（深圳市建筑設計研究總院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230071）

1 建筑遮陽的正向設計過程

建筑遮陽構(gòu)件作為建筑圍護結(jié)構(gòu)的一部分，同時影響到建筑的能耗、美學價值和造價。

按照《公共建筑節(jié)能標準》提供的簡化公式進行遮陽設計可滿足常規(guī)的遮陽設計要求。而建筑處于其他建筑的陰影區(qū)內(nèi)不需要遮陽，按照標準全部覆蓋遮陽構(gòu)件，會產(chǎn)生額外的建設成本。在設計遮陽時，完全按照《公共建筑節(jié)能標準》進行構(gòu)件選擇很多時候無法滿足建筑的美學要求，探討能與造型元素相結(jié)合的遮陽元素設計，盡量減少遮陽對建筑美學的影響對新時代的建筑節(jié)能有很大的參考價值。

正向遮陽設計流程可以分為以下幾個步驟：采暖和空調(diào)時段的確定，立面遮陽區(qū)域的劃分及遮陽策略，匹配造型元素的遮陽設計要素優(yōu)化和評估。

2 采暖和空調(diào)時段與遮陽的關(guān)系

目前國內(nèi)建筑外窗多采用雙層中空玻璃，遮陽系數(shù)在0.4～0.7之間?；谶@種現(xiàn)狀，從能耗角度看，寒冷的天氣，陽光可以給室內(nèi)加溫，降低空調(diào)能耗；炎熱的天氣，陽光導致室內(nèi)溫度更高，進一步增加空調(diào)能耗。如果一個房間夏天太陽熱輻射導致的空調(diào)能耗增加量大于冬天太陽熱輻射帶來的空調(diào)能耗節(jié)約量，則這個房間的窗戶需要考慮遮陽措施；反之亦然，窗戶不需遮陽，或設置僅遮擋空調(diào)時段輻射的遮陽。

采暖和空調(diào)時段對評估遮陽有很大的意義，當?shù)胤交驀覙藴视幸?guī)定時，可直接參考標準中的空調(diào)和采暖時段。以合肥地區(qū)為例，根據(jù)安徽省《公共建筑節(jié)能設計標準》(DB34/T 5076-2017)，安徽地區(qū)空調(diào)期6月15日-8月31日，采暖期12月1日-次年2月28日共計90天。

當標準中沒有明確說明時，可以根據(jù)氣象數(shù)據(jù)中的溫度進行估算，對合肥地區(qū)50人進行問卷調(diào)查后，在室內(nèi)溫度平均低于5℃時會開采暖升溫，當室內(nèi)溫度平均高于30℃時開空調(diào)。合肥地區(qū)全年溫度分布如圖1所示。

圖1 合肥地區(qū)全年溫度分布圖

不開空調(diào)感覺舒適的溫度是5～30℃之間。合肥地區(qū)11月下旬～2月下旬溫度較低，日照有利；6月中旬～9月上旬溫度較高，日照不利。根據(jù)全年8760小時的逐時溫度數(shù)據(jù)，可篩選出全年中溫度較高的具體小時段（HOY），在Ladybug氣象數(shù)據(jù)讀取的基礎上使用Grasshopper對全年采暖和空調(diào)時段進行篩選，邏輯如圖2。

圖2 全年空調(diào)和采暖時段和空調(diào)時段篩選邏輯

3 立面遮陽區(qū)域的劃分及遮陽策略

在復雜的城市環(huán)境下，擬建建筑周邊的現(xiàn)狀建筑形成了天然的遮陽條件。若目標立面整個夏季都被周邊建筑遮擋，則無需額外的遮陽措施；若夏季處于太陽直射范圍內(nèi)，冬季被周邊建筑擋住了有利日照，則需設置遮陽減小夏季的太陽直射輻射。在設計立面時篩選夏季大部分時段被周邊環(huán)境遮擋的立面區(qū)域適當減少遮陽，同時篩選出冬季被遮擋夏季被直射的立面區(qū)域進行重點遮陽設計，把有限的建材資源利用到更適當?shù)膮^(qū)域。

3.1 立面遮陽區(qū)域劃分依據(jù)

節(jié)約空調(diào)能耗是設置遮陽的目標，影響室內(nèi)空調(diào)能耗的傳熱過程包括圍護結(jié)構(gòu)熱傳導、外窗的熱輻射、設備和人員散熱等，其中外窗的熱輻射和遮陽相關(guān)。透過門窗到達室內(nèi)的熱輻射量按下式計算：Qs=r×g×Aw×G。式中：r——窗框比、玻璃清潔度等導致的衰減系數(shù)；g——玻璃太陽能透過率；G——時段內(nèi)天空熱輻射；Aw——窗戶面積?？芍皯裘娣e、玻璃選型和遮陽措施固定時，透過窗戶的熱輻射與天空熱輻射正相關(guān)，可用建筑外立面的熱輻射來衡量外窗得熱結(jié)果。故把空調(diào)和采暖時段的立面熱輻射差值作為劃分立面遮陽區(qū)域的依據(jù)。

3.2 劃分立面遮陽區(qū)域的過程

把建筑立面劃分為多個小網(wǎng)格，對每個網(wǎng)格分別求解空調(diào)和采暖時段的輻射值，統(tǒng)計輻射差值反映到立面上，作為劃分遮陽區(qū)域的參考。在Ladybug輻射計算的基礎上使用Grasshopper統(tǒng)計空調(diào)和采暖時段立面各個區(qū)域熱輻射的差值。分析邏輯如圖3。

圖3 立面空調(diào)時段和采暖時段的輻射差計算邏輯

3.3 不同立面區(qū)域的遮陽設計策略

根據(jù)空調(diào)和采暖時段的輻射差把立面分為兩類遮陽區(qū)域。若立面區(qū)域的輻射差為正值（空調(diào)時段熱輻射量遠大于采暖時段熱輻射量），則該區(qū)域適用幾乎所有的遮陽措施。若輻射差為負值，設計遮陽時應避免擋住冬季有利熱輻射的來源，重點遮擋夏季的熱輻射來源方向。

以合肥某產(chǎn)業(yè)園改造為例，項目包括四棟6層廠房，改造后作為辦公樓使用，南向窗墻比約為0.35，需設置遮陽措施來改善靠窗區(qū)域夏季舒適度，計算立面不同區(qū)域的空調(diào)與采暖時段的熱輻射差值，結(jié)果如圖4所示。

圖4 立面空調(diào)和采暖時段輻射差分布圖

可知：東南側(cè)建筑的東南立面1～5層、西南側(cè)建筑的南立面1～4層區(qū)域（圖中紅色區(qū)域）由于冬季被遮擋無日照得熱，夏季長期受直射日照，夏季得熱大于冬季得熱，需重點設計遮陽，由于冬季被周邊建筑遮擋沒有日照輻射，所以遮陽元素無需顧忌冬季日照角度，所有遮陽元素都適用；項目西北角、東北角建筑的南立面，東南角建筑的西南側(cè)立面，西南角建筑南立面的5～6層（圖中綠色區(qū)域）冬季輻射得熱增益大于夏季輻射不利因素，設計遮陽時需避讓冬季日照軌跡，保留冬季日照輻射得熱的優(yōu)勢，適用活動百葉遮陽、水平出挑遮陽板等措施。

4 匹配造型元素的遮陽設計要素優(yōu)化

劃分好立面遮陽的區(qū)域后，需要對立面遮陽元素進行設計。常見的遮陽元素包括百葉、穿孔板、水平出挑、垂直出挑、凸出的造型元素等。對造型元素進行正向的遮陽設計優(yōu)化，可以在改善造型的同時獲得一定的遮陽節(jié)能效果。

遮陽設計優(yōu)化的重點在于擋住熱輻射來源的方向，即尋找不利的熱輻射方向并用造型元素遮擋熱輻射的傳播軌跡的過程。本文基于Sky Dome尋找不利輻射方向進行遮陽設計。

4.1 基于Sky Dome的遮陽設計優(yōu)化方法

Sky Dome是三維的輻射分析模型，由水平角度刻度和半球形天空色塊構(gòu)成。水平方向的角度刻度線代表方向（0代表正北，平面上角度順時針計算，90度就是正東，以此類推），半球形的天空網(wǎng)格模擬天空的不同方向。每個色塊的色彩表示從天空這個朝向投射來的熱輻射量。

圖5 Sky Dome分析

Sky Dome是把天空劃分為網(wǎng)格，求解每個網(wǎng)格輻射量的過程，故該模型也適用空調(diào)時段輻射-采暖時段輻射的計算邏輯。在Ladybug的Sky Dome分析的基礎上，用Grasshopper計算空調(diào)和采暖時段各個朝向熱輻射差的計算，并把結(jié)果分布到各個朝向上去。分析邏輯如圖6。

圖6 基于Sky Dome的各朝向輻射差分析邏輯

以合肥地區(qū)為例，采暖和空調(diào)時段各朝向的輻射差分布結(jié)果如下。觀察輻射差的分布規(guī)律可知，輻射差最大的方向的分布規(guī)律和太陽移動軌跡相似。使用Grasshopper把Sunpath（太陽移動軌跡）疊加到輻射差分布的Sky Dome上，可以匹配出接近最不利輻射分布的軌跡。遮陽構(gòu)造重點遮擋這個日照軌跡即可實現(xiàn)遮陽節(jié)能。

圖7 接近最不利輻射分布的軌跡

4.2 基于Sky Dome的遮陽元素優(yōu)化應用

以3.3節(jié)的產(chǎn)業(yè)園改造為例，項目中北側(cè)兩棟樓的南立面擬采用窗套作為造型元素，窗套的凸出部分具有遮陽的功能，可優(yōu)化構(gòu)件尺寸實現(xiàn)遮陽節(jié)能。

圖8 立面窗套遮陽元素

根據(jù)3.3節(jié)的立面劃分遮陽區(qū)域可知，項目北側(cè)兩棟樓的南立面設計遮陽時需要遮擋空調(diào)時段不利輻射同時盡量避免遮擋采暖季有利輻射。

提取合肥市不利輻射和有利輻射的分布趨勢，簡化為空調(diào)季不利輻射的方向軌跡和采暖季有利輻射的方向軌跡。設計窗套造型時，調(diào)節(jié)窗套的尺寸到完全遮擋住最不利輻射的來源方向，可以實現(xiàn)空調(diào)季有效的遮陽節(jié)能的效果；同時控制好窗套的尺寸，盡量不遮擋冬季有利輻射的來源方向，實現(xiàn)采暖季日照得熱節(jié)能的效果。

圖9 窗套凸出尺寸控制方式

為驗證遮陽的節(jié)能效果，使用空調(diào)季輻射-采暖季輻射作為指標，選擇一個房間對外窗窗套的遮陽效果進行評估。對比未遮陽和遮陽的輻射差，可知未設置遮陽時空調(diào)和采暖時段的輻射差接近-105kW·h/㎡，設置遮陽后窗戶中間區(qū)域的輻射差降低到-150kW·h/㎡，進一步降低了夏季到達室內(nèi)的熱輻射，對全年節(jié)能有利。

圖10 未設置遮陽（左圖）和設置遮陽（右圖）的空調(diào)時段和采暖時段輻射差

5 結(jié)語

本文從采暖和空調(diào)時段的確定、立面遮陽區(qū)域的劃分、匹配造型元素的遮陽設計要素優(yōu)化和評估三個方面簡述了正向遮陽設計的過程。便于設計時將造型與遮陽節(jié)能結(jié)合起來，實現(xiàn)美觀和節(jié)能的均衡。