Calculation and analysis on shading and daylighting characteristics of shading device(1)
遮阳装置的遮阳与采光特性计算分析（一）
杨仕超 周荃 江飞飞 余凯伦
广东省建筑科学研究院
摘要：建筑遮阳装置种类多，形状各异，亟需系统、科学的计算分析方法来量化不同遮阳装置的遮阳和室内采光效果。本文首先探论并提出了基于建筑节能分析、空调负荷分析等不同目的时，遮阳装置的遮阳和和采光效果的计算方法。针对这些计算方法提出了应用原则。然后，针对固定遮阳、百叶遮阳、遮阳帘等各种常见遮阳装置，进行了遮阳和室内采光效果计算和分析。最后，结合计算结果，提出了各类遮阳装置在建筑上应用的的适用原则。
0 引言
建筑遮阳虽然已经是绿色建筑中公认的节能措施，而且是低成本的被动技术，应该得到大量的应用。但是，对于遮阳装置的遮阳效果，目前还没有统一的评价方法。国际上，在ISO15099标准中给出了平行于门窗且完全覆盖门窗的遮阳装置的光学、热工计算方法和计算公式，欧洲标准EN13363-1给出了这类遮阳装置的简化计算公式，但对于不平行或不完全覆盖门窗的遮阳装置则无能为力。
我国的《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》JGJ75和《公共建筑节能设计标准》GB50189中提出了遮阳装置遮阳系数的简化计算方法，该方法是基于有遮阳和无遮阳情况下能耗的对比拟合出的遮阳系数简化计算公式，给出的类型有限，且适用范围有限。
我国建设行业标准《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJ/T151则结合了ISO15099和EN13363，给出了平行于门窗且完全覆盖门窗的遮阳装置的光学、热工计算方法和计算公式，但同样也没有对不平行于或不完全覆盖门窗的遮阳装置的计算方法。
对于遮阳装置视觉舒适度的评估计算，DINEN14500:2008给出了平行于门窗且完全覆盖门窗的遮阳装置的测试方法和计算公式，同样也没有对于不平行或不完全覆盖门窗的遮阳装置的计算方法。
建筑遮阳装置的种类非常之多，形状各异，各种遮阳装置的计算评估都很重要，而且方法是否合适对遮阳的设计有着直接的影响。既然如此，行业就应该解决这些问题，让遮阳装置有一整套完整、科学的计算分析方法。通过这些计算分析方法，建筑设计师们可以对各种遮阳装置有比较清晰的认识，便于在建筑设计中灵活应用。
1 遮阳装置遮阳和采光效果的计算方法
1.1 遮阳系数的定义
遮阳装置的遮阳效果随着太阳位置和天气情况的变化而变化。一般而言，遮阳装置在每时每刻都有不同的遮阳系数。在某一时刻、某一太阳直射、散射分布下，“门窗的遮阳系数是门窗和遮阳装置组合体的太阳能总透射比与无遮阳装置的情况下该门窗的太阳能总透射比的比值”。这样，对于平行于门窗且完全覆盖门窗的遮阳装置的遮阳计算是相对可以简化一些，而对于不平行于门窗或不完全覆盖门窗的遮阳装置的计算则异常复杂。
1.1.1用于建筑节能计算的遮阳系数
对于建筑节能而言，如果能够对每个时刻的太阳辐射进行详细的计算是再好不过的了，但计算机这样计算时，建筑师不能直观地得到遮阳装置的节能效果。所以，如果把遮阳装置放到某个简单的建筑物窗户上，进行全年的能耗计算，根据采暖能耗和空调能耗在有遮阳和没有遮阳前后的变化，就可以得到冬季和夏季两个等效遮阳系数。这个遮阳系数可以作为用于建筑节能计算的（等效）遮阳系数。
1.1.2用于空调负荷计算的遮阳系数
空调负荷的计算需要对每个时刻都进行计算，而且一般采用晴天作为典型天。用于空调负荷计算的遮阳系数应根据需要进行逐时的计算，得到每个时刻的遮阳系数。用于空调负荷计算的遮阳系数不是同一个数，有多少需要计算的时刻就有多少遮阳系数。
1.1.3遮阳产品给定条件的遮阳系数
为了遮阳产品性能的相互对比，各个产品标准中往往规定一定的太阳方位角、高度角，以及太阳光的直射散射比例，从而得到一类产品的准确遮阳系数。这个系数针对给定的条件计算，得到相应条件下的遮阳系数，所以这个遮阳系数只能作为产品性能比较用，而一般不能直接用于实际工程计算。
1.2 遮阳装置遮阳系数的计算
1.2.1用于空调负荷计算的遮阳系数计算
空调负荷计算一般取特殊的计算天（如7月22日）。由于要求进行一个完整天的逐时计算，所以要计算每一个时刻的遮阳系数。这一系数的计算要求计算每个时刻的太阳辐射照度（分为直射和散射两部分），同时需要给出太阳的高度角、方位角。这部分的计算不考虑不同天气条件的直射和散射关系，而只计算晴天的辐射照度。计算每个时刻的遮阳系数，均要考虑地面、周围建筑的影响。
遮阳构件、窗的太阳辐射照度计算分别计算，然后还要计及遮阳装置受阳光照射后表面发出的二次辐射对窗的辐射部分。
1.2.2用于建筑节能计算的遮阳系数计算
建筑节能计算的天气数据一般采用标准气象年。在一年的计算中，外窗及其遮阳要进行逐时的计算，遮阳的效果也就进行了逐时的计算。如果要知道遮阳装置的遮阳效果，必须同时还计算不采用遮阳设施时的建筑能耗，从两者之差计算得到遮阳系数，从制冷能耗中得到夏季遮阳系数，从采暖能耗中得到冬季遮阳系数。这种方法可以称为“能耗计算法”。《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》JGJ 75遮阳简化计算所采用的建筑模型见图1.
图1 “能耗计算法”采用的计算模型
还有一种方法是进行太阳的入射辐射计算，计算全年窗户的太阳辐射照度的累计，把全年有遮阳装置和没有遮阳装置的太阳辐射照射总量进行对比，得到全年的遮阳系数。把一年中的春、秋两个过渡季节作为夏季和冬季的分界，分别计算夏季和冬季的遮阳系数。这种方法可以称为“辐射累计法”（图2）。
图2 “辐射累计法”遮阳装置模型示意图
以上这两种方法得到的都是等效遮阳系数。两种方法计算的遮阳系数会略有不同，“能耗计算法”计算的遮阳系数与建筑的其他围护结构及空调系统有一定关系，而“辐射累计法”则仅与遮阳装置有关。
1.2.3与窗平行的遮阳装置遮阳系数的计算
这类遮阳装置包括织物帘和百叶帘等。对于织物帘，只要测量了透射比和反射比，既可计算其遮阳性能。但百叶帘却与百叶的角度和太阳入射角、太阳直射与散射的比例等均有关。
百叶透过率的计算可以采用二维模型，如图3（来自DIN EN 14500：2008）：
图3 百叶透过率计算二维模型
直射阳光透射、反射的计算公式如下式：
式中：
Φij ——区域i～j角系数，部分情况下的角系数见附录C；
τ ——材料太阳光透射比；
ρ、ρ/ ——材料前、后表面太阳光反射比；
τs,D、ρs,D——遮阳卷帘直射太阳光的透射比、反射比。
直射阳光透射、反射的计算公式如下式：
式中：
τs,d、ρs,d——遮阳卷帘散射太阳光的透射比、反射比。
得到了透射比和反射比后，遮阳系数可以按照ISO15099或我国国家标准《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJ/T 151的计算方法计算其遮阳系数。
1.3 遮阳装置室内采光效果的计算
对于尺寸较大且不与门窗平行或不完全覆盖门窗的遮阳装置，计算采光透射比意义不大，应直接计算建筑室内采光效果。而对于与门窗平行且完全覆盖门窗的遮阳装置，先计算透射比，再计算采光才是可行的，计算方法相对简单，且结果更加精确。
透射比、反射比的计算与遮阳系数的计算方法是一致的，只不过是光谱不同，加权计算不一样。
采光计算一般采用CIE全阴天模型，而不采用实际天气条件，实际天气条件模型主要用于光学效果的模拟计算。全阴天模型一般采用国际照明委员会(CIE)的全阴天模型，考虑的是最不利条件下的情况，所以计算不包括直射日光。计算室内采光时还要包括遮阳装置每个面的反光和室内墙面、天花、地面的反光。
