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)

隨著生活質(zhì)量的提高，人們對室內(nèi)熱舒適度有了更高的要求，建筑空調(diào)和供暖的耗能也越來越大。政府對建筑的節(jié)能問題越來越重視，節(jié)能設(shè)計已成為建筑設(shè)計中的必須環(huán)節(jié)[1]。建筑遮陽可以有效遮擋太陽輻射熱，降低室內(nèi)溫度，減少空調(diào)耗電量[2]。因此，合理設(shè)置外遮陽可以有效節(jié)約建筑能耗，尤其是在中高緯度區(qū)其已成為建筑節(jié)能的關(guān)鍵措施[3]。

目前，外遮陽的建筑節(jié)能作用日益受到人們的重視，已有學(xué)者進行研究。如董凱[4]等以杭州為例，對居住建筑水平式外遮陽節(jié)能效果進行了研究；李運江[5]等以武漢為例，研究了南向遮陽與建筑能耗之間的關(guān)系；肖先波[6]等以上海和湖州為例，對水平式遮陽板深度與建筑能耗間關(guān)系進行了研究；李雪[7]等以長沙為例，對傳統(tǒng)的遮陽系統(tǒng)的綜合能效進行了研究。向俊米[8]等以長沙為例，研究了居住建筑外遮陽的最優(yōu)組合方案。

現(xiàn)有建筑遮陽能耗的研究大多以居住建筑為研究對象，很少研究公共建筑。然而，公共建筑運行能耗是社會總能耗的重要組成部分，故對其節(jié)能的研究具有重要意義。另外，合肥作為中部重要城市，很少有學(xué)者對該地區(qū)外遮陽的建筑節(jié)能進行研究。因此，以合肥地區(qū)公建為例，選擇該地區(qū)常用的水平式、垂直式和綜合式三種固定式外遮陽進行研究[9]。通過對建筑遮陽板尺寸和設(shè)置朝向分別對比分析，總結(jié)該地區(qū)外遮陽與建筑能耗間的關(guān)系。

1 模型信息

為便于研究，首先建立一個建筑模型如圖1所示。并以此為載體進行建筑能耗模擬計算。對計算模型做簡化處理，使各朝向的開窗和窗墻比均相等。建筑模型信息如下：地址位于合肥(東經(jīng)116°41′～117°58′，北緯30°57′～32°32′)，邊長為36 m的方形平面，三層框架結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)為6 m×6 m，層高4.20 m，總建筑面積3 684.47 m2，建筑表面積為3 596.93 m2，建筑體積為14 839.37 m3，外窗尺寸為4.8 m(寬)×2.7 m(高)。

圖1 建筑模型平面

模型主要外圍護結(jié)構(gòu)的具體構(gòu)造做法如下(從內(nèi)到外)：

(1)外墻：20 mm厚水泥砂漿+20 mm厚石墨模塑聚苯板保溫層+200 mm厚煤矸石多孔磚+30 mm厚石墨模塑聚苯板保溫層+20 mm厚水泥砂漿，傳熱系數(shù)0.64 W/m2K。

(2)屋面：20 mm厚水泥砂漿+100 mm厚鋼筋混凝土+最薄30 mm厚輕集料混凝土找坡+80 mm厚石墨模塑聚苯板保溫層+20 mm厚水泥砂漿+5 mm厚SBS改性瀝青防水卷材+20 mm厚水泥砂漿，傳熱系數(shù)0.44 W/m2K。

(3)外窗：6 mm+12A+6 mm系列Low-E塑框中空玻璃窗，傳熱系數(shù)2.00 W/m2K。

不同形式的外遮陽構(gòu)造方式不同，模擬計算時其參數(shù)設(shè)置也不盡相同。為了使不同類型外遮陽的節(jié)能數(shù)據(jù)具有可比性，在能耗計算時將外遮陽材質(zhì)設(shè)為金屬，遮陽板與墻身角度統(tǒng)一設(shè)為90°，遮陽板距窗邊均設(shè)為100 mm。在研究遮陽板尺寸與建筑能耗間關(guān)系時僅分析主要構(gòu)造參數(shù)，包括水平式、垂直式、綜合式遮陽板的深度。

2 模擬計算與分析

研究中能耗模擬計算主要采用PKPM節(jié)能軟件，該軟件已廣泛應(yīng)用于全國多省市，已成為建筑節(jié)能設(shè)計的重要工具。對設(shè)置不同類型金屬遮陽板的建筑進行能耗值模擬計算后，主要采用以下2種方法對比分析：

(1)將設(shè)置不同類型外遮陽建筑的空調(diào)能耗、供暖能耗及總能耗值列入同一表中，進行直觀對比。

(2)以無外遮陽為參照，運用公式計算出不同類型外遮陽建筑的空調(diào)節(jié)能量、供暖增能量和總節(jié)能量，并繪出合適的分析圖，以便于深入對比分析。

建筑節(jié)能計算主要依據(jù)是文獻[10]，此文獻是以合肥地區(qū)的具體氣候環(huán)境為編制依據(jù)，具有更加嚴格的節(jié)能指標。我國建筑節(jié)能標準規(guī)定建筑全年能耗值包括夏季空調(diào)和冬季供暖耗兩部分，其計算公式[11]：

E=EC+EH,

(1)

式中,E為全年供暖和空調(diào)總耗電量(kW·h/m2)；EC為全年空調(diào)耗電量(kW·h/m2)；EH為全年供暖耗電量(kW·h/m2)。

為了更直觀地對比設(shè)置不同類型外遮陽的建筑節(jié)能效果，文中采用全年總節(jié)能量作為分析指標。此處的總節(jié)能量指建筑有外遮陽比無外遮陽時全年節(jié)約的總能耗，其計算公式如式(2)所示：

WJ=W-WZ,

(2)

式中,WJ為全年總節(jié)能量(kW·h/m2)；W為無外遮陽全年總耗電量(kW·h/m2)；WZ為設(shè)外遮陽全年總耗電量(kW·h/m2)。

建筑外遮陽通過阻止過多的太陽輻射熱進入室內(nèi)以減少夏季空調(diào)的能耗來達到節(jié)能的目的，與此同時也會增加建筑冬季供暖的能耗。因此，為了更深入地分析外遮陽對建筑能耗的影響，除了選擇建筑總節(jié)能量外還選取建筑空調(diào)節(jié)能量和供暖增能量作為分析指標，此兩種指標也是以無外遮陽建筑為參照，具體計算參照式(2)。

2.1 不同尺寸對比分析

合肥地區(qū)位于夏熱冬冷氣候區(qū)，外遮陽設(shè)于西向不僅有利于建筑的節(jié)能，還可改善室內(nèi)熱環(huán)境[12]。故在研究遮陽板尺寸與能耗之間關(guān)系時，為了便于對比分析，將外遮陽設(shè)置朝向定為西向。通過計算可得設(shè)置不同尺寸外遮陽建筑的全年能耗值如表1所示。

由表1可知，設(shè)置外遮陽的建筑空調(diào)能耗小于無外遮陽建筑，而供暖能耗要大于無外遮陽建筑，即設(shè)置外遮陽有利于建筑夏季空調(diào)能耗的節(jié)約，對建筑冬季供暖能耗不利。另外，設(shè)置不同尺寸外遮陽的建筑總能耗均小于無外遮陽的建筑總能耗，即在合肥地區(qū)設(shè)置金屬外遮陽有利于建筑節(jié)能。然而，設(shè)置不同尺寸外遮陽的建筑節(jié)能效果不盡相同，對此仍需進一步研究。表1結(jié)合式(1)、式(2)分析可得設(shè)置不同尺寸外遮陽的建筑空調(diào)節(jié)能量、供暖增能量及總節(jié)能量三個指標。為了對比研究，將各形式外遮陽的上述三個指標分別繪制成線狀圖，如圖2、圖3、圖4所示。

由圖2、圖3、圖4可知，隨著遮陽板尺寸的增加，建筑空調(diào)節(jié)能量和供暖增能量在增大。由于空調(diào)節(jié)能量的增幅大于供暖增能量的增幅，故建筑的總節(jié)能量在不斷增加。因此，外遮陽尺寸越大越有利于建筑空調(diào)節(jié)能和建筑總節(jié)能，卻對建筑供暖能耗不利。進一步分析不同形式外遮陽的能耗變化線狀圖可以發(fā)現(xiàn)，隨遮陽板尺寸的增加，水平式和綜合式遮陽建筑的空調(diào)節(jié)能量、供暖增能量及總節(jié)能量線狀圖斜率在變小，而斜率變小說明變化效率降低，即隨著遮陽板尺寸的增大,建筑的空調(diào)節(jié)能效率、供暖增能效率和建筑總節(jié)能效率均不斷降低。垂直式外遮陽的能耗變化圖基本為直線狀，說明其能耗的變化效率基本不變。另外，不同遮陽形式間對比可知，綜合式外遮陽的總節(jié)能量最大，之后依次是水平式、垂直式。

表1 不同尺寸金屬外遮陽建筑全年空調(diào)和供暖能耗值(kW·h)

圖2 不同尺寸外遮陽建筑空調(diào)節(jié)能量 圖3 不同尺寸外遮陽建筑供暖增能量

2.2 不同朝向?qū)Ρ确治?/h3>

國家規(guī)范[13]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。合肥地區(qū)處于北回歸線以北，因此在研究外遮陽設(shè)置朝向與建筑能耗之間關(guān)系時，僅選東、西、南三個方向進行對比。為了使能耗數(shù)據(jù)具有對比性，在計算時將外遮陽板的構(gòu)造尺寸均設(shè)定為1.0 m。經(jīng)計算可以得出不同朝向外遮陽的建筑能耗狀況如表2所示。

表2 不同朝向金屬外遮陽建筑全年空調(diào)和供暖能耗值(kW·h)

結(jié)合式(1)、式(2)對表2分析可得各遮陽形式下不同朝向外遮陽的建筑能耗狀況，如圖5～圖13所示。下面對水平式、垂直式、綜合式外遮陽分別進行分析。

將水平式外遮陽設(shè)于各方向時的建筑空調(diào)、供暖及總能耗狀況與無外遮陽的建筑能耗值進行對比后，可得圖5～圖7。由圖5～圖7可知水平式外遮陽設(shè)于不同朝向的能耗狀況：外遮陽設(shè)于東向時建筑夏季空調(diào)節(jié)能量最大，為1 502.00 kW·h，設(shè)于南向時空調(diào)節(jié)能量最小，為1 200.80 kW·h；外遮陽設(shè)于西向時建筑冬季供暖增能量最小，為574.37 kW·h，設(shè)于南向時供暖增能量最大，為897.66 kW·h；不同朝向設(shè)置外遮陽的建筑總節(jié)能量由大到小依次為東向、西向、南向。

圖4 不同尺寸外遮陽建筑總節(jié)能量 圖5 水平式外遮陽建筑空調(diào)節(jié)能量

圖6 水平式外遮陽建筑供暖增能量圖7 水平式外遮陽建筑總節(jié)能量

垂直式外遮陽設(shè)于各方向時的建筑空調(diào)、供暖及總能耗狀況與無外遮陽的建筑能耗值進行對比后，可得圖8～圖10。由圖8～圖10可知，垂直式外遮陽建筑的空調(diào)節(jié)能量不同于水平式，外遮陽設(shè)于南向時建筑夏季空調(diào)節(jié)能量最大，設(shè)于西向時空調(diào)節(jié)能量最小。垂直式外遮陽建筑的供暖增能量和建筑總節(jié)能量總體的變化規(guī)律與水平式相同。

將綜合式外遮陽設(shè)于各方向時的建筑空調(diào)、供暖及總能耗狀況與無外遮陽的建筑能耗值進行對比后，可得圖11～圖13。由圖11～圖13可知不同朝向設(shè)置綜合式外遮陽建筑的能耗狀況：建筑空調(diào)節(jié)能量由大到小依次為東向、西向、南向；建筑供暖增能量由小到大依次為西向、東向、南向；建筑總節(jié)能量由大到小依次為東向、西向、南向。綜合式外遮陽建筑能耗的整體變化規(guī)律與水平式基本相同。

圖8 垂直式外遮陽建筑空調(diào)節(jié)能量圖9 垂直式外遮陽建筑供暖增能量

圖10 垂直式外遮陽建筑總節(jié)能量 圖11 綜合式外遮陽建筑空調(diào)節(jié)能量

圖12 綜合式外遮陽建筑供暖增能量圖13 綜合式外遮陽建筑總節(jié)能量

綜合對比不同形式外遮陽的建筑能耗變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，水平式與綜合式外遮陽設(shè)于東向時建筑的空調(diào)節(jié)能量最大，而垂直式外遮陽設(shè)于南向時空調(diào)節(jié)能量最大。各形式外遮陽設(shè)于南向時建筑供暖增能量最大。不同朝向設(shè)置外遮陽建筑的總能耗變化規(guī)律均相同，總節(jié)能量由大到小依次為東向、西向和南向。綜合式外遮陽的節(jié)能效果要優(yōu)于水平式和垂直式。

3 結(jié)論

研究利用PKPM節(jié)能軟件對合肥地區(qū)設(shè)置金屬外遮陽的建筑進行能耗計算。從遮陽板尺寸和設(shè)置朝向兩個方面對比分析不同類型外遮陽的建筑空調(diào)、供暖及總能耗狀況，最終得出以下結(jié)論：總體而言，金屬外遮陽板尺寸越大，建筑節(jié)能效果越好；外遮陽板尺寸的增大有利于節(jié)約建筑夏季空調(diào)能耗，當外遮陽板為2.7 m時，空調(diào)節(jié)能量最大，分別為：水平式2 589.60 kW·h，垂直式1 334.80 kW·h，綜合式3 352.80 kW·h；外遮陽板尺寸的增大對建筑冬季供暖能耗不利。隨著外遮陽板尺寸的增大，水平式和綜合式外遮陽的建筑節(jié)能效率不斷降低。合肥地區(qū)金屬外遮陽設(shè)于東向時最有利于建筑總能耗的節(jié)約，之后依次為西向、南向；水平式和綜合式外遮陽設(shè)于東向時最有利于建筑空調(diào)的節(jié)能；各形式外遮陽設(shè)于南向時最不利于建筑供暖的節(jié)能。綜合分析，合肥地區(qū)設(shè)置綜合式外遮陽的建筑節(jié)能效果最好，之后依次是水平式、垂直式。研究從建筑能耗的角度對合肥地區(qū)金屬外遮陽進行了研究，為該地區(qū)建筑外遮陽的理論研究與設(shè)計提供一定的參考。外遮陽在影響建筑能耗的同時，對通風(fēng)采光也有影響[14]，筆者將對此做進一步的研究。