楊李寧

（1中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039；2重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶 400030）

0 前言

20世紀(jì)初，賴特率先把太陽幾何學(xué)引入了建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域。在他的成名作中，賴特根據(jù)當(dāng)?shù)卮悍?、秋分等特定時(shí)間的太陽高度角以及各個(gè)房間對(duì)陽光的需求設(shè)計(jì)成了錯(cuò)落有致、深淺不一的挑檐，這些造型舒展的挑檐不僅成就了享譽(yù)世界的草原風(fēng)格，而且創(chuàng)造了現(xiàn)代遮陽設(shè)計(jì)的先河[1]。

建筑外遮陽具有降低夏季室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷、減低冬季通過窗戶的熱損失緩解室內(nèi)自然采光中的眩光問題和改善室內(nèi)熱環(huán)境舒適感的作用，因此，建筑外遮陽的設(shè)計(jì)與室內(nèi)采光和通風(fēng)效果緊密相關(guān)。

重慶屬于夏熱冬冷地區(qū)，其氣候特點(diǎn)決定了建筑的遮陽與隔熱的良好設(shè)計(jì)，對(duì)降低建筑夏季的運(yùn)行能耗具有非常重要的作用。但因受建設(shè)周期、開發(fā)商意愿、建筑師設(shè)計(jì)理念等因素的制約，當(dāng)建筑外遮陽設(shè)計(jì)與建筑美學(xué)、經(jīng)濟(jì)投入發(fā)生矛盾時(shí)，往往選擇犧牲建筑外遮陽的功能性，這不但對(duì)降低建筑運(yùn)行能耗不利，更影響建成后建筑的室內(nèi)舒適性[2－4]。本文以重慶某辦公建筑為例，探討重慶地區(qū)公共建筑外遮陽設(shè)計(jì)的方法。

1 公共建筑外遮陽的設(shè)計(jì)思路

建筑外遮陽設(shè)計(jì)的目的是:夏季，有效遮擋進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射，降低空調(diào)能耗；過渡季節(jié)，能實(shí)現(xiàn)良好的自然通風(fēng)；冬季，保證室內(nèi)舒適性要求的自然采光，降低采暖能耗和照明能耗[3－5]。結(jié)合建筑美學(xué)與經(jīng)濟(jì)成本的要求，本文認(rèn)為重慶地區(qū)建筑外遮陽的設(shè)計(jì)應(yīng)充分利用仿真分析的技術(shù)手段，并按如下思路進(jìn)行:

（1）基于建筑方案，對(duì)建筑各個(gè)朝向的典型位置在典型日（夏至日和冬至日）進(jìn)行日晷圖仿真模擬，確定需要設(shè)置建筑外遮陽的主要位置；

（2）結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，利用仿真模擬手段，分析不同外遮陽設(shè)計(jì)方案的遮陽效果；

（3）結(jié)合建筑美學(xué)與經(jīng)濟(jì)投入等因素，確定最優(yōu)的建筑外遮陽設(shè)計(jì)方案。

2 重慶某辦公建筑外遮陽設(shè)計(jì)的案例分析

2.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

圖1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)效果圖

該項(xiàng)目由摩托車研究大樓、汽車研究院和技術(shù)中心3部分組成，總建筑面積為90924.79m2。設(shè)計(jì)目標(biāo)是獲得“美國(guó)能源與環(huán)境設(shè)計(jì)先鋒獎(jiǎng)LEED”金獎(jiǎng)和“中國(guó)綠色建筑三星獎(jiǎng)”。由于項(xiàng)目所在地的主要交通干道的朝向等因素制約，建筑主朝向?yàn)闁|西向，這對(duì)建筑節(jié)能不利，同時(shí)對(duì)建筑外遮陽的設(shè)計(jì)提出了必要的要求。

2.2 確定建筑外遮陽的設(shè)定位置

2.2.1 建筑遮陽分析

根據(jù)建筑的構(gòu)造，對(duì)建筑的整體進(jìn)行夏季遮陽分析，如圖2、圖3所示。

圖2 夏至日12點(diǎn)

圖3 夏至日16點(diǎn)

根據(jù)太陽運(yùn)行軌跡圖以及建筑夏季典型日（夏至日）的遮陽分析，可知建筑的遮擋情況為:（1）東、西、南為主要受陽面，且西立面建筑結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，樓層間的遮擋現(xiàn)象不明顯，因此夏季受太陽輻射大；（2）北面受太陽輻射較弱，且建筑結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

為準(zhǔn)確得出建筑夏季遮陽和冬季采光情況，下面將對(duì)建筑的西立面進(jìn)行夏季遮陽分析和冬季采光分析。

2.2.2 建筑各立面詳細(xì)分析

根據(jù)上述對(duì)建筑冬夏季的太陽運(yùn)行軌跡運(yùn)行圖和根據(jù)夏至日和冬至日的陰影圖分析，結(jié)合建筑的構(gòu)造以及朝向，將建筑的西立面進(jìn)行遮陽和采光分析，見圖4。該設(shè)計(jì)中以西向作為建筑的主朝向，且采用了大面積的玻璃幕墻，因此尤其應(yīng)注重遮陽設(shè)施的選用，遮陽形式以建筑構(gòu)件外遮陽為主（著重于垂直遮陽的設(shè)計(jì)），輔以內(nèi)遮陽百葉、種植室內(nèi)植物起到遮陽效果。

圖4 建筑西立面遮陽設(shè)置分析圖

2.3 確定建筑外遮陽的尺寸

根據(jù)仿真模擬結(jié)果，認(rèn)為建筑西立面的遮擋情況是影響建筑室內(nèi)能耗、采光等的主要立面，本文以西立面為例，說明建筑外遮陽尺寸確定的方法。

2.3.1 采用垂直遮陽的建筑模型

以center-4f的一面窗戶為例，用ECOTECT軟件模擬，如圖5、圖6。

圖5 Ecotect中心建筑西立面垂直固定外遮陽建筑模型

圖6 Ecotect中心建筑西立面垂直固定外遮陽局部詳圖

2.3.2 建筑西立面遮擋的仿真計(jì)算

建立模型分別模擬夏至日和冬至日，西立面在無遮擋和遮陽板挑出寬度為300mm、400mm、500mm、600mm 等5種情況下的太陽輻射遮擋情況，詳見表1。

表1 太陽輻射遮擋情況表

2.3.3 建筑西立面窗戶輻射熱量的仿真計(jì)算

氣象條件:CHN_Chongqing,Shabaping_CSWD。

計(jì)算時(shí)間段:夏至日（6月21日）12:00-18:00，西立面窗戶的輻射熱量累計(jì)值。

計(jì)算結(jié)果處理:外遮陽系數(shù)SD是建筑物玻璃幕墻有外遮陽設(shè)施時(shí)透入室內(nèi)的輻射熱量與在相同條件下無外遮陽設(shè)施時(shí)透入的室內(nèi)輻射熱量的比值。

以水平挑出寬度300mm為例，該外窗外遮陽系數(shù)仿真計(jì)算結(jié)果如圖7。

根據(jù)仿真模擬計(jì)算結(jié)果可知，在水平挑出寬度分別為0mm、300mm、400mm、500mm、600mm 5種情況下，“西立面該外窗綜合遮陽系數(shù)SC”如表2所示。

表2 建筑西面某外窗綜合遮陽系數(shù)SC計(jì)算表

3 結(jié)論及建議

本文針對(duì)垂直固定外遮陽條件下，挑出長(zhǎng)度分別為300mm、400mm、500mm和600mm時(shí)，對(duì)建筑西立面窗戶夏至日、冬至日的遮陽情況進(jìn)行了模擬分析。得出如下結(jié)論。

3.1 夏至日（6月21日）

遮擋效果:14:00-16:00，垂直固定遮陽板對(duì)窗戶的遮擋率在15%～20%之間；16:30-19:00，垂直固定遮陽板對(duì)窗戶的遮擋率在40%左右。可知:由于夏至日太陽方位角方向與建筑西立面法線近于平行，垂直固定遮陽板對(duì)窗戶的遮擋率與遮陽板的挑出長(zhǎng)度不具有相關(guān)性。

外遮陽系數(shù):

圖8 外遮陽系數(shù)SD隨遮陽板挑出長(zhǎng)度變化曲線

從圖8可知，通過不同挑出長(zhǎng)度外遮陽的輻射熱量計(jì)算（選擇最不利工況:夏至日，12:00-18:00）?？芍?當(dāng)挑出長(zhǎng)度為300mm時(shí)，外遮陽系數(shù)為0.745；當(dāng)挑出長(zhǎng)度為400mm時(shí)，外遮陽系數(shù)為0.701。

3.2 冬至日（12月21日）

圖9 遮擋率隨遮陽板挑出長(zhǎng)度的變化情況（冬至日）

如圖9所示，在冬至日，建筑西立面窗戶遮擋率100%（即被完全遮擋，無法接受到太陽直射）的累積時(shí)間，隨遮陽板挑出長(zhǎng)度的增加而增加?？芍?建筑西側(cè)房間的日照時(shí)間隨遮陽板挑出長(zhǎng)度的增加而減少，當(dāng)挑出長(zhǎng)度為300mm、400mm時(shí)，均能保證建筑西側(cè)房間冬季2小時(shí)的日照時(shí)間。

3.3 外遮陽設(shè)置尺寸的確定

根據(jù)表2可知，在5種情況下，當(dāng)水平挑出寬度為300mm、400mm和500mm時(shí)，建筑外遮陽的綜合遮陽系數(shù)分別為0.22、0.21和0.20，均符合《重慶市公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于建筑外遮陽在夏季的綜合遮陽系數(shù)小于0.26的要求。

但綜合考慮冬季日照和夏季遮陽的效果，結(jié)合建筑外立面的美學(xué)要求，兼顧經(jīng)濟(jì)投入和外遮陽板生產(chǎn)廠家的建議，最終，項(xiàng)目選擇了垂直固定遮陽板的挑出長(zhǎng)度為300mm。

[1]李崢嶸，趙群，展磊.建筑遮陽與節(jié)能[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[2]顧偉祖.建筑外遮陽節(jié)能改造效果比較研究[J].住宅產(chǎn)業(yè)，2013（6）.

[3]楊燕萍.建筑外遮陽軟卷簾的節(jié)能效果分析[J].建設(shè)科技，2013（23）.

[4]何少劍，陸世登，唐昱.廣西地區(qū)建筑外遮陽可行性設(shè)計(jì)方法研究[J].建筑節(jié)能，2012（6）.

[5]曾恒志，張祺飛，劉國(guó)偉.適宜地方氣候的生態(tài)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)——以重慶建筑節(jié)能示范中心為例[J].福建建筑，2012（2）.