建筑遮阳效果的实验研究（建筑）

彭小云   万玲青

华东交通大学土建学院

摘要：建筑遮阳能够防止太阳辐射进入室内，避免室内过热，降低空调制冷能耗。通过在实实验搭建筑遮阳实验台，对建筑遮阳效果进行了实际测量。实验结果表明，建筑遮阳能够有效地防止太阳辐射，降低能耗。

    建筑遮阳能够防止太阳辐射进入室内，避免室内过热，降低空调制冷能耗。目前国内大量研究一般只是对建筑遮阳进行模糊的感性研究或者单纯依靠软件进行模拟分析，缺乏相关实验数据研究，而实验数据往往是最具有说服力的研究手段。因此，本文通过搭建实验台，对建筑遮阳效果进行实际测量。

1  实验的目的及方案

1.1实验的目的

    本实验的目的主要是研究建筑外窗在有无遮阳设施和在不同的遮阳方式的情况下，室内温度、能耗等方面的差异，以便定量地分析建筑遮阳的效果，为遮阳设计提供有利的实验数据支撑。

1.2试验台的设计

    实验房间采用防护热箱法中的冷箱和试件箱模拟，试件箱体的一侧安装尺寸为1000 mmx1000 mm的保温性能良好的塑钢窗，窗户四周与箱体用聚氨酯泡沫填缝剂密封（图1）。箱内装有两组搅拌风扇、冷凝器、加热器均热板及测温控制传感器。冷箱装了两套280 W的进口压缩机组，压缩机有温度控制及电路显示。

遮阳板安装在窗口的上面（水平遮阳板）和两侧（垂直遮阳板）。

  在本次实验研究中，选用了总功率为825 W的浴霸红外线取暖灯泡作为实验模拟辐射光源。

1.3测试仪器

  本实验测试采用的仪器为：TBQ-2太阳总辐射表（测量光谱范围为0.28～3.0m）测试模拟光源的辐射强度，采用JTRG- II建筑热工温度与热流自动测试系统测量各处的温度，采用上字牌DD862-4型单相电能表（精度为2级）测量制冷过程中冷箱的耗电量。

2实验原理

  通过窗户遮阳装置进入实验箱的总得热量由两部分组成：一部分热量为箱内外温差造成的温差传热，由于玻璃的蓄热能力很小，这部分热量可以按照稳态传热计算；另外一部分热量是由模拟太阳光源辐射直接透过玻璃进入箱内和被玻璃吸收，然后通过对流和辐射进入箱内。

  为了增加蓄热，在测试箱内放入一些石头，便于充分和迅速地将辐射热量转为测试箱体的得热量。

  对比实验分为以下两种情况进行：①水平遮阳与不遮阳的条件下，其它条件相同；②垂直遮阳与不遮阳的条件下，其它条件相同。

  根据热平衡，在箱体中，热量主要有几部分：

式中：q为测试箱及冷箱供冷量，W;q₁为由箱体壁面通过导热和对流方式进入箱体内的得热量，W;q₂为通过窗户进入箱体内的得热量，W;q₃为箱内加热器的加热量，W。

  对于q₁，则有：

  实验时冷箱内的空气温度设置为15℃，箱内空气降温期间每15 min记录一次电能表的读数，分别测出降温期间不同实验情况下冷箱耗电量。待冷箱内气温达到设置温度并稳定后，同样每15 min记录一次电能表的读数，2h为一个时间段，分别测出在设置温度下、不同实验情况下2h内冷箱的制冷耗电量。耗电量E与制冷量p的转化按下式计算：

验箱的冷箱耗电量；EER为试验箱的冷箱能效比，取2.7。

3  实验结果及分析

    本次实验安排在南昌一栋两层楼的底层房间内，房间位于建筑的中间，室内温度相对较稳定。测试所采用的水平遮阳板和垂直遮阳板尺寸均为：1200 m mx350 mm。

3.1遮阳对室内温度影响的实验测试结果

3.1.1自然工况下水平遮阳和不遮阳情况下实验结果

    浴霸作为辐射热源，正对玻璃窗高度角为77.3℃的位置照射，太阳总辐射表测得玻璃窗垂直面上的平均辐射强度为36.074 W/m²，水平面上的平均辐射强度为36.026 W/m²。安装水平遮阳板的情况下，测试两天，从2012年9月5日（室外空气温度：22～28℃）上午8:30始至2012年9月6日（室外空气温度24～30℃）下午17:30止；在无遮阳板时，也测试两天，从2012年9月7日（室外空气温度25～32℃）上午8:30始至2012年9月8日（室外空气温度26-34℃）下午17:30止，箱内空气温度变化曲线如图2所示。

    由图2可以看出，两条温度曲线图均呈现逐渐上升趋势，直至变化缓慢，由于箱外空气温度直接受当天天气环境的影响，无遮阳测试期间室外温度相对较高，故未遮阳曲线整体高于遮阳曲线水平遮阳。水平遮阳实验测试期间，箱外平均空气温度为28.29℃，无遮阳实验测试期间，箱外平均空气温度为30.26℃，相对误差为6.51%比较小。

    两条曲线的共同点：实验初期，测试箱内空气温度波动幅度较大，随着实验的进行，箱内空气温度继续上升，并趋于稳定。箱内空气温度波动在+0.1℃误差允许范围之内时，认为箱内空气温度达到稳定。

    两条曲线的不同点：遮阳曲线斜率变化较快并趋于0，箱内最大温差为4.1℃；未遮阳曲线斜率变化较慢直至趋于0，箱内最大温差为6.4℃。由于箱内空气温度的变化受箱外环境温度和遮阳设置条件两者共同的影响，而受外环境温度影响的相对误差为6.51%，在误差允许范围之内。同时，采取水平遮阳板后，箱内外的最高温度相差0.9℃，未采取遮阳，箱内外的最高温度相差3.1℃，故表明当采用水平遮阳板后，减缓了箱内空气温度的上升速度和幅度，可见水平遮阳板有很好的降温效果。

3.1.2自然工况下垂直遮阳和不遮阳情况下实验结果

    浴霸作为辐射热源，斜对玻璃窗高度角为67℃，方位角为49℃，光源入射角为71℃ 的位置照射，太阳总辐射表测得玻璃窗垂直面上的平均辐射强度为28.772 W/m²，水平面上的平均辐射强度为54.282 W/m²。安装垂直遮阳板情况下，测试两天，从2012年9月9日（室外空气温度24～32℃）上午8:30始至2012年9月10日（室外空气温度25～29℃）下午17:30止；在无遮阳板时，测试两天，从2012年9月11日（室外空气温度23～32℃）上午8:30始至2012年9月12日（室外空气温度19～30 ℃）下午17:30止，箱内空气温度变化曲线如图3所示。

    垂直遮阳实验测试期间，箱外空气温度整体呈现下降趋势，平均温度为30.1℃，无遮阳实验测试期间，箱外空气温度整体呈现上升趋势，平均温度为30℃，两条曲线变化趋势不同并出现交叉是受到测试期间室外天气环境的影响，10日室外平均空气温度较9日低，而12日室外平均空气温度较11日高，但不同测试期间箱外平均空气温度相当接近，相对误差为0.33%，很小。

    两条曲线的共同点：实验初期，测试箱内空气温度波动幅度较大，随着实验的进行，箱内空气温度继续上升，并趋于稳定。箱内空气热容量已经达到饱和，箱内空气温度波动在+0.1℃误差允许范围之内时，认为箱内空气温度达到稳定。

    两条曲线的不同点：遮阳曲线斜率变化较快并趋于0，箱内最大温差为2.2℃，后期温度稍有下降趋势，可能是由于外界环境的影响；未遮阳曲线斜率变化较慢直至趋于0，由于箱外温度的影响导致其代表的温度明显高于遮阳曲线而出现交叉，箱内最大温差为4.1℃。箱外平均空气温度相对误差仅为0.33%相当小的情况下，同时，采取垂直遮阳板后，箱内外的最高温度相差0.6℃，未采取遮阳，箱内外的最高温度相差2.7℃，表明当采用垂直遮阳板后，也减缓了箱内空气温度的上升速度和幅度，可见垂直遮阳后也产生了一定的降温效果。

    从图2和图3还可以得到，水平遮阳板（遮阳与未遮阳最大温差相差2.5℃）的降温效果优于垂直遮阳板（遮阳与未遮阳最大温差相差1.9℃）。

3.2遮阳对降低空调制冷能耗的实验结果

    2012年9月6日下午17:30和2012年9月8日下午17:30测试了空调工况下采用水平遮阳板和无遮阳板情况下，分别对测试箱体内的温度、箱体内外壁平均温度、玻璃内外表面平均温度、窗框内外表面平均温度以及逐时耗电量的影响，开启空调并将冷箱内的空气温度均设定为15℃。2012年9月10日下午17:30和2012年9月12日下午17:30测试了空调工况下采用垂直遮阳板和无遮阳板情况下，分别对测试箱体内的温度、箱体内外壁平均温度、玻璃内外表面平均温度、窗框内外表面平均温度以及逐时耗电量的影响，开启空调并将冷箱内的空气温度均设定为15℃。结果分两个过程来探讨，第一个过程为冷箱内温度降至设定温度过程中的耗电量和降温时间，第二个过程是保持冷箱内稳定的设定空气温度的耗电量。

    第一个过程，浴霸照射情况相同，采用水平遮阳时，冷箱内气温达到设定温度所需要的时间较不遮阳时要约短20 min;采用水平遮阳时冷箱内降温至15℃期间，共耗电0.53 kWh，而不遮阳时冷箱内降温至15℃期间，共耗电0.74 kWh，可知采用水平遮阳板节省的空调耗电量为0.21 kWh，产生的节能率约为28.38%。采用垂直遮阳时，冷箱内气温达到设定温度

所需要的时间较不遮阳时也要短约5 min；采用垂直遮阳时冷箱内降温至15℃期间，共耗电0.605 kWh，而不遮阳时冷箱降温至150C期间，共耗电0.625 kWh，可知垂直遮阳板节省的空调耗电量为0.02 kWh，产生的节能率约为3.2%，相对水平遮阳板产生的节能率28.38%。说明对于高度角较大的辐射光，水平遮阳的效果优于垂直遮阳。

    第二个过程，为了了解室内气温稳定时，空调的耗电量情况，分别对采用水平遮阳、不采用遮阳、采用垂直遮阳，冷箱内空气温度稳定后连续测量2h的空调耗电量。采用水平遮阳板时2h的耗电量为1.305 kWh，不遮阳时2h共耗电1,375 kWh，故不遮阳时比设置水平遮阳时多耗电1.375-1.305=0.07 kWh，采用水平遮阳的节能率约为5%。采用垂直遮阳板时2h的耗电量为1.44 kWh，不遮阳时2h共耗电1.475 kWh，故不遮阳时比设置垂直遮阳时多耗电1.475-1.44=0.035 kWh，采用垂直遮阳板的节能率约为2.4%。也说明对于高度角较大的辐射光，水平遮阳的效果优于垂直遮阳。

4  实验误差分析

4.1实验测试系统误差计算

    误差分为系统误差、随机误差以及粗大误差，前两者经常出现在实验测试中，随机误差往往是某些难以控制的偶然因素造成的，而系统误差通常由于仪器结构的不良或者周围环境的转变导致。在进行实验测试的过程中，影响测量的主要因素有测量方法、仪器设备、测量人员以及环境条件等。

  测量误差采用下式计算：

4.2本实验测试误差分析

    为了能够确定实验结果的可信程度，对测试结果进行不确定度估算，本次实验测试的各项误差如下：

    1)热电偶温度的测量误差

    热电偶的测量误差为=±0.5℃，按照均匀分布考虑，取包含因子k=，则温度传感器不确定度为=0.5/=0.289℃，相对不确定度≤2.5%。

  2)太阳总辐射表的测量误差u₁

  人工模拟光源的辐射强度使用太阳总辐射表测量，仪器的不确定度为A.108 W/m²，相对不确定度为2%。

    3)电能表的测量误差u₂

    电能表用来测量冷箱开启空调时所耗的电量，仪表的允许测量误差为±0.02 kWh，其不确定度u=0.02/-0.0115 kWh，相对不确定度为2%。

    4)辐射光源辐射能量不稳定度误差，与模拟光源本身特性有关。

    实验测试系统的总误差应合成小于10%即视为可行，由上述分析可知：在本次实验中，重点控制模拟光源辐射能量的不稳定误差在上述范围内，即9.26%就可以达到实验研究的目的。由于模拟光源能量的稳定性主要取决于模拟光源自身的技术性以及测试外界环境的影响，本次实验测试期间，同一工况不同对比情况下均对模拟光源开启约两天的时间，除不可避免的室外气象的影响，其它影响因素均相同，而2012年9月5日至12日期间，均是微风，并无持续风向，并且只有12日是中雨，其它均是多云天气为主，室外温度的影响由前述比较可知不大，最大相对误差6.606%在上述范围之内，所以在误差允许范围之内，本次实验能够达到预期目的。

5  结论

    通过实验室模拟建筑遮阳，测试了不同工况下的遮阳效果，研究表明：

    1)自然工况下，设置遮阳板可以有效地降低室内气温，而且水平遮阳板的降温效果优于垂直遮阳板。

    2)空调工况下，设置遮阳板可以节省空调耗电量，在降温阶段，设置水平遮阳板的节能率约为28.38%，设置垂直遮阳板节能率约为3.2%；在温度稳定阶段，采用水平遮阳的节能率约为5%，采用垂直遮阳板的节能率约为2.4%。

    3)对于高度角较大的辐射光，窗口采用水平遮阳板节能效果明显。