和垂直遮陽板尺寸均為：1200 m mx350 mm。

3.1遮陽對(duì)室內(nèi)溫度影響的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.1.1自然工況下水平遮陽和不遮陽情況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    浴霸作為輻射熱源，正對(duì)玻璃窗高度角為77.3℃的位置照射，太陽總輻射表測(cè)得玻璃窗垂直面上的平均輻射強(qiáng)度為36.074 W/m²，水平面上的平均輻射強(qiáng)度為36.026 W/m²。安裝水平遮陽板的情況下，測(cè)試兩天，從2012年9月5日（室外空氣溫度：22～28℃）上午8:30始至2012年9月6日（室外空氣溫度24～30℃）下午17:30止；在無遮陽板時(shí)，也測(cè)試兩天，從2012年9月7日（室外空氣溫度25～32℃）上午8:30始至2012年9月8日（室外空氣溫度26-34℃）下午17:30止，箱內(nèi)空氣溫度變化曲線如圖2所示。

    由圖2可以看出，兩條溫度曲線圖均呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)，直至變化緩慢，由于箱外空氣溫度直接受當(dāng)天天氣環(huán)境的影響，無遮陽測(cè)試期間室外溫度相對(duì)較高，故未遮陽曲線整體高于遮陽曲線水平遮陽。水平遮陽實(shí)驗(yàn)測(cè)試期間，箱外平均空氣溫度為28.29℃，無遮陽實(shí)驗(yàn)測(cè)試期間，箱外平均空氣溫度為30.26℃，相對(duì)誤差為6.51%比較小。

    兩條曲線的共同點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)初期，測(cè)試箱內(nèi)空氣溫度波動(dòng)幅度較大，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，箱內(nèi)空氣溫度繼續(xù)上升，并趨于穩(wěn)定。箱內(nèi)空氣溫度波動(dòng)在+0.1℃誤差允許范圍之內(nèi)時(shí)，認(rèn)為箱內(nèi)空氣溫度達(dá)到穩(wěn)定。

    兩條曲線的不同點(diǎn)：遮陽曲線斜率變化較快并趨于0，箱內(nèi)最大溫差為4.1℃；未遮陽曲線斜率變化較慢直至趨于0，箱內(nèi)最大溫差為6.4℃。由于箱內(nèi)空氣溫度的變化受箱外環(huán)境溫度和遮陽設(shè)置條件兩者共同的影響，而受外環(huán)境溫度影響的相對(duì)誤差為6.51%，在誤差允許范圍之內(nèi)。同時(shí)，采取水平遮陽板后，箱內(nèi)外的最高溫度相差0.9℃，未采取遮陽，箱內(nèi)外的最高溫度相差3.1℃，故表明當(dāng)采用水平遮陽板后，減緩了箱內(nèi)空氣溫度的上升速度和幅度，可見水平遮陽板有很好的降溫效果。

3.1.2自然工況下垂直遮陽和不遮陽情況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    浴霸作為輻射熱源，斜對(duì)玻璃窗高度角為67℃，方位角為49℃，光源入射角為71℃ 的位置照射，太陽總輻射表測(cè)得玻璃窗垂直面上的平均輻射強(qiáng)度為28.772 W/m²，水平面上的平均輻射強(qiáng)度為54.282 W/m²。安裝垂直遮陽板情況下，測(cè)試兩天，從2012年9月9日（室外空氣溫度24～32℃）上午8:30始至2012年9月10日（室外空氣溫度25～29℃）下午17:30止；在無遮陽板時(shí)，測(cè)試兩天，從2012年9月11日（室外空氣溫度23～32℃）上午8:30始至2012年9月12日（室外空氣溫度19～30 ℃）下午17:30止，箱內(nèi)空氣溫度變化曲線如圖3所示。

    垂直遮陽實(shí)驗(yàn)測(cè)試期間，箱外空氣溫度整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，平均溫度為30.1℃，無遮陽實(shí)驗(yàn)測(cè)試期間，箱外空氣溫度整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，平均溫度為30℃，兩條曲線變化趨勢(shì)不同并出現(xiàn)交叉是受到測(cè)試期間室外天氣環(huán)境的影響，10日室外平均空氣溫度較9日低，而12日室外平均空氣溫度較11日高，但不同測(cè)試期間箱外平均空氣溫度相當(dāng)接近，相對(duì)誤差為0.33%，很小。

    兩條曲線的共同點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)初期，測(cè)試箱內(nèi)空氣溫度波動(dòng)幅度較大，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，箱內(nèi)空氣溫度繼續(xù)上升，并趨于穩(wěn)定。箱內(nèi)空氣熱容量已經(jīng)達(dá)到飽和，箱內(nèi)空氣溫度波動(dòng)在+0.1℃誤差允許范圍之內(nèi)時(shí)，認(rèn)為箱內(nèi)空氣溫度達(dá)到穩(wěn)定。

    兩條曲線的不同點(diǎn)：遮陽曲線斜率變化較快并趨于0，箱內(nèi)最大溫差為2.2℃，后期溫度稍有下降趨勢(shì)，可能是由于外界環(huán)境的影響；未遮陽曲線斜率變化較慢直至趨于0，由于箱外溫度的影響導(dǎo)致其代表的溫度明顯高于遮陽曲線而出現(xiàn)交叉，箱內(nèi)最大溫差為4.1℃。箱外平均空氣溫度相對(duì)誤差僅為0.33%相當(dāng)小的情況下，同時(shí)，采取垂直遮陽板后，箱內(nèi)外的最高溫度相差0.6℃，未采取遮陽，箱內(nèi)外的最高溫度相差2.7℃，表明當(dāng)采用垂直遮陽板后，也減緩了箱內(nèi)空氣溫度的上升速度和幅度，可見垂直遮陽后也產(chǎn)生了一定的降溫效果。

    從圖2和圖3還可以得到，水平遮陽板（遮陽與未遮陽最大溫差相差2.5℃）的降溫效果優(yōu)于垂直遮陽板（遮陽與未遮陽最大溫差相差1.9℃）。

3.2遮陽對(duì)降低空調(diào)制冷能耗的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    2012年9月6日下午17:30和2012年9月8日下午17:30測(cè)試了空調(diào)工況下采用水平遮陽板和無遮陽板情況下，分別對(duì)測(cè)試箱體內(nèi)的溫度、箱體內(nèi)外壁平均溫度、玻璃內(nèi)外表面平均溫度、窗框內(nèi)外表面平均溫度以及逐時(shí)耗電量的影響，開啟空調(diào)并將冷箱內(nèi)的空氣溫度均設(shè)定為15℃。2012年9月10日下午17:30和2012年9月12日下午17:30測(cè)試了空調(diào)工況下采用垂直遮陽板和無遮陽板情況下，分別對(duì)測(cè)試箱體內(nèi)的溫度、箱體內(nèi)外壁平均溫度、玻璃內(nèi)外表面平均溫度、窗框內(nèi)外表面平均溫度以及逐時(shí)耗電量的影響，開啟空調(diào)并將冷箱內(nèi)的空氣溫度均設(shè)定為15℃。結(jié)果分兩個(gè)過程來探討，第一個(gè)過程為冷箱內(nèi)溫度降至設(shè)定溫度過程中的耗電量和降溫時(shí)間，第二個(gè)過程是保持冷箱內(nèi)穩(wěn)定的設(shè)定空氣溫度的耗電量。

    第一個(gè)過程，浴霸照射情況相同，采用水平遮陽時(shí)，冷箱內(nèi)氣溫達(dá)到設(shè)定溫度所需要的時(shí)間較不遮陽時(shí)要約短20 min;采用水平遮陽時(shí)冷箱內(nèi)降溫至15℃期間，共耗電0.53 kWh，而不遮陽時(shí)冷箱內(nèi)降溫至15℃期間，共耗電0.74 kWh，可知采用水平遮陽板節(jié)省的空調(diào)耗電量為0.21 kWh，產(chǎn)生的節(jié)能率約為28.38%。采用垂直遮陽時(shí)，冷箱內(nèi)氣溫達(dá)到設(shè)定溫度

所需要的時(shí)間較不遮陽時(shí)也要短約5 min；采用垂直遮陽時(shí)冷箱內(nèi)降溫至15℃期間，共耗電0.605 kWh，而不遮陽時(shí)冷箱降溫至150C期間，共耗電0.625 kWh，可知垂直遮陽板節(jié)省的空調(diào)耗電量為0.02 kWh，產(chǎn)生的節(jié)能率約為3.2%，相對(duì)水平遮陽板產(chǎn)生的節(jié)能率28.38%。說明對(duì)于高度角較大的輻射光，水平遮陽的效果優(yōu)于垂直遮陽。

    第二個(gè)過程，為了了解室內(nèi)氣溫穩(wěn)定時(shí)，空調(diào)的耗電量情況，分別對(duì)采用水平遮陽、不采用遮陽、采用垂直遮陽，冷箱內(nèi)空氣溫度穩(wěn)定后連續(xù)測(cè)量2h的空調(diào)耗電量。采用水平遮陽板時(shí)2h的耗電量為1.305 kWh，不遮陽時(shí)2h共耗電1,375 kWh，故不遮陽時(shí)比設(shè)置水平遮陽時(shí)多耗電1.375-1.305=0.07 kWh，采用水平遮陽的節(jié)能率約為5%。采用垂直遮陽板時(shí)2h的耗電量為1.44 kWh，不遮陽時(shí)2h共耗電1.475 kWh，故不遮陽時(shí)比設(shè)置垂直遮陽時(shí)多耗電1.475-1.44=0.035 kWh，采用垂直遮陽板的節(jié)能率約為2.4%。也說明對(duì)于高度角較大的輻射光，水平遮陽的效果優(yōu)于垂直遮陽。

4  實(shí)驗(yàn)誤差分析

4.1實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)誤差計(jì)算

    誤差分為系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差以及粗大誤差，前兩者經(jīng)常出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，隨機(jī)誤差往往是某些難以控制的偶然因素造成的，而系統(tǒng)誤差通常由于儀器結(jié)構(gòu)的不良或者周圍環(huán)境的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試的過程中，影響測(cè)量的主要因素有測(cè)量方法、儀器設(shè)備、測(cè)量人員以及環(huán)境條件等。

  測(cè)量誤差采用下式計(jì)算：

4.2本實(shí)驗(yàn)測(cè)試誤差分析

    為了能夠確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信程度，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行不確定度估算，本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試的各項(xiàng)誤差如下：

    1)熱電偶溫度的測(cè)量誤差

    熱電偶的測(cè)量誤差為=±0.5℃，按照均勻分布考慮，取包含因子k=，則溫度傳感器不確定度為=0.5/=0.289℃，相對(duì)不確定度≤2.5%。

  2)太陽總輻射表的測(cè)量誤差u₁

  人工模擬光源的輻射強(qiáng)度使用太陽總輻射表測(cè)量，儀器的不確定度為A.108 W/m²，相對(duì)不確定度為2%。

    3)電能表的測(cè)量誤差u₂

    電能表用來測(cè)量冷箱開啟空調(diào)時(shí)所耗的電量，儀表的允許測(cè)量誤差為±0.02 kWh，其不確定度u=0.02/-0.0115 kWh，相對(duì)不確定度為2%。

    4)輻射光源輻射能量不穩(wěn)定度誤差，與模擬光源本身特性有關(guān)。

    實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的總誤差應(yīng)合成小于10%即視為可行，由上述分析可知：在本次實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)控制模擬光源輻射能量的不穩(wěn)定誤差在上述范圍內(nèi)，即9.26%就可以達(dá)到實(shí)驗(yàn)研究的目的。由于模擬光源能量的穩(wěn)定性主要取決于模擬光源自身的技術(shù)性以及測(cè)試外界環(huán)境的影響，本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試期間，同一工況不同對(duì)比情況下均對(duì)模擬光源開啟約兩天的時(shí)間，除不可避免的室外氣象的影響，其它影響因素均相同，而2012年9月5日至12日期間，均是微風(fēng)，并無持續(xù)風(fēng)向，并且只有12日是中雨，其它均是多云天氣為主，室外溫度的影響由前述比較可知不大，最大相對(duì)誤差6.606%在上述范圍之內(nèi)，所以在誤差允許范圍之內(nèi)，本次實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻_(dá)到預(yù)期目的。

5  結(jié)論

    通過實(shí)驗(yàn)室模擬建筑遮陽，測(cè)試了不同工況下的遮陽效果，研究表明：

    1)自然工況下，設(shè)置遮陽板可以有效地降低室內(nèi)氣溫，而且水平遮陽板的降溫效果優(yōu)于垂直遮陽板。

    2)空調(diào)工況下，設(shè)置遮陽板可以節(jié)省空調(diào)耗電量，在降溫階段，設(shè)置水平遮陽板的節(jié)能率約為28.38%，設(shè)置垂直遮陽板節(jié)能率約為3.2%；在溫度穩(wěn)定階段，采用水平遮陽的節(jié)能率約為5%，采用垂直遮陽板的節(jié)能率約為2.4%。

    3)對(duì)于高度角較大的輻射光，窗口采用水平遮陽板節(jié)能效果明顯。