熊海,王永超

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

重慶地區(qū)建筑外遮陽設(shè)計思考

熊海,王永超

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

重慶地區(qū)與同緯度地區(qū)的城市在氣候、地形等特點上有著明顯的區(qū)別，重慶夏季悶熱，冬季相對溫暖，日照時間短，地形地貌較為復(fù)雜。因此重慶的建筑外遮陽設(shè)計應(yīng)與其它同緯度地區(qū)的遮陽設(shè)計有所不同。

重慶；外遮陽；太陽散射輻射；固定外遮陽

1 重慶市太陽輻射特點分析

重慶為夏熱冬冷地區(qū)，夏季炎熱，冬季對比于同緯度地區(qū)氣候較為溫暖，如圖1所示。在日照方面，重慶市年日照時數(shù)1000～1400h，日照百分率僅為25%～35%，為全國年日照最少的地區(qū)之一，但重慶市夏季的太陽輻射量與同緯度地區(qū)相當(dāng)，空調(diào)負(fù)荷大。如圖2所示。

圖1 與重慶同緯度城市冬季最冷月平均溫度

圖2 與重慶同緯度城市最熱月太陽輻射量

重慶市位于北緯29.58°，太陽高度角較高，《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)劃》GB-50176-93[1]中附錄三給出了重慶地區(qū)各朝向的太陽輻射情況，可見東西向太陽輻射是南北向太陽輻射的2倍。根據(jù)周期非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱傳熱時間延遲的現(xiàn)象，室內(nèi)的最高負(fù)荷出現(xiàn)在中午過后。因此重慶地區(qū)遮陽的設(shè)計應(yīng)優(yōu)先考慮屋頂及西向的遮陽。

如圖3所示為與重慶同緯度地區(qū)典型城市太陽散射輻射占總太陽輻射的百分比。由圖3可知，重慶夏季和冬季太陽散射輻射占總輻射的百分比均比其它城市高。

圖3 與重慶同緯度城市夏季與冬季散射輻射量占總太陽輻射量的百分比

2 活動外遮陽與固定外遮陽的選擇

活動遮陽裝置對比固定遮陽裝置來說無疑是更優(yōu)越的遮陽方式。在需要陽光時，可以調(diào)節(jié)遮陽，減少遮陽裝置對陽光的遮擋，在天氣熱的時候則打開遮陽遮擋陽光進(jìn)入。但是活動外遮陽造價較高，且其耐久性、維護(hù)、管理都較為麻煩，因此如何選擇遮陽形式需綜合考慮。

下面針對夏熱冬冷地區(qū)同緯度的5個典型城市重慶、武漢、合肥、南京、上海，分析其在無遮陽、有固定遮陽和有活動外遮陽的情況下分別能達(dá)到的節(jié)能貢獻(xiàn)率。

本文采用以Energyplus能耗軟件作為分析工具。建立一個長10m、寬5m、高3.5m的房間模型，模型南向設(shè)置外窗，尺寸為長8m、寬2m。外墻采用無機(jī)保溫砂漿40mm+200mm蒸壓加氣混凝土砌塊，傳熱系數(shù)1W/（m2·k），屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)0.76W/（m2·k），外窗采用隔熱金屬型材6中透光Low-E+12A+6外窗，傳熱系數(shù)2.61W/（m2·k），遮陽系數(shù)0.574。采用分體式熱泵機(jī)組，COP值為3.0。建筑運行時間表、溫度、室內(nèi)人員、照明、設(shè)備等的設(shè)置參考 《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》GB 50189-2005附錄B辦公類建筑。

模擬分析中固定遮陽設(shè)置為挑出1m的水平外遮陽?；顒油庹陉柕脑O(shè)置為分冬夏兩級調(diào)節(jié)的簡單活動外遮陽方式，夏季與固定外遮陽設(shè)置相同，為挑出1m的水平外遮陽，冬季外遮陽完全收起，即處于無遮陽狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 簡單活動外遮陽示意圖

計算結(jié)果如圖5所示，可見上海，合肥，南京，武漢采用活動外遮陽后的空調(diào)節(jié)能率均對比固定外遮陽裝置有較大提升。其中上海地區(qū)空調(diào)節(jié)能率對比固定外遮陽情況下節(jié)能率提高了5%，南京從節(jié)能率1.8%提高到了6.1%，除重慶以外武漢節(jié)能率提高量最低為2.7%，而重慶地區(qū)活動外遮陽裝置對比固定外遮陽裝置，節(jié)能率僅提高了1.2%。由此可見重慶地區(qū)采用活動外遮陽裝置對比采用固定外遮陽裝置節(jié)能效果并不顯著。

圖5 同緯度不同城市遮陽節(jié)能率提高量

由上可見，活動外遮陽在重慶地區(qū)效果有限。其原因在于重慶地區(qū)冬季相對平均溫度較高，日照較差，冬季散射輻射量占總太陽輻射的80%多，遮陽對冬季的負(fù)面影響較小，而活動外遮陽最大的一個優(yōu)勢就是可以減少遮陽對冬季日照的影響，降低遮陽導(dǎo)致冬季采暖能耗的上升。

3 太陽散射輻射的遮擋

重慶地區(qū)常年為高溫高濕天氣，陰天較多，天空云量大，如圖3所示，重慶夏季太陽散射輻射量占總輻射的59%，而冬季太陽散射輻射占總輻射的百分比更是達(dá)到了83%。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的設(shè)計計算分析，在考慮和不考慮散射輻射遮擋這兩種情況下，透過外窗的總體太陽輻射量有較大的差別，二者最高可差1.2倍以上。而對于重慶散射輻射量比重較大的地區(qū)，宜考慮遮陽對散射輻射的遮擋的影響，以進(jìn)一步提高遮陽效率。

散射輻射由于其多向的輻射角度而較難控制。若要提高遮陽對太陽散射輻射的遮擋，可考慮化整為零的方式。如圖6所示，將水平外遮陽換成百葉外遮陽，將豎向擋板遮陽，換成豎向機(jī)翼遮陽等方式，或者采用卷簾外遮陽或卷閘外遮陽。此外調(diào)整建筑遮陽的位置亦可提高對散射輻射的遮擋，將水平外遮陽盡量靠近外窗上沿，可提高對太陽散射輻射的遮擋。常用的控制散射輻射的方法還有附加室內(nèi)的遮陽設(shè)施或采用內(nèi)遮陽的方法來控制散射輻射。

圖6 百葉遮陽可以提高對太陽散射輻射的遮擋，但是對采光和視野有一定影響

4 周邊環(huán)境對建筑遮陽設(shè)計的影響

重慶城市建設(shè)用地地形高差大，對場地所接收的太陽輻射量有一定影響，大的地形高差遮擋了建筑所接受的太陽輻射，這其實對大部分地區(qū)來說并不是一個好的遮陽方式，應(yīng)該避免這樣的情況。因為當(dāng)把建筑選址在由地形造成的陰影下時，由于太陽高度角在夏季高，冬季低，會導(dǎo)致在需要遮陽的夏季，地形對建筑的遮擋效果欠佳，而在冬季則會非常不利于日照。但對重慶這樣冬季日照較差的地區(qū)日照要求并不高，利用地形來進(jìn)行遮擋也是可取的，當(dāng)然這需要評估被遮擋區(qū)域?qū)θ照盏男枨蟆?/p>

最可取的方式是建筑盡量選在坡的東面，這樣建筑既能接收到一定的太陽輻射，而當(dāng)在夏季正午過后的室內(nèi)高溫時段，由于受地形的影響又可以較多地遮擋西曬達(dá)到遮陽的目的。當(dāng)把建筑設(shè)在西向坡的時候，則情況就相反了。因此當(dāng)我們不得不把建筑設(shè)置在西向坡時，則必須要注意西曬問題，考慮西向的遮陽設(shè)計，而設(shè)置在東向坡時則可以不考慮遮陽。

對于建筑在北坡，建筑間的相互遮擋非常嚴(yán)重，這對于一些低矮的建筑，可能會終年處于陰影之中，這未必是好事，但這對減少夏季冷負(fù)荷卻貢獻(xiàn)很大。因此需結(jié)合日照采光等進(jìn)行權(quán)衡考慮。而在坡的南面，冬季建筑間的遮擋較小，日照條件較好，而夏季太陽輻射得熱量并無明顯增加，南向考慮采用水平遮陽可顯著提高建筑節(jié)能率。

重慶建筑整體規(guī)劃密度較大。當(dāng)周邊存在大量高大建筑時，建筑即使在夏季太陽高度角最高的時候也有可能受到周邊建筑的遮擋。因此在建筑密度較大的情況下需要分析建筑是否受到周邊建筑的遮擋，部分建筑的底層區(qū)域就常年受到周邊建筑的遮擋，對于這樣的區(qū)域是不必要考慮遮陽的。

圖7 重慶某項目受周邊建筑遮擋的情況

圖8 重慶某項目各朝向立面太陽輻射量分布

圖7是重慶某項目在8月份正午過后的陰影情況。可見即使在太陽高度角較高的8月，建筑裙房部份依然受到了周邊建筑的遮擋。

對此情況，利用ecotect軟件計算了該項目東南西北各朝向建筑立面夏季累計太陽輻射分布情況，如圖8所示，建筑立面接受到的太陽輻射量隨高度不同，輻射量的變化比較明顯，輻射量最高處與最低處可差2倍以上。北向太陽輻射量隨高度變化情況最為明顯，東西向次之。

由上分析可知，在建筑密集的區(qū)域，周邊建筑對設(shè)計建筑的遮擋較為明顯，遮陽設(shè)計時，宜考慮周邊建筑對設(shè)計建筑的遮檔情況后，再針對性地進(jìn)行遮陽設(shè)計，避免不必要的投資。

5 不同建筑類型的遮陽設(shè)計

遮陽的設(shè)計實際上既需要考慮氣候及周邊環(huán)境的情況也要考慮建筑本身的類型，從氣候影響建筑的角度出發(fā)，體量較小體形系數(shù)較大的建筑，由于內(nèi)部發(fā)熱量小暴露在外部氣候環(huán)境中的表皮較多，室內(nèi)溫度受氣候環(huán)境的影響較大，稱為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型建筑。另一種建筑類型則相反，體形系數(shù)較小，內(nèi)部設(shè)備、人員等發(fā)熱量較大，室內(nèi)溫度受氣候環(huán)境的影響相對較小，稱為內(nèi)部空間主導(dǎo)型建筑[2]。

一般來說內(nèi)部空間主導(dǎo)型建筑其采暖制冷的溫度對比外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型建筑要低5℃左右，例如，當(dāng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型建筑在室外溫度為15℃需要采暖，那么內(nèi)部空間主導(dǎo)型的建筑則在10℃才需要采暖。而在夏季當(dāng)室外溫度為32℃時，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型建筑需要制冷，而內(nèi)部空間主導(dǎo)型的建筑在室外溫度為27℃時即需要制冷[3]。這樣的結(jié)果就導(dǎo)致了在同一個地區(qū)，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型建筑的采暖期較長，制冷期較短，而內(nèi)部空間主導(dǎo)型建筑則相反，因此內(nèi)部空間主導(dǎo)型建筑需要遮陽的時間是大于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型建筑的，遮陽設(shè)計的尺寸要求也應(yīng)該是大于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型建筑的。

圖9 外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型建筑逐時空調(diào)負(fù)荷

如圖9所示為第2節(jié)所設(shè)模型進(jìn)行全年能耗模擬計算所得全年內(nèi)部負(fù)荷分布情況。圖中縱軸為負(fù)荷量單位kw，藍(lán)色曲線為制冷負(fù)荷，橫軸為時間，從左到右分別為1～12月。圖9為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型建筑，內(nèi)部設(shè)備及照明負(fù)荷總計為19W/m2，圖10為內(nèi)部空間主導(dǎo)型建筑，內(nèi)部設(shè)備及照明負(fù)荷總計為43W/m2，且建筑只有南側(cè)與室外空氣接觸，其余各面均與空氣調(diào)節(jié)房間相連。

因此，內(nèi)部空間主導(dǎo)型建筑空調(diào)負(fù)荷遠(yuǎn)大于外部空間主導(dǎo)型建筑。如果將最高制冷負(fù)荷超過60W/m2時定義為制冷期，則內(nèi)部空間主導(dǎo)型建筑制冷期為4月10日至11月14日，外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型建筑制冷期為5月10日至9月27日?？梢娡獠靠臻g主導(dǎo)型建筑制冷期比內(nèi)部空間主導(dǎo)型建筑的制冷期少了近3個月。

建筑的遮陽設(shè)計需綜合考慮整個制冷期太陽日軌圖的變化來進(jìn)行遮陽尺寸設(shè)計。內(nèi)部空間主導(dǎo)型建筑制冷期的太陽高度角要遠(yuǎn)低于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型建筑，因此對于內(nèi)部空間主導(dǎo)型建筑的遮陽設(shè)計尺寸要大于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型建筑。具體的遮陽尺寸，應(yīng)結(jié)合太陽日軌來進(jìn)行設(shè)計計算[4]。

6 結(jié)語

（1）重慶地區(qū)在大多數(shù)情況下，宜優(yōu)先選用固定外遮陽的遮陽方式，因為在重慶地區(qū)活動外遮陽節(jié)能效果有限，且造價高昂。

（2）重慶地區(qū)的遮陽設(shè)計可適當(dāng)考慮對太陽散射輻射的遮擋，如采用百葉遮陽或卷閘外遮陽可以有效提高對太陽散射輻射的遮擋，采用水平外遮陽時宜設(shè)置在盡量靠近窗戶的位置以提高對太陽散射輻射的遮擋。

（3）場地地形及周邊環(huán)境均可能不同程度地對建筑形成遮陽，因此遮陽設(shè)計宜考慮地形及周邊環(huán)境的影響。必要時應(yīng)進(jìn)行太陽遮擋的模擬分析。

（4）遮陽設(shè)計宜按外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型建筑和內(nèi)部空間主導(dǎo)型建筑進(jìn)行分別設(shè)計。內(nèi)部空間主導(dǎo)型建筑的空調(diào)季較長，其遮陽構(gòu)件尺寸應(yīng)大于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主導(dǎo)型建筑，構(gòu)件尺寸的設(shè)計應(yīng)在分析制冷期的基礎(chǔ)上，根據(jù)制冷期的太陽日軌變化進(jìn)行設(shè)計。

[1]中國建筑科學(xué)研究院.GB-50176-93民用建筑熱工設(shè)計規(guī)劃[S].北京：中國計劃出版社，1993.

[2]張磊，孟慶林.百葉外遮陽太陽散射輻射計算模型及程序?qū)崿F(xiàn)[J].土木建筑與環(huán)境工程，2009（6）.

[3]諾伯特.萊希納（美）.建筑師技術(shù)設(shè)計指南——采暖.降溫.照明：第二版[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[4]李崢嶸.建筑遮陽與節(jié)能[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

On Exteriorshading design for Buildings in Chongqing

The climate and landforms in Chongqing is obviously different from other cities at the same latitude.In Chongqing,it is hot and humid in summerwhile comparativelywarm inw interw ith shortsunshineduration and complex geographic conditions.Therefore,theexterior shading design for buildings in Chongqing should differ from that forother placesat the same latitude.

Chongqing；exterior shading design；diffusesolar radiation；fixed shading

TU 86

A

1671-9107（2014）06-0074-03

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.06.074

2014-05-09

熊海（1983-），男，四川遂寧人，本科，工程師，主要從事綠色建筑咨詢與研究工作。

孫蘇，李紅