曹穩(wěn)，陳麗華，張琴義，吳偉東

(1.安徽科技學(xué)院建筑學(xué)院，安徽 蚌埠 233100；2.合肥工業(yè)大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.安徽科技學(xué)院管理學(xué)院，安徽 蚌埠 233100)

0 引言

建筑物在整個生命周期內(nèi)的每個階段均有能源消耗。隨著人們對生活質(zhì)量要求的提高，建筑運營階段的能耗越來越大。據(jù)統(tǒng)計我國建筑運行能耗約占社會總能耗的1/3[1]。政府對建筑節(jié)能工作更加重視，節(jié)能設(shè)計與計算已成為建筑設(shè)計階段的重要環(huán)節(jié)[2]。外遮陽對建筑能耗具有重要影響，建筑一半以上的能源消耗是由外門窗造成的[3]，良好的遮陽設(shè)施可以節(jié)約25%左右的空調(diào)用電[4]。合理的設(shè)置建筑外遮陽可以具有較好的節(jié)能效果。

國外已有學(xué)者對建筑外遮陽進行相關(guān)研究，如Kirintat等[5]對建筑外遮陽仿真建模做了系統(tǒng)的研究；Konstantoglou等[6]對建筑采光與遮陽動態(tài)操作進行了研究。國內(nèi)學(xué)者多以某一地區(qū)建筑為例對外遮陽進行研究，如肖先波等[7]以上海和湖州地區(qū)為例，研究建筑能耗與水平遮陽板深度之間關(guān)系；李運江等[8]以武漢地區(qū)為例，采用PKPM節(jié)能設(shè)計軟件分析了南向遮陽與建筑能耗的關(guān)系；陶求華等[9]以上海和廈門為例，采用Energyplus軟件分析了外遮陽對建筑北向房間采光和太陽輻射得熱的影響；李雪等[10]以長沙地區(qū)住宅建筑為例，采用Energyplus能耗軟件對傳統(tǒng)遮陽系統(tǒng)做了綜合能效研究。向俊米等[11]以長沙地區(qū)為例，采用Ecotect軟件模擬計算得出該地區(qū)居住建筑外遮陽的最優(yōu)組合方案。

國外對建筑外遮陽研究大多從自控系統(tǒng)、采光等角度進行，從建筑能耗角度的研究較少。國內(nèi)主要研究長沙、武漢、上海等地區(qū)建筑外遮陽對能耗的影響，很少有學(xué)者從能耗角度對合肥地區(qū)建筑外遮陽進行系統(tǒng)的研究。因此，本文以合肥地區(qū)公共建筑為例，選擇水平式、垂直式、綜合式、擋板式四種固定式外遮陽為研究對象。通過對不同尺寸和不同朝向外遮陽的建筑能耗值進行對比分析，總結(jié)合肥地區(qū)建筑外遮陽的節(jié)能效果，為該地區(qū)建筑外遮陽的設(shè)置與理論研究提供參考。

1 模型的建立

本文首先建立建筑模型作為研究載體(圖1)。為便于研究，對建筑進行簡化處理，僅保留主要辦公空間，各朝向的功能和窗墻比均相等。模型具體信息如下：地點為合肥(東經(jīng) 116 °41 ′～117 °58 ′，北緯 30 °57 ′～32 °32 ′)，建筑平面為邊長 36 m 正方形，內(nèi)天井12.00 m×12.00 m，三層框架結(jié)構(gòu)，層高 4.20 m，建筑面積 3684.47 m2，建筑體積為14839.37 m3，建筑表面積為 3596.93 m2，體形系數(shù)為 0.24，外窗尺寸均為 4.8 m(寬)×2.7 m(高)。

在模型中影響建筑能耗的主要外圍護結(jié)構(gòu)有外墻、屋頂和外窗，其具體構(gòu)造做法及傳熱系數(shù)如下(從內(nèi)到外)：

(1)外墻：水泥砂漿(20 mm)、石墨模塑聚苯板保溫層(20 mm)、煤矸石多孔磚(200 mm)、石墨模塑聚苯板保溫層(30 mm)、水泥砂漿(20 mm)，傳熱系數(shù)為 0.64 W/(m2·K)。

(2)屋面：水泥砂漿(20 mm)、鋼筋混凝土(100 mm)、輕集料混凝土找坡(最薄30 mm)、石墨模塑聚苯板保溫層(80 mm)、水泥砂漿(20 mm)、SBS改性瀝青防水卷材(5 mm)、水泥砂漿(20 mm)，傳熱系數(shù)為 0.44 W/(m2·K)。

(3)外窗：Low-E塑框中空玻璃窗(6 mm+12A+6 mm)，傳熱系數(shù) 2.00 W/(m2·K)。

不同形式的外遮陽構(gòu)造方式不同，故參數(shù)的設(shè)置也不盡相同。本文研究外遮陽主要構(gòu)造參數(shù)對建筑節(jié)能的影響，故為了使不同形式外遮陽的節(jié)能數(shù)據(jù)具有可比性，在模擬計算時將不同形式外遮陽的次要參數(shù)設(shè)置盡量相同或設(shè)為常用數(shù)值：外遮陽板均采用鋼筋混凝土材質(zhì)；水平式、垂直式、綜合式遮陽板與墻身角度均設(shè)為90°；擋板式遮陽板寬5.0 m，擋板出挑0.9 m。

圖1 建筑模型平面

2 節(jié)能分析方法

本文利用PKPM節(jié)能軟件對建筑進行能耗模擬計算，該軟件在我國設(shè)計實踐中被廣泛應(yīng)用，已成為建筑節(jié)能設(shè)計審查的主要依據(jù)。建筑外遮陽的節(jié)能效果對比分析主要采用以下2種方法：

(1)將不同尺寸和不同朝向外遮陽的建筑能耗值列入同一表中，進行對比分析。

(2)以無外遮陽全年能耗值為參照，運用公式計算出不同尺寸和不同朝向外遮陽的全年節(jié)能量，并繪制出相應(yīng)的分析圖進行深入分析。

本次節(jié)能計算主要依據(jù)是文獻[12]，該文獻規(guī)定建筑室內(nèi)設(shè)計溫度夏季為26℃，冬季為20℃，公建節(jié)能率一般要求65%以上，其節(jié)能指標(biāo)相對國標(biāo)而言更加嚴(yán)格。規(guī)范規(guī)定建筑全年的能耗值是夏季空調(diào)和冬季供暖耗電量之和，其計算公式[13]：

式中E—全年供暖和空調(diào)總耗電量(kW·h/m2)；

EC—全年空調(diào)耗電量(kW·h/m2)；

EH—全年供暖耗電量(kW·h/m2)。

文中采用節(jié)能量作為節(jié)能效果主要指標(biāo)。建筑節(jié)能量是指設(shè)置外遮陽的建筑全年能耗值比無外遮陽時節(jié)約的能耗值，其計算公式(2)：

式中WJ—全年總節(jié)能量(kW·h/m2)；

W—無外遮陽全年總耗電量(kW·h/m2)；

WZ—設(shè)外遮陽全年總耗電量(kW·h/m2)。

3 計算結(jié)果分析

建筑外遮陽對能耗的影響因素主要有遮陽板尺寸、遮陽形式及遮陽設(shè)置朝向。因此，下文從2個方面對其進行對比分析：

(1)對不同尺寸外遮陽板建筑的能耗值進行對比，分析外遮陽板尺寸與建筑能耗間的關(guān)系；同時，通過對比各遮陽形式下建筑節(jié)能量隨遮陽板尺寸的變化來研究不同形式外遮陽板的節(jié)能效果對尺寸的敏感度。

(2)對設(shè)置不同朝向外遮陽建筑的能耗值進行對比，分析不同朝向外遮陽的建筑節(jié)能效果及同一朝向設(shè)置不同形式外遮陽的節(jié)能效果。

3.1 不同尺寸對比分析

合肥是夏熱冬冷氣候區(qū)的典型城市，外遮陽設(shè)于西向可以節(jié)約建筑能耗，還可改善室內(nèi)熱環(huán)境[14]。因此，為了對不同尺寸外遮陽板進行對比研究，將外遮陽板均設(shè)在建筑西向。經(jīng)模擬計算可得不同尺寸外遮陽建筑全年能耗值，見表1。

表1由公式(1)和(2)計算可得，建筑無外遮陽時的全年總能耗為142 346.64 kW·h，而設(shè)置不同尺寸外遮陽后的全年能耗值均小于此值。故總體而言，在合肥地區(qū)設(shè)置外遮陽有利于建筑的節(jié)能。然而不同尺寸的外遮陽節(jié)能效果不同，因此需要進一步的研究。經(jīng)計算可得不同尺寸外遮陽板的節(jié)能量，繪制各遮陽形式下不同尺寸外遮陽板的建筑節(jié)能量線狀圖，見圖2。

由圖2可知，隨著遮陽板尺寸的增加建筑節(jié)能量在增大，即外遮陽板尺寸越大越有利于建筑節(jié)能。不同形式外遮陽板節(jié)能量隨尺寸變化不盡相同，擋板式外遮陽線狀圖整體斜率最大，之后是綜合式、水平式，而垂直式外遮陽整體斜率最小。建筑節(jié)能量隨尺寸變化的整體斜率越大說明其對尺寸越敏感，故擋板式外遮陽節(jié)能效果對尺寸最敏感，之后依次為綜合式、水平式、垂直式。進一步分析發(fā)現(xiàn)，擋板式和垂直式外遮陽節(jié)能量線狀圖的斜率基本不變，而綜合式和水平式線狀圖的斜率隨尺寸的增大在不斷變小。節(jié)能量隨尺寸變化線的斜率不斷變小說明其節(jié)能效率在降低。因此，隨著遮陽板尺寸的增大，綜合式和水平式外遮陽的節(jié)能效率不斷降低，而擋板式和垂直式外遮陽的節(jié)能效率基本不變。

表1 不同尺寸外遮陽建筑全年空調(diào)和供暖能/(k W·h)

圖2 不同尺寸外遮陽建筑總節(jié)能量

圖3 水平式外遮陽建筑節(jié)能量

3.2 不同朝向?qū)Ρ确治?/h3>

文獻[15]中規(guī)定建筑物的東向、西向和南向外窗應(yīng)采取遮陽措施，在北回歸線以南的地區(qū)必要時對北向外窗進行遮陽設(shè)置。而合肥位于北回歸線以北，故在對比不同朝向外遮陽節(jié)能效果時，僅選擇西、東、南三個方向進行研究。在模擬計算時將各類型外遮陽板的主要構(gòu)造尺寸均設(shè)為1.0 m，以利于對比研究。經(jīng)計算可得不同朝向外遮陽建筑的全年能耗值，見表2。

由表2可知，設(shè)置不同朝向外遮陽板的建筑全年能耗值均小于無外遮陽的全年總能耗。因此，在合肥地區(qū)外遮陽設(shè)在各方向時均有利于建筑節(jié)能。然而不同朝向外遮陽的節(jié)能效果不同，需進一步的研究。表2經(jīng)公式(1)和(2)計算可得不同朝向外遮陽板的節(jié)能量，繪制各遮陽形式下不同朝向外遮陽建筑的節(jié)能量，見圖3。

由圖3～圖6可知，水平式、垂直式、綜合式外遮陽設(shè)在東向時建筑節(jié)能量最大，之后依次為西向、南向。擋板式外遮陽設(shè)在西向時建筑節(jié)能量最大，之后依次為東向、南向。建筑節(jié)能量越大節(jié)能效果越好，故在東向和西向設(shè)置外遮陽最有利于建筑節(jié)能。另外，對比不同形式外遮陽的節(jié)能量可以發(fā)現(xiàn)，同一方向上設(shè)置不同形式外遮陽時建筑的節(jié)能量不同。東向和西向設(shè)置擋板外遮陽時建筑節(jié)能量最大，南向設(shè)置綜合式外遮陽時建筑節(jié)能量最大。

圖4 垂直式外遮陽建筑節(jié)能量

圖5 綜合式外遮陽建筑節(jié)能量

圖6 擋板式外遮陽建筑節(jié)能量

表2 不同朝向外遮陽建筑全年空調(diào)和供暖能耗/(k W·h)

4 結(jié)論

采用PKPM建筑節(jié)能軟件對設(shè)置不同類型外遮陽的建筑進行能耗計算，通過對不同尺寸和不同設(shè)置朝向外遮陽的建筑節(jié)能量對比分析后，得出以下結(jié)論：

(1)外遮陽板尺寸越大越有利于建筑節(jié)能；不同形式外遮陽節(jié)能效果對尺寸敏感度由大到小依次為：擋板式、綜合式、水平式、垂直式；綜合式和水平式外遮陽建筑的節(jié)能效率隨外遮陽板尺寸的增大而降低。

(2)水平式、垂直式、綜合式外遮陽設(shè)在東向時建筑節(jié)能效果最好，之后依次為西向和南向；擋板式外遮陽設(shè)在西向時建筑節(jié)能效果最好。

(3)在建筑不同方向設(shè)置不同形式外遮陽的節(jié)能效果不盡相同，東向和西向設(shè)擋板式外遮陽時建筑節(jié)能效果最好，南向設(shè)置綜合式外遮陽時最有利于建筑節(jié)能。

本文以合肥地區(qū)為例，從建筑能耗的角度對外遮陽進行了研究，為該地區(qū)外遮陽的設(shè)置與理論研究提供一定的參考。外遮陽不僅影響建筑的能耗，對日照、通風(fēng)也有影響[16]，對此筆者將進一步研究。