炎热夏季和寒冷冬季地区，不同遮阳结构类型的不透明通风立面的夏季热性能与热设计

《Energy and Buildings》：Summer thermal performance and thermal design of opaque ventilated fa?ades with different shading structure types in hot-summer and cold-winter regions

基于OVFs不同遮阳结构类型的热性能分析及设计方法研究。摘要：建立数学模型分析普通型(O-type)、相变储热型(P-type)、绝热型(T-type)遮阳板对热工性能的影响，得出T型和P型可显著降低墙体外表温度及热流密度，辐射传热起关键作用，遮阳板厚度影响辐射热流，吸热率与发射率主导辐射和传导热流，空腔厚度影响较小，提出热性能最优结构排序及设计参数优化策略。

　　

侯立强|刘妍|陈杰|范月|杨柳

浙江工业大学设计与建筑学院，中国浙江省杭州市310023

摘要

不透明通风立面（OVF）是一种高效的夏季被动冷却技术，遮阳板在其中起着重要作用。然而，在炎热夏季和寒冷冬季地区，不同结构类型的遮阳板对OVF热性能的影响尚不明确。本研究分析了具有不同遮阳结构类型（普通型（O型）、相变蓄热型（P型）和隔热型（T型）的OVF的热性能，以开发一种设计方法。建立并验证了一个数学模型，并基于该模型比较了O型、P型和T型的热性能和传热特性。还分析了混凝土厚度、太阳辐射吸收率、发射率和空气腔厚度的影响。结果表明，与O型相比，T型和P型可以显著降低墙体的表面温度和热流。辐射传热在墙体表面热量的增加中起着关键作用。遮阳板的混凝土厚度对墙体的辐射热流有很大影响。太阳辐射吸收率和发射率对辐射传热和对流传热有显著影响，而空气腔厚度的影响较小。墙体表面热损失率是辐射温差比的二次函数。结构类型的优先顺序为：P型、T型，然后是O型。对于所有类型，应优先考虑降低太阳辐射吸收率和发射率。对于O型，可以考虑增加蓄热能力和优化空气腔厚度；对于T型，则可以增加蓄热能力。不同遮阳结构类型的OVF的热性能和设计方法可以为OVF的热工程设计提供指导，有助于在炎热夏季和寒冷冬季地区实现零碳目标。

引言

零碳建筑是实现“碳峰值”和“碳中和”目标的关键途径[1]。提高建筑围护结构的性能对于实现零碳建筑至关重要[2]，因此需要采用适应气候的高性能围护结构[3]。单一技术所能实现的节能效果有限[4]，但如果集成多种技术，则可以最大限度地调节室内热环境[5]。

由于中国炎热夏季和寒冷冬季地区强烈的太阳辐射和高气温，空调能耗巨大[6]。在炎热夏季和寒冷冬季地区，被动冷却是一个重要的考虑因素，这与太阳辐射丰富的冬季情况截然不同[7][8]。夏季的平均室外空气温度高于26°C，由于太阳辐射的影响，这些地区的建筑物外部表面的综合温度可超过50°C[9]。因此，首要目标是阻挡太阳辐射热，其次是阻挡空气热传递。OVF可以实现上述目的，使其成为高性能的建筑围护结构[10]。遮阳板在被动冷却中起着重要作用。然而，在炎热夏季和寒冷冬季地区，不同结构类型的遮阳板的热性能尚不清楚，相应的热设计方法也尚未开发。

OVF的被动冷却效果主要取决于遮阳板的结构。根据遮阳板的结构，OVF可以分为以下三种类型：普通型（O型）、相变蓄热型（P型）和隔热型（T型）。O型、P型和T型结构中的遮阳板分别由砖（混凝土）、相变材料（PCM）和隔热材料制成。Frick等人[11]比较了具有六种不同遮阳板的OVF的热性能，并分析了它们的传热机制。Masi等人[12]在地中海气候条件下实验研究了使用回收材料的OVF的季节性热性能。Stazi等人[13]发现金属遮阳板在中午会产生过热现象，但在夜间会增加冷却效果。Roig等人[14]分析了不同覆层的OVF的能量性能，并建议采用非导热材料作为覆层。Wu等人[15]发现，在潮湿亚热带气候条件下，光伏立面提供了有效的被动冷却效果。对BIPV双层立面的流动和传热特性的模拟分析表明，光伏板具有显著影响[16]。虽然已经分析了不同材料制成的遮阳板对热性能的影响，但之前的研究并未比较不同结构类型的遮阳板的热性能。

确定遮阳板的结构后，需要优化设计参数以提高被动冷却效果。影响热性能的设计参数包括遮阳板外表面的太阳辐射吸收率[17][18]、内表面的发射率[19][20]、遮阳板材料的厚度[21][22]以及空气腔厚度[23][24]。Fantucci等人[25]发现，OVF的太阳辐射热量可以减少30-70%。Lin等人[26]发现，在中国寒冷地区，太阳辐射吸收率对夏季热性能的影响最大，最佳结构可使OVF的能耗在夏季减少11.4%，在冬季减少6.5%。Marinosci等人[17]发现较窄的空气腔会增加压力损失，且实验中空气腔的冷却效果较差。已经分析了不同设计参数对O型OVF的被动冷却效果，但尚未比较不同结构类型（O型、P型和T型）遮阳板的效果。因此，尚未确定适当的优化措施和设计方法。

以往关于OVF的研究主要集中在不同材料制成的遮阳板的被动冷却效果以及O型OVF的不同设计参数的影响上。然而，不同结构类型的遮阳板的传热特性差异很大，同一设计参数对不同结构类型的遮阳板的影响也可能不同。因此，有必要研究不同结构类型的遮阳板的OVF的热性能及其设计参数的影响。因此，在本研究中，使用MATLAB建立了OVF的数学模型，并利用该模型分析了不同结构类型和设计参数的影响。此外，还提出了炎热夏季和寒冷冬季地区OVF的热工程设计。图1展示了本研究的工作流程示意图。

章节片段

物理模型

在炎热气候地区，OVF通常用作办公建筑的西向墙体。如图2所示，OVF由遮阳板、循环空气腔和墙体组成。OVF的宽度与相应房间的宽度相同，选择了一个1米宽的单元截面进行研究。OVF的高度为3.00米，宽度为1.00米。OVF中的遮阳板通常使用混凝土薄板制成。由于热能的储存/释放

不同遮阳结构类型的影响

对具有三种不同遮阳结构类型的OVF的热性能进行了比较分析。选择杭州作为炎热夏季和寒冷冬季地区的代表性城市进行我们的分析。根据标准[37]，夏季典型的隔热设计日为7月21日。

不透明通风立面的热设计方法

为了比较不同遮阳结构类型的OVF的被动冷却效果，选择了中国炎热夏季和寒冷冬季地区的几个典型城市，包括长沙、成都、重庆、杭州、合肥、南昌、南京、上海和武汉。同时也确定了这些城市夏季典型的隔热设计日。

结论

在本研究中，建立并验证了OVF的数学模型。基于该模型，分析了不同结构类型（O型、P型和T型）的OVF的热性能和传热特性。分析了不同设计参数对热性能和被动冷却效果的影响。最后，根据几个典型炎热夏季和寒冷冬季地区的情况，获得了不透明通风立面的热设计方法。

CRediT作者贡献声明

侯立强：撰写——原始草稿、方法论、调查。刘妍：可视化、形式分析、数据整理。陈杰：验证、调查、概念化。范月：资源获取、资金筹集。杨柳：监督、资源获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52394221）、国家重点研发计划（编号：2024YFC3807900）、广东省基础与应用基础研究基金（编号：2024A1515010891、2023A1515110736）以及浙江省建筑研究项目（编号：2024K065、2025K064）的支持。