建筑遮陽效果的實驗研究（建筑）

彭小云   萬玲青

華東交通大學土建學院

摘要：建筑遮陽能夠防止太陽輻射進入室內，避免室內過熱，降低空調制冷能耗。通過在實實驗搭建筑遮陽實驗臺，對建筑遮陽效果進行了實際測量。實驗結果表明，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入室內，避免室內過熱，降低空調制冷能耗。目前國內大量研究一般只是對建筑遮陽進行模糊的感性研究或者單純依靠軟件進行模擬分析，缺乏相關實驗數據研究，而實驗數據往往是最具有說服力的研究手段。因此，本文通過搭建實驗臺，對建筑遮陽效果進行實際測量。

1  實驗的目的及方案

1.1實驗的目的

    本實驗的目的主要是研究建筑外窗在有無遮陽設施和在不同的遮陽方式的情況下，室內溫度、能耗等方面的差異，以便定量地分析建筑遮陽的效果，為遮陽設計提供有利的實驗數據支撐。

1.2試驗臺的設計

    實驗房間采用防護熱箱法中的冷箱和試件箱模擬，試件箱體的一側安裝尺寸為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）。箱內裝有兩組攪拌風扇、冷凝器、加熱器均熱板及測溫控制傳感器。冷箱裝了兩套280 W的進口壓縮機組，壓縮機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（垂直遮陽板）。

  在本次實驗研究中，選用了總功率為825 W的浴霸紅外線取暖燈泡作為實驗模擬輻射光源。

1.3測試儀器

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

2實驗原理

  通過窗戶遮陽裝置進入實驗箱的總得熱量由兩部分組成：一部分熱量為箱內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態傳熱計算；另外一部分熱量是由模擬太陽光源輻射直接透過玻璃進入箱內和被玻璃吸收，然后通過對流和輻射進入箱內。

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

  對比實驗分為以下兩種情況進行：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。

  根據熱平衡，在箱體中，熱量主要有幾部分：

式中：q為測試箱及冷箱供冷量，W;q₁為由箱體壁面通過導熱和對流方式進入箱體內的得熱量，W;q₂為通過窗戶進入箱體內的得熱量，W;q₃為箱內加熱器的加熱量，W。

  對于q₁，則有：

  實驗時冷箱內的空氣溫度設置為15℃，箱內空氣降溫期間每15 min記錄一次電能表的讀數，分別測出降溫期間不同實驗情況下冷箱耗電量。待冷箱內氣溫達到設置溫度并穩定后，同樣每15 min記錄一次電能表的讀數，2h為一個時間段，分別測出在設置溫度下、不同實驗情況下2h內冷箱的制冷耗電量。耗電量E與制冷量p的轉化按下式計算：

驗箱的冷箱耗電量；EER為試驗箱的冷箱能效比，取2.7。

3  實驗結果及分析

    本次實驗安排在南昌一棟兩層樓的底層房間內，房間位于建筑的中間，室內溫度相對較穩定。測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遮陽對室內溫度影響的實驗測試結果

3.1.1自然工況下水平遮陽和不遮陽情況下實驗結果

    浴霸作為輻射熱源，正對玻璃窗高度角為77.3℃的位置照射，太陽總輻射表測得玻璃窗垂直面上的平均輻射強度為36.074 W/m²，水平面上的平均輻射強度為36.026 W/m²。安裝水平遮陽板的情況下，測試兩天，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，也測試兩天，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逐漸上升趨勢，直至變化緩慢，由于箱外空氣溫度直接受當天天氣環境的影響，無遮陽測試期間室外溫度相對較高，故未遮陽曲線整體高于遮陽曲線水平遮陽。水平遮陽實驗測試期間，箱外平均空氣溫度為28.29℃，無遮陽實驗測試期間，箱外平均空氣溫度為30.26℃，相對誤差為6.51%比較小。

    兩條曲線的共同點：實驗初期，測試箱內空氣溫度波動幅度較大，隨著實驗的進行，箱內空氣溫度繼續上升，并趨于穩定。箱內空氣溫度波動在+0.1℃誤差允許范圍之內時，認為箱內空氣溫度達到穩定。

    兩條曲線的不同點：遮陽曲線斜率變化較快并趨于0，箱內最大溫差為4.1℃；未遮陽曲線斜率變化較慢直至趨于0，箱內最大溫差為6.4℃。由于箱內空氣溫度的變化受箱外環境溫度和遮陽設置條件兩者共同的影響，而受外環境溫度影響的相對誤差為6.51%，在誤差允許范圍之內。同時，采取水平遮陽板后，箱內外的最高溫度相差0.9℃，未采取遮陽，箱內外的最高溫度相差3.1℃，故表明當采用水平遮陽板后，減緩了箱內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驗結果

    浴霸作為輻射熱源，斜對玻璃窗高度角為67℃，方位角為49℃，光源入射角為71℃ 的位置照射，太陽總輻射表測得玻璃窗垂直面上的平均輻射強度為28.772 W/m²，水平面上的平均輻射強度為54.282 W/m²。安裝垂直遮陽板情況下，測試兩天，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，測試兩天，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，箱內空氣溫度變化曲線如圖3所示。

    垂直遮陽實驗測試期間，箱外空氣溫度整體呈現下降趨勢，平均溫度為30.1℃，無遮陽實驗測試期間，箱外空氣溫度整體呈現上升趨勢，平均溫度為30℃，兩條曲線變化趨勢不同并出現交叉是受到測試期間室外天氣環境的影響，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，但不同測試期間箱外平均空氣溫度相當接近，相對誤差為0.33%，很小。

    兩條曲線的共同點：實驗初期，測試箱內空氣溫度波動幅度較大，隨著實驗的進行，箱內空氣溫度繼續上升，并趨于穩定。箱內空氣熱容量已經達到飽和，箱內空氣溫度波動在+0.1℃誤差允許范圍之內時，認為箱內空氣溫度達到穩定。

    兩條曲線的不同點：遮陽曲線斜率變化較快并趨于0，箱內最大溫差為2.2℃，后期溫度稍有下降趨勢，可能是由于外界環境的影響；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致其代表的溫度明顯高于遮陽曲線而出現交叉，箱內最大溫差為4.1℃。箱外平均空氣溫度相對誤差僅為0.33%相當小的情況下，同時，采取垂直遮陽板后，箱內外的最高溫度相差0.6℃，未采取遮陽，箱內外的最高溫度相差2.7℃，表明當采用垂直遮陽板后，也減緩了箱內空氣溫度的上升速度和幅度，可見垂直遮陽后也產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遮陽對降低空調制冷能耗的實驗結果

    2012年9月6日下午17:30和2012年9月8日下午17:30測試了空調工況下采用水平遮陽板和無遮陽板情況下，分別對測試箱體內的溫度、箱體內外壁平均溫度、玻璃內外表面平均溫度、窗框內外表面平均溫度以及逐時耗電量的影響，開啟空調并將冷箱內的空氣溫度均設定為15℃。2012年9月10日下午17:30和2012年9月12日下午17:30測試了空調工況下采用垂直遮陽板和無遮陽板情況下，分別對測試箱體內的溫度、箱體內外壁平均溫度、玻璃內外表面平均溫度、窗框內外表面平均溫度以及逐時耗電量的影響，開啟空調并將冷箱內的空氣溫度均設定為15℃。結果分兩個過程來探討，第一個過程為冷箱內溫度降至設定溫度過程中的耗電量和降溫時間，第二個過程是保持冷箱內穩定的設定空氣溫度的耗電量。

    第一個過程，浴霸照射情況相同，采用水平遮陽時，冷箱內氣溫達到設定溫度所需要的時間較不遮陽時要約短20 min;采用水平遮陽時冷箱內降溫至15℃期間，共耗電0.53 kWh，而不遮陽時冷箱內降溫至15℃期間，共耗電0.74 kWh，可知采用水平遮陽板節省的空調耗電量為0.21 kWh，產生的節能率約為28.38%。采用垂直遮陽時，冷箱內氣溫達到設定溫度

所需要的時間較不遮陽時也要短約5 min；采用垂直遮陽時冷箱內降溫至15℃期間，共耗電0.605 kWh，而不遮陽時冷箱降溫至150C期間，共耗電0.625 kWh，可知垂直遮陽板節省的空調耗電量為0.02 kWh，產生的節能率約為3.2%，相對水平遮陽板產生的節能率28.38%。說明對于高度角較大的輻射光，水平遮陽的效果優于垂直遮陽。

    第二個過程，為了了解室內氣溫穩定時，空調的耗電量情況，分別對采用水平遮陽、不采用遮陽、采用垂直遮陽，冷箱內空氣溫度穩定后連續測量2h的空調耗電量。采用水平遮陽板時2h的耗電量為1.305 kWh，不遮陽時2h共耗電1,375 kWh，故不遮陽時比設置水平遮陽時多耗電1.375-1.305=0.07 kWh，采用水平遮陽的節能率約為5%。采用垂直遮陽板時2h的耗電量為1.44 kWh，不遮陽時2h共耗電1.475 kWh，故不遮陽時比設置垂直遮陽時多耗電1.475-1.44=0.035 kWh，采用垂直遮陽板的節能率約為2.4%。也說明對于高度角較大的輻射光，水平遮陽的效果優于垂直遮陽。

4  實驗誤差分析

4.1實驗測試系統誤差計算

    誤差分為系統誤差、隨機誤差以及粗大誤差，前兩者經常出現在實驗測試中，隨機誤差往往是某些難以控制的偶然因素造成的，而系統誤差通常由于儀器結構的不良或者周圍環境的轉變導致。在進行實驗測試的過程中，影響測量的主要因素有測量方法、儀器設備、測量人員以及環境條件等。

  測量誤差采用下式計算：

4.2本實驗測試誤差分析

    為了能夠確定實驗結果的可信程度，對測試結果進行不確定度估算，本次實驗測試的各項誤差如下：

    1)熱電偶溫度的測量誤差

    熱電偶的測量誤差為=±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℃，相對不確定度≤2.5%。

  2)太陽總輻射表的測量誤差u₁

  人工模擬光源的輻射強度使用太陽總輻射表測量，儀器的不確定度為A.108 W/m²，相對不確定度為2%。

    3)電能表的測量誤差u₂

    電能表用來測量冷箱開啟空調時所耗的電量，儀表的允許測量誤差為±0.02 kWh，其不確定度u=0.02/-0.0115 kWh，相對不確定度為2%。

    4)輻射光源輻射能量不穩定度誤差，與模擬光源本身特性有關。

    實驗測試系統的總誤差應合成小于10%即視為可行，由上述分析可知：在本次實驗中，重點控制模擬光源輻射能量的不穩定誤差在上述范圍內，即9.26%就可以達到實驗研究的目的。由于模擬光源能量的穩定性主要取決于模擬光源自身的技術性以及測試外界環境的影響，本次實驗測試期間，同一工況不同對比情況下均對模擬光源開啟約兩天的時間，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，并無持續風向，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，最大相對誤差6.606%在上述范圍之內，所以在誤差允許范圍之內，本次實驗能夠達到預期目的。

5  結論

    通過實驗室模擬建筑遮陽，測試了不同工況下的遮陽效果，研究表明：

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

    2)空調工況下，設置遮陽板可以節省空調耗電量，在降溫階段，設置水平遮陽板的節能率約為28.38%，設置垂直遮陽板節能率約為3.2%；在溫度穩定階段，采用水平遮陽的節能率約為5%，采用垂直遮陽板的節能率約為2.4%。

    3)對于高度角較大的輻射光，窗口采用水平遮陽板節能效果明顯。