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        卷簾對建筑能耗影響的模擬和實驗研究

        • 作者:
        • 中國暖通空調網
        • 發布時間:
        • 2022-01-10

        湖南大學  譚羽桐, 彭晉卿

               【摘  要】建筑遮陽是提升窗戶系統的有效措施,合理的遮陽既能夠有效改善室內熱舒適及視覺舒適,同時能夠減少建筑的空調能耗。本文旨在探究基于眩光控制的卷簾對建筑空調能耗的影響。首先,基于卷簾和玻璃的光熱特性參數在WINDOW中建立窗戶系統的模型,并驗證模型的準確性;然后,建立以湖南大學實驗平臺為原型的建筑模型并利用Energyplus軟件計算無遮陽時參考點的逐時日光眩光指數 (DGI) 以獲取遮陽時間表;最后根據遮陽時間表對布置于南向窗戶的卷簾進行眩光控制并計算全年制冷與供暖能耗。研究結果表明:基于眩光控制的卷簾遮陽模式與無遮陽相比能夠減少28%的制冷能耗,但增加了3%的供暖能耗,全年總空調能耗能夠減少14%。由此可知,卷簾能夠有效保障室內采光環境并減少建筑空調能耗,對實現建筑節能具有深遠的意義。

               【關鍵詞】卷簾;眩光控制;能耗模擬;實驗研究;建筑節能

        0 引言

            目前,建筑能耗約占社會總能耗的30%~40%[1] ,其中,由窗戶造成的能耗約占建筑能耗的50%[2]。在夏熱冬冷地區,由單層玻璃透射入室內的太陽輻射所消耗的冷量約占空調負荷的20%-30%[3]。詹林[4]分析了夏熱冬冷地區各朝向窗戶在晴朗天氣各季節得到的太陽輻射熱變化。研究結果表明南向窗戶夏季得熱不多,而冬季比其他朝向能匯集更多的太陽輻射。由于太陽輻射對室內的空調采暖制冷能耗具有重大影響,從窗戶進入室內的太陽輻射在冬季有利于減少建筑采暖能耗,但在夏季可能造成過熱而增加制冷能耗[5],因此建議南向開窗。

               窗戶因其在圍護結構中獨特的透光特性,成為室內采光和熱舒適平衡的關鍵。為了保障室內舒適的采光環境并盡可能減少建筑能耗,一種安裝簡單,成本低,調節靈活的卷簾遮陽被廣泛應用于提升窗戶的保溫隔熱性能。Oleskowicz-Popiel等[6]研究了卷簾布置于外部和內部時在采暖季節的節能潛力,研究結果表明外卷簾可節省45%的能耗,而內卷簾能節省33%的能耗。李崢嶸等人[7]根據6種不同性能的遮陽卷簾在上海地區的模擬數據得出,采用中反射-中透過率的卷簾能夠削弱44%~51%的采光。根據采光動態評價指標,有效采光照度(UDI),趙忠超[8]的研究結果表明采用動態窗簾可使進深1~5m區域的UDI達80%。此外,Kunwar等人[9]根據2017年3月至9月采集的實驗數據,探究了卷簾在不同朝向的節能潛力,研究結果表明在保證可接受眩光水平90%以上時,卷簾能平均節省26%的制冷能耗。由此可知,布置合理的卷簾具有平衡室內采光和熱舒適的潛力。

               本文旨在探究基于眩光的卷簾控制策略對建筑空調能耗的影響。由于進行全年能耗監測實驗的實施難度大,故本文采用Energyplus軟件進行全年能耗模擬。為驗證該模擬方法的準確性,首先基于湖南大學實驗平臺開展試驗,比較窗戶系統內表面溫度的實驗和模擬結果。然后,利用驗證過的模型計算無卷簾遮陽時參考點的逐時DGI,并由此確定遮陽時間表。最后,根據遮陽時間表控制卷簾的開啟并模擬計算全年空調能耗。

        1 窗戶模型建立

               1.1 光熱參數測試

               能耗模擬的準確度和可靠性取決于模型的輸入參數。因此,首先采用紫外/可見/近紅外分光光度計 (LAMBDA PE 1050) 測試卷簾及玻璃的光譜光學參數,包括反射率、透射率以及吸收率,測試結果如表1所示。根據測試結果可知,本文采用的單片玻璃透過率為0.82,反射率為0.07,吸收率為0.11。而本文采用的卷簾透射率僅為0.26,它能夠有效阻隔過多的太陽輻射進入室內。對于導熱系數,玻璃樣品的導熱系數取1 W/(m·K),與IGDB數據庫中玻璃的導熱系數一致;而卷簾的導熱系數采用DRE瞬態平面熱源法導熱儀確定,測試結果為0.12 W/(m·K)。

        表1 卷簾及窗簾的光學參數

               1.2 模型建立和計算

               基于上述光熱參數,采用勞倫斯伯克利國家實驗室開發的一系列用于門窗及幕墻熱工計算的軟件建立窗戶模型,包括Optics和WINDOW。其中,Optics用于對光譜數據的處理,WINDOW用于計算窗戶的熱性能指標,包括總傳熱系數(U值),太陽得熱系數(SHGC),可見光透射率(Tvis)。將玻璃和卷簾的光譜光學參數測試結果導入Optics軟件中,建立卷簾和玻璃的模型,然后將Optics中的單片模型導入WINDOW軟件中建立完整的窗戶系統。本文建立了兩種窗戶系統:(1)6 mm普通玻璃+12 mm空氣層+6 mm普通玻璃,該窗戶系統用做對比;(2)6 mm普通玻璃+12 mm空氣層+6 mm普通玻璃+10 mm空氣層+卷簾,該窗戶系統用做探究卷簾對建筑能耗的影響。兩種窗戶系統的熱性能計算結果列于表2,根據計算結果可知,卷簾能夠有效降低窗戶系統的傳熱系數,太陽得熱系數和可見光透射率。與基準窗戶相比,上述參數分別降低了20%,54%和69%。

        表2 基準窗戶與實驗窗戶的熱性能參數

        2 建筑模型

               本研究以長沙地區辦公建筑為研究對象,基于長沙所處夏熱冬冷地區的氣候特點,遵循《公用建筑節能設計標準 GB50189-2015》,在Sketchup中建立與實驗平臺(位于湖南長沙)一致的建筑模型,如圖1所示。該實驗平臺占地面積112平方米,實驗窗戶安裝于圖示房間,該房間高3米,寬2.5米,進深為6米。外窗位于南向外墻,窗戶高2.4米,寬2.4米,窗墻比為76.8%。


        圖1 建筑模型示意圖

        3 實驗驗證

               3.1 實驗概況

               圖2所示的實驗平臺位于湖南長沙地區(112.92E, 28.22N),基準窗戶位于測試房間的南向外墻,卷簾布置于窗戶內側。卷簾表面布置6個溫度傳感器,其平均溫度用以表征窗戶系統內表面的逐時溫度。此外,測試期間(1月12日~13日)的室外氣象參數如太陽輻射、環境溫度、風速等由試驗臺的氣象站測量并采集,圖3是實測的太陽輻射及環境溫度變化情況。由圖可知,實驗期間天氣晴朗,太陽輻射充足,室外平均氣溫約為10℃。


        圖2 實驗平臺示意圖

        圖3 實測氣象數據

               3.2 結果對比以實測

               氣象數據作為輸入參數,在Energyplus軟件中將窗戶模型與建筑模型耦合,計算窗戶系統內表面逐時溫度,圖4為窗戶系統內表面逐時溫度的模擬和實驗對比結果。經計算,實驗與模擬結果的相對誤差為7.5%,均方根誤差為1.8℃,兩者具有良好的一致性。根據驗證結果可知,基于窗戶系統各層部件的實測參數在WINDOW中建模并在Energyplus中進行能耗模擬計算的方法準確可靠。


        圖4 窗戶系統內表面溫度的實驗與模擬結果對比

        4 能耗模擬

               4.1 基于眩光控制的遮陽時間表

               本研究采用Energyplus軟件模擬建筑全年能耗,它由美國能源部和勞倫斯伯克利國家實驗室共同開發,能夠對建筑的采光、空調、照明等能源消耗進行全面能耗模擬分析[10]。為獲取卷簾遮陽時間表,首先計算無遮陽時參考點的日光眩光指數(DGI),采光參考點設定為0.75m高處工作平面的中心點。DGI自1992年提出以來,成為國際上最為廣泛應用的不舒適眩光評價指標[11]。我國的《建筑采光設計標準》GB50033-2013[12]中對采光等級進行了更具體的劃分,等級劃分列于表3。由表可知,當DGI達到23時眩光能被察覺,因此,當DGI達到23時,卷簾調整為開啟狀態以削弱眩光。為此,首先在Energyplus中對基準窗戶(無卷簾)進行全年采光模擬,得到每小時參考點的DGI,進而獲得基于眩光控制的卷簾遮陽時間表。

        表3 DGI采光等級劃分

               4.2 全年建筑能耗模擬

                全年能耗模擬時,建筑室內熱環境參數根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50736-2012[13]設定,其中,制冷室內設計溫度設定為26℃,供暖室內設計溫度設定為20℃。模擬時采用Energyplus官網提供的長沙典型氣象年 (CSWD) 逐時氣象數據,其中月平均室外溫度和太陽輻射如圖5所示。


        圖5 長沙月平均溫度及太陽輻射

        5 結果分析與討論

               圖6為無遮陽,全遮陽以及基于眩光控制下的建筑空調能耗。圖6 (1)所示為三種模式下的逐月制冷能耗,由圖可知,長沙地區六月至十月的制冷能耗高,制冷能耗最大月出現在七月。對比三種模式可知,無遮陽時的逐月制冷能耗最大,全遮陽時的逐月制冷能耗最小,而基于眩光控制的遮陽模式的逐月制冷能耗位于兩者之間。此外,與無遮陽模式相比,基于眩光控制的遮陽模式在八月的制冷能耗削減量最大。圖6 (2)所示為三種模式下的逐月供暖能耗,由圖可知,長沙地區五月至九月無供暖能耗,在其余有供暖能耗的月份,全遮陽時的逐月供暖能耗最大,無遮陽時的逐月供暖能耗最小,基于眩光控制的遮陽模式的逐月供暖能耗位于兩者之間。但與制冷能耗的削減量相比,采用卷簾所增加的供暖能耗可忽略不計??偪照{能耗如圖6 (3)所示,三種模式的逐月空調能耗在一月至四月差別甚小,在五月至十一月,無遮陽模式下空調消耗的能量最大??偟貋碚f,采用卷簾遮陽能夠有效降低空調制冷能耗,但對冬季制熱不利。從全年總能耗來看,相比于無遮陽模式,全遮陽能夠減少40%的制冷能耗,但會增加10%的供暖能耗,全年總空調能夠減少20%。此外,基于眩光控制的遮陽模式能夠減少28%的制冷能耗,但增加了3%的供暖能耗,全年總空調能耗能夠減少14%。這是因為卷簾能夠有效阻擋太陽輻射進入室內,在制冷時期能夠避免過熱,但在供暖時期,由于進入室內的太陽輻射減少,因此導致空調供暖能耗增加。


        圖 6 建筑在無遮陽,全遮陽以及遮陽控制下的逐月
        (1)制冷能耗,(2)供暖能耗,(3)空調能耗和(4)年能耗對比

        6 結論

               本文旨在探究卷簾對建筑空調能耗的影響。首先基于卷簾和玻璃的實測參數在WINDOW中建立窗戶模型,并通過Energyplus軟件計算無遮陽時參考點的日光眩光指數(DGI)。然后,基于湖南大學實驗平臺對該模擬方法進行實驗驗證,從窗戶系統內表面溫度來看,實驗結果和模擬結果具有良好的一致性。最后,采用經驗證的模型基于眩光控制卷簾的開啟關閉,探究卷簾對建筑能耗的影響。本文的主要結論如下:

               (1)本文窗戶模型與建筑模型建立準確,實驗與模擬的窗戶內表面溫度相對誤差為7.5%,均方根誤差為1.8℃;

               (2)與無遮陽模式相比,全遮陽能夠減少40%的制冷能耗,但會增加10%的供暖能耗,全年總空調能耗能夠減少20%;

               (3)基于眩光控制的卷簾遮陽模式與無遮陽模式相比,能夠減少28%的制冷能耗,但會增加3%的供暖能耗,全年總空調能耗能夠減少14%。

        參考文獻

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               備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2021年4月刊 總第42期(第二十屆全國暖通空調模擬學術年會論文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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