李令令 孟慶林 張磊 孟慶偉

摘要：變電站建筑不僅要滿足精密設(shè)備的運(yùn)行要求，還要滿足人員的工作使用要求，其外遮陽(yáng)的設(shè)計(jì)需要兼顧節(jié)能和室內(nèi)自然采光的要求。以夏熱冬暖地區(qū)某典型變電站建筑的主控通信樓為例，采用相關(guān)能耗和采光模擬軟件，模擬分析該建筑在不同遮陽(yáng)設(shè)施工況下建筑能耗和室內(nèi)采光的變化，以建筑節(jié)能率和采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出其尺寸設(shè)計(jì)的適宜范圍，明確此類建筑外遮陽(yáng)的尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)采用節(jié)能與自然采光雙目標(biāo)優(yōu)化的方法，改變以外遮陽(yáng)系數(shù)為單一評(píng)價(jià)參數(shù)的方式。

關(guān)鍵詞：變電站；建筑外遮陽(yáng)；節(jié)能；自然采光

中圖分類號(hào)：TU113.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2018）02013207

收稿日期：20170709

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC0700205）

作者簡(jiǎn)介：李令令（1990），女，博士生，主要從事建筑節(jié)能、室外熱環(huán)境研究，Email：huananlilingling@163.com。

孟慶林（通信作者），男，教授，博士生導(dǎo)師，Email：arqlmeng@scut.edu.cn。

Received：20170709

Foundation item：National Program on Key Research Project of China （No. 2016YFC0700205）

Author brief：Li Lingling（1990）， PhD candidate，main research interests：building energy saving and outdoor thermal environment，Email：huananlilingling@163.com.

Meng Qinglin（corresponding author），professor，doctoral supervisor，Email： arqlmeng@scut.edu.cn.Double objective optimization analysis of external sunshade of

asubstationin hotsummer and warmwinter area

Li Lingling1，Meng Qinglin1， Zhang Lei1，Meng Qingwei1

（1.School of Architecture，State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，

Guangzhou 510640，P. R. China； 2.Meihekou Fukang Alcohol Co.Ltd，Meihekou 135000， Jilin， P. R. China）

Abstract：The main control building of the substation is not only to meet the operational requirements of precision equipment， but also to meet the working requirements of personnel. The design of external shading should take into account the requirements of energy saving and indoor natural lighting. In this study， a typical substation building as an example in the hotsummer and warmwinter area was chosen. The change of indoor light environment and energy consumption of this building in different shading facilities were simulated and analyzed by using energy and lighting simulation software. And the suitable range of size of the shading facilities were obtained by taking the building energy efficiency and lighting coefficient standard value as evaluation index. Finally， it is clear that the size design of the external shading of this kind of building should adopt the method of double goals optimization of energy saving and natural lighting， to change the way that outside shading coefficient as a single evaluation parameter.

Keywords：substation building；externalsunshade；energy saving；natural daylighting

面對(duì)世界能源的緊缺，作為能耗大戶的建筑業(yè)，節(jié)能是其發(fā)展的必然要求和趨勢(shì)。根據(jù)研究，建筑遮陽(yáng)可以有效遮擋太陽(yáng)輻射熱，降低室內(nèi)溫度，減少建筑能耗，是重要的節(jié)能措施[14]。建筑遮陽(yáng)技術(shù)中，外遮陽(yáng)是在外窗室外側(cè)安裝固定或者可調(diào)節(jié)的水泥混凝土板或金屬板，在豐富建筑物的立面藝術(shù)效果的同時(shí)，直接把太陽(yáng)輻射遮擋在室外。然而，建筑外遮陽(yáng)在遮擋陽(yáng)光的同時(shí)，不可避免地降低了室內(nèi)照度，這對(duì)于室內(nèi)自然采光是非常不利的，尤其是在陰雨天。現(xiàn)階段關(guān)于辦公建筑外遮陽(yáng)的節(jié)能和采光效果研究的很多，但是，關(guān)于工業(yè)建筑的研究較少。Hien等[5]分析了6種不同形式的外遮陽(yáng)下室內(nèi)采光情況，得出不同形式的外遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)采光均有削弱作用。Athienitis等[6]對(duì)遮陽(yáng)百葉的傾角進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在百葉傾角為78°，太陽(yáng)能高度角為15°時(shí)，室內(nèi)透光率最大。當(dāng)室內(nèi)采光不好時(shí)，建筑的照明能耗會(huì)大大增加，從而導(dǎo)致總的建筑能耗增加[78]。Mirza等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，合理地利用自然光可以為挪威和瑞典兩個(gè)國(guó)家分別節(jié)約至少1%的電能。Chen等[10]對(duì)工業(yè)建筑大空間內(nèi)的自然采光和節(jié)能潛力做了實(shí)驗(yàn)和模擬研究，采用自然采光可以節(jié)約能耗41.5%。Huang等[11]設(shè)計(jì)了一種新型動(dòng)態(tài)遮陽(yáng)系統(tǒng)，不僅降低了建筑制冷能耗，而且，提高了自然采光的使用。Manzan等[12]通過(guò)軟件模擬，對(duì)某辦公建筑的固定遮陽(yáng)裝置進(jìn)行了遮陽(yáng)和采光性能的優(yōu)化。周荃等[13]模擬分析不同尺寸的水平外遮陽(yáng)和垂直外遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)自然采光環(huán)境的影響，當(dāng)遮陽(yáng)尺寸超過(guò)一定范圍后再增加外遮陽(yáng)的尺寸，對(duì)室內(nèi)采光效果的影響不明顯。

從以上分析可以看出，如何合理設(shè)計(jì)建筑的外遮陽(yáng)，對(duì)于平衡建筑遮陽(yáng)節(jié)能和室內(nèi)的采光效果很重要。工業(yè)建筑與辦公建筑的功能和采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值要求不同[14]，尤其是變電站類建筑的主控通信樓，不僅要滿足精密設(shè)備的運(yùn)行要求，還要滿足人員工作使用要求。此外，現(xiàn)有研究中對(duì)于室內(nèi)采光效果的評(píng)價(jià)大多以室內(nèi)照度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，但是，在全年和全天里，室內(nèi)照度不斷變化，在確定室內(nèi)的天然光照度水平時(shí)，無(wú)法只將室內(nèi)的照度水平作為同一標(biāo)準(zhǔn)。

本文以夏熱冬暖地區(qū)某典型變電站建筑的主控通信樓為例，以建筑節(jié)能率和采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究建筑的遮陽(yáng)設(shè)施在滿足節(jié)能與自然采光的雙目標(biāo)要求時(shí)，其適宜的尺寸設(shè)計(jì)，進(jìn)而為該地區(qū)此類建筑外遮陽(yáng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方法和案例參考。

1建筑概況及外遮陽(yáng)形式的選擇

第2期 李令令，等：夏熱冬暖地區(qū)變電站建筑外遮陽(yáng)的雙目標(biāo)優(yōu)化1.1典型建筑概況

典型建筑為某變電站的主控通信樓，位于廣東省陽(yáng)江市，總建筑面積745 m2，分為上下兩層。1層主要為附屬房間，層高3.3 m；2層為主控室和通信室，層高4.15 m。平面布置均為矩形房間。窗高1.8 m，窗寬2.4 m，2層窗戶頂端距離挑檐底面為0.5 m。

1.2外遮陽(yáng)形式的選擇

建筑外遮陽(yáng)的形式一般分為：水平式遮陽(yáng)、垂直式遮陽(yáng)、擋板式遮陽(yáng)和綜合式遮陽(yáng)，其中，綜合式遮陽(yáng)是前3種遮陽(yáng)形式的組合形式，如圖1所示。建筑外遮陽(yáng)的遮陽(yáng)效果常用外遮陽(yáng)系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，而且，外遮陽(yáng)系數(shù)的計(jì)算方法有多種[15]，但是，工業(yè)建筑種類較多、行業(yè)性質(zhì)差別較大，目前，沒(méi)有統(tǒng)一的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，所以，本文按照規(guī)范[16]中建筑外遮陽(yáng)系數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

圖1遮陽(yáng)形式

Fig.1Shade form通過(guò)變化外遮陽(yáng)構(gòu)件的尺寸，分別計(jì)算不同遮陽(yáng)構(gòu)件不同遮陽(yáng)特征值x時(shí)，建筑東、南、西、北4個(gè)方向的外遮陽(yáng)系數(shù)SD值，初步判斷不同遮陽(yáng)形式在該地區(qū)建筑各朝向的適用性，為該建筑遮陽(yáng)形式的選擇提供依據(jù)。

根據(jù)計(jì)算，該地區(qū)水平遮陽(yáng)在東、南向遮陽(yáng)效果較好，如圖2所示，水平遮陽(yáng)在建筑的東向外遮陽(yáng)系數(shù)最小，為0.66，南向次之，北向最大；垂直遮陽(yáng)在南向遮陽(yáng)效果較好。圖3中，垂直遮陽(yáng)在建筑的南向外遮陽(yáng)系數(shù)最小，為0.66，東、西向次之，北向最大；圖4中擋板式外遮陽(yáng)在建筑的東、西向外遮陽(yáng)系數(shù)最小，為0.04，北向次之，南向最大；可見(jiàn)，擋板式遮陽(yáng)在東、西向遮陽(yáng)效果較好。綜合式遮陽(yáng)由于是其他遮陽(yáng)形式的組合，所以與上述幾種遮陽(yáng)形式的規(guī)律特性一致，對(duì)遮擋高度角中等的、從窗前斜射下來(lái)的陽(yáng)光比較有效，而且，遮陽(yáng)效果比較均勻。

圖2水平外遮陽(yáng)

Fig.2Horizontal shade圖3垂直外遮陽(yáng)

Fig.3Vertical shade圖4擋板式外遮陽(yáng)

Fig.4Baffle shade金屬穿孔板擋板式遮陽(yáng)在特征值為1時(shí)，其遮陽(yáng)系數(shù)隨穿孔率增大而增大，如圖5所示。在工程應(yīng)用中，遮陽(yáng)板的設(shè)計(jì)需要考慮建筑的采光、通風(fēng)要求。該地區(qū)的氣候受海陸風(fēng)影響，在采用金屬穿孔板擋板式遮陽(yáng)時(shí)，可選擇穿孔率為0.4～0.6。

圖5金屬穿孔板擋板式遮陽(yáng)

Fig.5Metal perforated plate baffle shade對(duì)于該地區(qū)，水平遮陽(yáng)在東、南向遮陽(yáng)效果較好；金屬穿孔板擋板式遮陽(yáng)在東、西向遮陽(yáng)效果較好，適宜的穿孔率范圍為0.4～0.6；綜合式遮陽(yáng)可以較好地彌補(bǔ)采用一種遮陽(yáng)方式的缺點(diǎn)，遮陽(yáng)效果更好。因此，本文主要模擬該建筑在采用水平遮陽(yáng)、金屬穿孔板擋板式遮陽(yáng)二者綜合應(yīng)用時(shí)，建筑的能耗和室內(nèi)自然采光情況。

2數(shù)值模擬

2.1模擬軟件設(shè)置

建筑能耗模擬軟件采用清華大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的DeSTC（Design by Simulation Toolkit）軟件。該軟件經(jīng)過(guò)對(duì)比和驗(yàn)證，在計(jì)算能耗方面得到了認(rèn)可，其模擬計(jì)算結(jié)果具有可靠性[17]。

模型設(shè)置如圖6、圖7所示。

圖6DeST一層建筑模型圖

Fig.6圖7DeST二層建筑模型圖

Fig.7建筑采光軟件采用Autodesk Ecotect Analysis 2011（生態(tài)建筑大師）。該軟件計(jì)算原理為光線追蹤法，計(jì)算模型選用CIE全陰天模型，其模擬計(jì)算快速直觀，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到研究和實(shí)踐之中。模型設(shè)置如圖8所示。

圖8Ecotect建筑模型圖

Fig.8Ecotect model2.2模擬參數(shù)設(shè)置

1）氣象參數(shù)為廣東省陽(yáng)江市的氣象參數(shù)[18]。

2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置如表1所示。表1圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置表

Table1Enclosure parameter setting類型傳熱系數(shù)/

（W·（m2·K）-1）反射系數(shù)透過(guò)率屋面0.740.702地面1.50.404外墻1.490.604玻璃3.20.6110.43

3）室內(nèi)參數(shù)設(shè)置夏熱冬暖地區(qū)全年只考慮空調(diào)，不考慮采暖。計(jì)算機(jī)及通信室溫度設(shè)置為26 ℃，空調(diào)性能系數(shù)設(shè)置為3.2。本文主要分析建筑外遮陽(yáng)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的影響，為了減小熱擾對(duì)于分析結(jié)果的影響，室內(nèi)人員、燈光和設(shè)備等穩(wěn)定熱擾均設(shè)為0[19]。

4）采光模擬設(shè)置根據(jù)采光規(guī)范[14]，陽(yáng)江屬于Ⅳ類光氣候區(qū)，考慮最不利條件下，采光系數(shù)模擬使用的是全陰天模型，室外天然光臨界照度應(yīng)設(shè)為13 500 lux。此類建筑為工業(yè)建筑，測(cè)量照度的參考平面高度設(shè)置為1 m。主控通信樓的功能房間主控室和通信室位于2層，所以，在模擬時(shí)主要模擬建筑2層有無(wú)遮陽(yáng)設(shè)施時(shí)的采光系數(shù)。

5）模擬工況設(shè)置通過(guò)設(shè)置3類工況，量化該建筑外遮陽(yáng)與采光、節(jié)能效益的關(guān)系，如表2所示。

類型1：無(wú)遮陽(yáng)措施；

類型2：有水平遮陽(yáng)措施；

類型3：有綜合遮陽(yáng)措施。

水平遮陽(yáng)措施為挑檐水平遮陽(yáng)，即工況1～6，其挑出長(zhǎng)度在0.6～1.6 m范圍內(nèi)按照0.2 m依次變化。綜合遮陽(yáng)措施為在挑檐水平遮陽(yáng)的基礎(chǔ)上相應(yīng)增加金屬穿孔板擋板式遮陽(yáng)，其穿孔率為0.5，按照擋板式遮陽(yáng)的遮陽(yáng)板寬度不同分為12個(gè)工況，其中，擋板寬度為0.72 m即窗戶遮擋比例為0.3的工況為7～12；擋板寬度為1.2 m即窗戶遮擋比例是0.5的工況為13～18。

表2不同遮陽(yáng)形式的建筑空調(diào)能耗

Table 2building energy consumption of different shade遮陽(yáng)措施工況遮陽(yáng)板尺寸/m特征值全年空調(diào)能耗/

（kW·h）無(wú)遮陽(yáng)0008 075.64水平

遮陽(yáng)1水平挑出長(zhǎng)度0.6水平0.267 673.842水平挑出長(zhǎng)度0.8水平0.357 554.673水平挑出長(zhǎng)度1.0水平0.437 432.764水平挑出長(zhǎng)度1.2水平0.527 317.885水平挑出長(zhǎng)度1.4水平0.617 213.486水平挑出長(zhǎng)度1.6水平0.707 113.67綜合

遮陽(yáng)7水平0.6；擋板寬0.72，高4.0水平0.26；擋板16 950.868水平0.8；擋板寬0.72，高4.0水平0.35；擋板16 867.389水平1.0；擋板寬0.72，高4.0水平0.43；擋板16 804.4510水平1.2；擋板寬0.72，高4.0水平0.52；擋板16 741.3111水平1.4；擋板寬0.72，高4.0水平0.61；擋板16 715.9612水平1.6；擋板寬0.72，高4.0水平0.70；擋板16 684.0913水平0.6；擋板寬1.2，高4.0水平0.26；擋板16 707.6614水平0.8；擋板寬1.2，高4.0水平0.35；擋板16 646.6415水平1.0；擋板寬1.2，高4.0水平0.43；擋板16 583.0816水平1.2；擋板寬1.2，高4.0水平0.52；擋板16 522.2417水平1.4；擋板寬1.2，高4.0水平0.61；擋板16 492.9618水平1.6；擋板寬1.2，高4.0水平0.70；擋板16 457.70

3外遮陽(yáng)對(duì)建筑能耗和室內(nèi)采光的影

響與分析3.1相關(guān)參數(shù)計(jì)算

1）建筑節(jié)能率是指設(shè)計(jì)建筑采用遮陽(yáng)設(shè)施前后，建筑能耗的降低百分比，計(jì)算式為η=1-QQ0×100%（1）式中：η為建筑節(jié)能率；Q0為建筑無(wú)遮陽(yáng)時(shí)的全年空調(diào)能耗，kW·h；Q為建筑采用遮陽(yáng)措施后的全年空調(diào)能耗，kW·h。

2）采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值[14]是在規(guī)定的室外天然光設(shè)計(jì)照度下，滿足視覺(jué)功能要求時(shí)的采光系數(shù)值，是參考平面上的平均值，在采用側(cè)面采光時(shí)要按式（2）計(jì)算。此外，工業(yè)建筑的主控制室，側(cè)面采光時(shí)要求該值大于4%。Caυ=ACτθAz（1-ρj）2（2）式中：Ac為窗洞口面積，m2；Az為室內(nèi)表面總面積，m2；ρj為室內(nèi)各表面反射比的加權(quán)平均值；τ為窗的總透射比；θ為從窗中心點(diǎn)計(jì)算的垂直可見(jiàn)天空的角度值。

3.2建筑能耗模擬結(jié)果分析

根據(jù)能耗模擬計(jì)算結(jié)果，如圖9所示，綜合式遮陽(yáng)相比水平遮陽(yáng)節(jié)能效果顯著，在工況7中平板遮陽(yáng)挑出長(zhǎng)度為0.6 m，擋板式遮陽(yáng)遮擋比例為0.3，其節(jié)能率可達(dá)到13.93%。然而，相同挑出長(zhǎng)度的水平遮陽(yáng)工況1，其節(jié)能率僅為4.98%；水平遮陽(yáng)工況6挑出長(zhǎng)度為1.6 m，其節(jié)能率達(dá)到11.91%，但是，仍低于綜合遮陽(yáng)。

圖9不同遮陽(yáng)形式的節(jié)能率

Fig.9Energy saving rate of different shade采用綜合遮陽(yáng)，建筑節(jié)能率最大達(dá)到20.03%，隨著挑檐特征值的增加，節(jié)能率的增加幅度降低，當(dāng)水平特征值大于0.61，節(jié)能率的增長(zhǎng)趨于平緩，繼續(xù)增大特征值，對(duì)于能耗的降低作用較小。

由綜合遮陽(yáng)工況7～12和工況13～18的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在擋板遮陽(yáng)的特征值一定的情況下，當(dāng)擋板遮擋窗戶的比例在0.5以內(nèi)變化時(shí)，建筑節(jié)能率的變化幅度不大，所以，從能耗的角度來(lái)看，此類建筑宜采用綜合式遮陽(yáng)，其水平挑檐特征值適宜范圍為035～0.61，金屬穿孔板遮擋窗口比例適宜，為0.3。

3.3建筑室內(nèi)采光分析

根據(jù)室內(nèi)采光系數(shù)模擬結(jié)果，如圖10所示，可以直觀地看出，水平遮陽(yáng)和綜合遮陽(yáng)都有效的降低了室內(nèi)采光系數(shù)大于10%的比例，降低了室內(nèi)出現(xiàn)眩光的可能，在滿足采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，對(duì)改善室內(nèi)光環(huán)境是有利的。

圖9室內(nèi)空間采光系數(shù)分布

Fig.9Lighting factor distribution根據(jù)采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)，建筑采用遮陽(yáng)設(shè)施后，其采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的降低幅度很大；但是，采用兩種不同的遮陽(yáng)設(shè)施，其采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值變化幅度相對(duì)較小，而且，穿孔率為0.5的金屬穿孔板擋板式遮陽(yáng)，相比水平遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)采光系數(shù)的影響較小。由綜合遮陽(yáng)工況7～12和工況13～18的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在擋板遮陽(yáng)特征值一定的情況下，當(dāng)擋板遮擋窗戶的比例在0.5以內(nèi)變化時(shí)，采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的變化很小，這與建筑能耗的模擬規(guī)律一致，所以，該類建筑金屬穿孔板遮擋窗口比例選擇0.3即可。

圖10不同遮陽(yáng)形式的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值

Fig.10Standard value of lighting factor of different shade采用水平遮陽(yáng)的建筑采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值隨水平挑檐特征值的增加而降低，而采用綜合遮陽(yáng)的建筑采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值隨特征值的增加先升高再降低，當(dāng)特征值是0.35，即水平挑檐挑出長(zhǎng)度為0.8 m時(shí)，采光系數(shù)取得最大值。采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值大于4%的臨界工況為水平遮陽(yáng)工況4和綜合遮陽(yáng)工況10、工況16，其挑檐特征值均為0.52，即出挑長(zhǎng)度是1.2 m，所以從采光的角度來(lái)看，在水平挑檐特征值0.26～0.52范圍內(nèi)，該類建筑選擇水平遮陽(yáng)或綜合式遮陽(yáng)均可以滿足采光要求。

根據(jù)能耗模擬得出的遮陽(yáng)設(shè)施尺寸適宜范圍與采光模擬的不同。所以，在科學(xué)評(píng)價(jià)遮陽(yáng)效果，準(zhǔn)確選擇遮陽(yáng)設(shè)計(jì)尺寸時(shí)，應(yīng)取能耗和自然采光模擬得到適宜設(shè)計(jì)范圍的交集。本文中主控通信樓適宜采用綜合遮陽(yáng)，在尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，其水平挑檐特征值范圍適宜為0.35～0.52；金屬穿孔板穿孔率宜為0.4～0.6，遮擋窗口比例適宜為0.3；在該條件下，建筑的節(jié)能率為14.96%～16.52%，采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為401%～4.13%，可以同時(shí)滿足節(jié)能和采光的要求。

4結(jié)論

變電站建筑的主控通信樓不僅要滿足精密設(shè)備的運(yùn)行要求，還要滿足人員的工作使用要求，合理的建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)對(duì)于平衡夏熱冬暖地區(qū)此類建筑外遮陽(yáng)的節(jié)能和室內(nèi)采光效果很重要。通過(guò)軟件模擬分析建筑外遮陽(yáng)對(duì)建筑能耗和室內(nèi)采光影響，明確建筑外遮陽(yáng)的尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)采用節(jié)能與自然采光雙目標(biāo)優(yōu)化的方法，取能耗和自然采光模擬得到的適宜尺寸設(shè)計(jì)范圍的交集，改變以外遮陽(yáng)系數(shù)為單一評(píng)價(jià)參數(shù)的情況。

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