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卷帘对建筑能耗影响的模拟和实验研究

  • 作者:
  • 中国暖通空调网
  • 发布时间:
  • 2022-01-10

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湖南大学  谭羽桐, 彭晋卿

       【摘  要】建筑遮阳是提升窗户系统的有效措施,合理的遮阳既能够有效改善室内热舒适及视觉舒适,同时能够减少建筑的空调能耗。本文旨在探究基于眩光控制的卷帘对建筑空调能耗的影响。首先,基于卷帘和玻璃的光热特性参数在WINDOW中建立窗户系统的模型,并验证模型的准确性;然后,建立以湖南大学实验平台为原型的建筑模型并利用Energyplus软件计算无遮阳时参考点的逐时日光眩光指数 (DGI) 以获取遮阳时间表;最后根据遮阳时间表对布置于南向窗户的卷帘进行眩光控制并计算全年制冷与供暖能耗。研究结果表明:基于眩光控制的卷帘遮阳模式与无遮阳相比能够减少28%的制冷能耗,但增加了3%的供暖能耗,全年总空调能耗能够减少14%。由此可知,卷帘能够有效保障室内采光环境并减少建筑空调能耗,对实现建筑节能具有深远的意义。

       【关键词】卷帘;眩光控制;能耗模拟;实验研究;建筑节能

0 引言

    目前,建筑能耗约占社会总能耗的30%~40%[1] ,其中,由窗户造成的能耗约占建筑能耗的50%[2]。在夏热冬冷地区,由单层玻璃透射入室内的太阳辐射所消耗的冷量约占空调负荷的20%-30%[3]。詹林[4]分析了夏热冬冷地区各朝向窗户在晴朗天气各季节得到的太阳辐射热变化。研究结果表明南向窗户夏季得热不多,而冬季比其他朝向能汇集更多的太阳辐射。由于太阳辐射对室内的空调采暖制冷能耗具有重大影响,从窗户进入室内的太阳辐射在冬季有利于减少建筑采暖能耗,但在夏季可能造成过热而增加制冷能耗[5],因此建议南向开窗。

       窗户因其在围护结构中独特的透光特性,成为室内采光和热舒适平衡的关键。为了保障室内舒适的采光环境并尽可能减少建筑能耗,一种安装简单,成本低,调节灵活的卷帘遮阳被广泛应用于提升窗户的保温隔热性能。Oleskowicz-Popiel等[6]研究了卷帘布置于外部和内部时在采暖季节的节能潜力,研究结果表明外卷帘可节省45%的能耗,而内卷帘能节省33%的能耗。李峥嵘等人[7]根据6种不同性能的遮阳卷帘在上海地区的模拟数据得出,采用中反射-中透过率的卷帘能够削弱44%~51%的采光。根据采光动态评价指标,有效采光照度(UDI),赵忠超[8]的研究结果表明采用动态窗帘可使进深1~5m区域的UDI达80%。此外,Kunwar等人[9]根据2017年3月至9月采集的实验数据,探究了卷帘在不同朝向的节能潜力,研究结果表明在保证可接受眩光水平90%以上时,卷帘能平均节省26%的制冷能耗。由此可知,布置合理的卷帘具有平衡室内采光和热舒适的潜力。

       本文旨在探究基于眩光的卷帘控制策略对建筑空调能耗的影响。由于进行全年能耗监测实验的实施难度大,故本文采用Energyplus软件进行全年能耗模拟。为验证该模拟方法的准确性,首先基于湖南大学实验平台开展试验,比较窗户系统内表面温度的实验和模拟结果。然后,利用验证过的模型计算无卷帘遮阳时参考点的逐时DGI,并由此确定遮阳时间表。最后,根据遮阳时间表控制卷帘的开启并模拟计算全年空调能耗。

1 窗户模型建立

       1.1 光热参数测试

       能耗模拟的准确度和可靠性取决于模型的输入参数。因此,首先采用紫外/可见/近红外分光光度计 (LAMBDA PE 1050) 测试卷帘及玻璃的光谱光学参数,包括反射率、透射率以及吸收率,测试结果如表1所示。根据测试结果可知,本文采用的单片玻璃透过率为0.82,反射率为0.07,吸收率为0.11。而本文采用的卷帘透射率仅为0.26,它能够有效阻隔过多的太阳辐射进入室内。对于导热系数,玻璃样品的导热系数取1 W/(m·K),与IGDB数据库中玻璃的导热系数一致;而卷帘的导热系数采用DRE瞬态平面热源法导热仪确定,测试结果为0.12 W/(m·K)。

表1 卷帘及窗帘的光学参数

       1.2 模型建立和计算

       基于上述光热参数,采用劳伦斯伯克利国家实验室开发的一系列用于门窗及幕墙热工计算的软件建立窗户模型,包括Optics和WINDOW。其中,Optics用于对光谱数据的处理,WINDOW用于计算窗户的热性能指标,包括总传热系数(U值),太阳得热系数(SHGC),可见光透射率(Tvis)。将玻璃和卷帘的光谱光学参数测试结果导入Optics软件中,建立卷帘和玻璃的模型,然后将Optics中的单片模型导入WINDOW软件中建立完整的窗户系统。本文建立了两种窗户系统:(1)6 mm普通玻璃+12 mm空气层+6 mm普通玻璃,该窗户系统用做对比;(2)6 mm普通玻璃+12 mm空气层+6 mm普通玻璃+10 mm空气层+卷帘,该窗户系统用做探究卷帘对建筑能耗的影响。两种窗户系统的热性能计算结果列于表2,根据计算结果可知,卷帘能够有效降低窗户系统的传热系数,太阳得热系数和可见光透射率。与基准窗户相比,上述参数分别降低了20%,54%和69%。

表2 基准窗户与实验窗户的热性能参数

2 建筑模型

       本研究以长沙地区办公建筑为研究对象,基于长沙所处夏热冬冷地区的气候特点,遵循《公用建筑节能设计标准 GB50189-2015》,在Sketchup中建立与实验平台(位于湖南长沙)一致的建筑模型,如图1所示。该实验平台占地面积112平方米,实验窗户安装于图示房间,该房间高3米,宽2.5米,进深为6米。外窗位于南向外墙,窗户高2.4米,宽2.4米,窗墙比为76.8%。


图1 建筑模型示意图

3 实验验证

       3.1 实验概况

       图2所示的实验平台位于湖南长沙地区(112.92E, 28.22N),基准窗户位于测试房间的南向外墙,卷帘布置于窗户内侧。卷帘表面布置6个温度传感器,其平均温度用以表征窗户系统内表面的逐时温度。此外,测试期间(1月12日~13日)的室外气象参数如太阳辐射、环境温度、风速等由试验台的气象站测量并采集,图3是实测的太阳辐射及环境温度变化情况。由图可知,实验期间天气晴朗,太阳辐射充足,室外平均气温约为10℃。


图2 实验平台示意图

图3 实测气象数据

       3.2 结果对比以实测

       气象数据作为输入参数,在Energyplus软件中将窗户模型与建筑模型耦合,计算窗户系统内表面逐时温度,图4为窗户系统内表面逐时温度的模拟和实验对比结果。经计算,实验与模拟结果的相对误差为7.5%,均方根误差为1.8℃,两者具有良好的一致性。根据验证结果可知,基于窗户系统各层部件的实测参数在WINDOW中建模并在Energyplus中进行能耗模拟计算的方法准确可靠。


图4 窗户系统内表面温度的实验与模拟结果对比

4 能耗模拟

       4.1 基于眩光控制的遮阳时间表

       本研究采用Energyplus软件模拟建筑全年能耗,它由美国能源部和劳伦斯伯克利国家实验室共同开发,能够对建筑的采光、空调、照明等能源消耗进行全面能耗模拟分析[10]。为获取卷帘遮阳时间表,首先计算无遮阳时参考点的日光眩光指数(DGI),采光参考点设定为0.75m高处工作平面的中心点。DGI自1992年提出以来,成为国际上最为广泛应用的不舒适眩光评价指标[11]。我国的《建筑采光设计标准》GB50033-2013[12]中对采光等级进行了更具体的划分,等级划分列于表3。由表可知,当DGI达到23时眩光能被察觉,因此,当DGI达到23时,卷帘调整为开启状态以削弱眩光。为此,首先在Energyplus中对基准窗户(无卷帘)进行全年采光模拟,得到每小时参考点的DGI,进而获得基于眩光控制的卷帘遮阳时间表。

表3 DGI采光等级划分

       4.2 全年建筑能耗模拟

        全年能耗模拟时,建筑室内热环境参数根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012[13]设定,其中,制冷室内设计温度设定为26℃,供暖室内设计温度设定为20℃。模拟时采用Energyplus官网提供的长沙典型气象年 (CSWD) 逐时气象数据,其中月平均室外温度和太阳辐射如图5所示。


图5 长沙月平均温度及太阳辐射

5 结果分析与讨论

       图6为无遮阳,全遮阳以及基于眩光控制下的建筑空调能耗。图6 (1)所示为三种模式下的逐月制冷能耗,由图可知,长沙地区六月至十月的制冷能耗高,制冷能耗最大月出现在七月。对比三种模式可知,无遮阳时的逐月制冷能耗最大,全遮阳时的逐月制冷能耗最小,而基于眩光控制的遮阳模式的逐月制冷能耗位于两者之间。此外,与无遮阳模式相比,基于眩光控制的遮阳模式在八月的制冷能耗削减量最大。图6 (2)所示为三种模式下的逐月供暖能耗,由图可知,长沙地区五月至九月无供暖能耗,在其余有供暖能耗的月份,全遮阳时的逐月供暖能耗最大,无遮阳时的逐月供暖能耗最小,基于眩光控制的遮阳模式的逐月供暖能耗位于两者之间。但与制冷能耗的削减量相比,采用卷帘所增加的供暖能耗可忽略不计。总空调能耗如图6 (3)所示,三种模式的逐月空调能耗在一月至四月差别甚小,在五月至十一月,无遮阳模式下空调消耗的能量最大。总地来说,采用卷帘遮阳能够有效降低空调制冷能耗,但对冬季制热不利。从全年总能耗来看,相比于无遮阳模式,全遮阳能够减少40%的制冷能耗,但会增加10%的供暖能耗,全年总空调能够减少20%。此外,基于眩光控制的遮阳模式能够减少28%的制冷能耗,但增加了3%的供暖能耗,全年总空调能耗能够减少14%。这是因为卷帘能够有效阻挡太阳辐射进入室内,在制冷时期能够避免过热,但在供暖时期,由于进入室内的太阳辐射减少,因此导致空调供暖能耗增加。


图 6 建筑在无遮阳,全遮阳以及遮阳控制下的逐月
(1)制冷能耗,(2)供暖能耗,(3)空调能耗和(4)年能耗对比

6 结论

       本文旨在探究卷帘对建筑空调能耗的影响。首先基于卷帘和玻璃的实测参数在WINDOW中建立窗户模型,并通过Energyplus软件计算无遮阳时参考点的日光眩光指数(DGI)。然后,基于湖南大学实验平台对该模拟方法进行实验验证,从窗户系统内表面温度来看,实验结果和模拟结果具有良好的一致性。最后,采用经验证的模型基于眩光控制卷帘的开启关闭,探究卷帘对建筑能耗的影响。本文的主要结论如下:

       (1)本文窗户模型与建筑模型建立准确,实验与模拟的窗户内表面温度相对误差为7.5%,均方根误差为1.8℃;

       (2)与无遮阳模式相比,全遮阳能够减少40%的制冷能耗,但会增加10%的供暖能耗,全年总空调能耗能够减少20%;

       (3)基于眩光控制的卷帘遮阳模式与无遮阳模式相比,能够减少28%的制冷能耗,但会增加3%的供暖能耗,全年总空调能耗能够减少14%。

参考文献

       [1] 中国建筑节能协会,中国建筑节能现状与发展报告(20132014)[M]. 北京:中国建筑工业出版社,2015.
       [2] 张虎, 鲁祥友. 安徽省城镇既有建筑外门外窗节能改造探讨[J]. 建筑节能, 2011, (8):71-73. DOI:10.3969/j.issn.1673-7237.2011.08.021. 
       [3] 李新国. 低温地热运用热泵供暖的技术经济分析[J]. 天津大学学报, 1996: 440-453.
       [4] 詹林. 夏热冬冷地区住宅建筑窗户遮阳设计探讨[J]. 住宅科技, 2012, (3): 23-25. DOI:10.3969/j.issn.1002-0454.2012.03.006.
       [5] 余巍.夏热冬冷地区建筑东西向窗户遮阳研究[D]. 湖北: 华中科技大学, 2012.  DOI:10.7666/d.D229909.
       [6] C. Oleskowicz-Popiel, M. Sobczak. Effect of the roller blinds on heat losses through a double-glazing window during heating season in central Europe [J].Energy and Building, 2014, 73: 48-58. http://doi.org/10.1016/j.enbuild.2013.12.032.
       [7] 李峥嵘, 陶求华, 胡玲周, 等. 上海建筑各朝向外窗遮阳卷帘光热分析及优选[J].建筑热能通风空调, 2012, 31(6):1-4. DOI:10.3969/j.issn.1003-0344.2012.06.001. 
       [8] 赵忠超.室内设计视角下办公空间的照明节能研究[D].江苏: 东南大学, 2014. DOI:10.7666/d.Y2626947.
       [9] N. Kunwar, K.S. Cetin, U. Passe, X.H. Zhou, Y.H. Li. Full-scale experimental testing of integrated dynamically-operated roller shades and lighting in perimeter office spaces, Solar Energy, 2019, 186: 17-28. http://doi.org/10.1016/j.solener.2019.04.069.
       [10] 潘毅群. 实用建筑能耗模拟手册:北京,2013:55-56.
       [11] H.M. Traquair. An Introduction to Clinical Perimetry [M]. London: Henry Kimpton, 1942. 
       [12] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50033-2013 建筑采光设计标准[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2013.
   ;    [13] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB 50736-2012 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2013.

       备注:本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期(第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集)。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。