基于太陽(yáng)輻射模擬的外遮陽(yáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊曉龍

(浙江科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310023)

出于外觀效果的考慮，當(dāng)前的很多建筑設(shè)計(jì)有較大的窗墻比，在獲得良好外觀和景觀效果的同時(shí)也增加了夏季的室內(nèi)得熱，因此很多此類建筑采用了遮擋陽(yáng)光的外遮陽(yáng)系統(tǒng)。可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)由于可以自由調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)在不同需求情況下對(duì)陽(yáng)光的合理利用和分配，逐漸得到建筑師的青睞，但是由于經(jīng)濟(jì)上的因素，對(duì)其使用還是要避免盲目性，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求合理調(diào)配。

1 項(xiàng)目概況

華中地區(qū)某高層辦公樓建筑由一座圓柱形主樓和四周五座與主樓脫開(kāi)的三層裙房組成，主樓與裙房之間由位于二層的連廊連接，如圖1所示。這些連廊均采用了清透澄澈的全玻璃立面。建筑地處中緯度地區(qū)，太陽(yáng)輻射季節(jié)性差別大，光照充足，年平均日照達(dá)到1 843 h，夏季酷熱，因此業(yè)主方提出玻璃連廊不利于節(jié)能，建議加裝外遮陽(yáng)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)單位提出了固定外遮陽(yáng)的設(shè)計(jì)方案，遮陽(yáng)設(shè)計(jì)公司提出了全可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)的設(shè)計(jì)方案，業(yè)主方認(rèn)為按照項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)固定外遮陽(yáng)適應(yīng)度差，綜合效果不佳，但連廊朝向不一，無(wú)需全部采用可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)，提出南向部分外立面采用可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)，其余連廊外立面采用固定外遮陽(yáng)。綜合各方面意見(jiàn)，認(rèn)為均不完善，全部使用固定或可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)固然從效果或經(jīng)濟(jì)性上有所不妥，但連廊存在主樓主體、主樓上部懸挑的裝飾性構(gòu)件和裙房的日照自遮陽(yáng)效果，且連廊本身隨裙房位置布置，無(wú)一處于正朝向，再者當(dāng)?shù)貣|西側(cè)日照也很強(qiáng)烈，不能簡(jiǎn)單判定僅建筑南側(cè)立面需要安裝可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)，最終決定采用模擬分析空調(diào)季太陽(yáng)輻射得熱量，來(lái)確定遮陽(yáng)方案。

2 太陽(yáng)輻射得熱模擬分析

為了獲得連廊立面遮陽(yáng)系統(tǒng)的最優(yōu)方案，計(jì)劃分別模擬不設(shè)置遮陽(yáng)系統(tǒng)和設(shè)置固定外遮陽(yáng)條件工況下的立面表面太陽(yáng)輻射得熱情況，用以分析采用固定外遮陽(yáng)的遮陽(yáng)率，對(duì)于固定外遮陽(yáng)不能滿足遮陽(yáng)要求的立面采用可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)。

為方便表述，將連廊各立面編號(hào)如圖1所示。使用模擬軟件夏季外表面太陽(yáng)得熱量進(jìn)行模擬分析。

2.1 無(wú)遮陽(yáng)系統(tǒng)

圖1 連廊平面圖

圖2 不設(shè)置遮陽(yáng)系統(tǒng)的工況下的太陽(yáng)輻射模擬

在不設(shè)置遮陽(yáng)系統(tǒng)的工況下，各立面的夏季太陽(yáng)輻射平均量自40 022 Wh/m2～88 529 Wh/m2不等，最高量在52 358 Wh/m2～101 081 Wh/m2不等，如圖2所示。由于建筑體型復(fù)雜，主樓南側(cè)又有懸挑很大的裝飾性構(gòu)件，自遮擋情況很難準(zhǔn)確判斷。和事先估計(jì)的完全不同，太陽(yáng)輻射總量較大的為立面1，2，5，6，8這幾個(gè)接近東西向的立面，而非南向的立面。

2.2 固定外遮陽(yáng)系統(tǒng)1

在了解各立面夏季太陽(yáng)輻射量的基礎(chǔ)上，繼續(xù)模擬采用固定外遮陽(yáng)條件下的夏季太陽(yáng)輻射量，分析固定外遮陽(yáng)的遮陽(yáng)效果。出于立面效果的考慮，采用了挑出立面300 mm的鋁質(zhì)遮陽(yáng)板，垂直間距600 mm。經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)綜合遮陽(yáng)率較低，夏季太陽(yáng)輻射平均量仍有22 578 Wh/m2～51 346 Wh/m2不等，最高量在44 115 Wh/m2～89 194 Wh/m2不等，遮陽(yáng)率大多在40%左右。遮陽(yáng)率最高的立面8為56%，但是立面8的夏季太陽(yáng)輻射平均量基礎(chǔ)值較大，即使遮陽(yáng)率較高，仍不能滿足遮陽(yáng)要求。遮陽(yáng)率最低的立面9僅有27%，立面4為31%，這是由于這兩個(gè)立面偏北，本身得到的夏季太陽(yáng)輻射已經(jīng)是在太陽(yáng)高度角較低的情況下獲得的，這種垂直密度的固定外遮陽(yáng)對(duì)其起不到太大的遮擋作用。綜合來(lái)看，采用這一遮陽(yáng)方式的整體遮陽(yáng)效果不佳，究其原因是由于遮陽(yáng)板垂直間距過(guò)大，而建筑處于中緯度地區(qū)，夏季太陽(yáng)高度角并不很大，因此較為稀疏的遮陽(yáng)板不能有效遮擋陽(yáng)光。

2.3 固定外遮陽(yáng)系統(tǒng)2

事實(shí)證明，僅從立面效果角度出發(fā)設(shè)置遮陽(yáng)板不能滿足實(shí)際需要，因此隨后又模擬了采用挑出立面300 mm垂直間距300 mm的遮陽(yáng)板的情況，這樣的遮陽(yáng)形式與立面其他構(gòu)件的模數(shù)關(guān)系一致，不破壞立面效果，同時(shí)能夠達(dá)到更為有效的遮陽(yáng)效果，是各方面都能夠接受的遮陽(yáng)形式。經(jīng)過(guò)模擬分析，采用垂直間距300 mm的遮陽(yáng)板后，各立面夏季太陽(yáng)輻射平均量在18 720 Wh/m2～40 449 Wh/m2之間，最高量在36 243 Wh/m2～80 919 Wh/m2之間，遮陽(yáng)率大多在50%左右。遮陽(yáng)率最高的立面8達(dá)到67%，使其夏季太陽(yáng)輻射量平均量從采用垂直間距600 mm的遮陽(yáng)板時(shí)的31 177 Wh/m2降低到23 331 Wh/m2，已經(jīng)處于可接受的范圍內(nèi)。立面4和立面9的遮陽(yáng)率仍然明顯低于其他立面，但是也有較大提高，且立面4和立面9的夏季太陽(yáng)輻射平均量基礎(chǔ)值本身較低，在采用了垂直間距300 mm的遮陽(yáng)板后得熱量已經(jīng)較低，能夠滿足節(jié)能的要求，如圖3所示。

圖3 立面9在采用不同間距的固定外遮陽(yáng)板情況下的表面太陽(yáng)輻射模擬

3 外遮陽(yáng)方案優(yōu)化

經(jīng)過(guò)模擬，證明原設(shè)計(jì)構(gòu)思中采用挑出立面300 mm垂直間距600 mm的遮陽(yáng)板不能滿足遮陽(yáng)的需要，采用挑出立面300 mm垂直間距300 mm的遮陽(yáng)板后遮陽(yáng)率有明顯提升，因此固定外遮陽(yáng)采用后一種方案。

其中立面3，4，9，10在不設(shè)置遮陽(yáng)系統(tǒng)的情況下夏季太陽(yáng)輻射量平均量在40 000 Wh/m2左右，設(shè)置固定遮陽(yáng)后立面3，4的遮陽(yáng)效率在50%左右，立面10的遮陽(yáng)率達(dá)到59%，夏季太陽(yáng)輻射量平均量降低到20 000 Wh/m2左右，立面9雖然遮陽(yáng)率較低，但是夏季太陽(yáng)輻射量平均量約22 000 Wh/m2，屬于可接受范圍，以上立面確定采用固定外遮陽(yáng)。立面7，8在不設(shè)置遮陽(yáng)系統(tǒng)的情況下夏季太陽(yáng)輻射量平均量分別為56 547 Wh/m2和70 859 Wh/m2，但是固定外遮陽(yáng)的遮陽(yáng)率達(dá)到60%和67%，夏季太陽(yáng)輻射量平均量降低到23 000 Wh/m2左右，遮陽(yáng)效果較好，因此也擬采用固定外遮陽(yáng)。

立面1，2，5，6的固定外遮陽(yáng)遮陽(yáng)率均在50%左右，不設(shè)置遮陽(yáng)系統(tǒng)的情況下夏季太陽(yáng)輻射量平均量均較高，最少的立面2也有68 298 Wh/m2，立面6甚至接近90 000 Wh/m2，設(shè)固定外遮陽(yáng)后的夏季太陽(yáng)輻射量平均量還有約30 000 Wh/m2～40 000 Wh/m2，因此立面1，2，5，6建議采用可調(diào)節(jié)外遮陽(yáng)提高遮擋效果，以進(jìn)一步減少室內(nèi)夏季太陽(yáng)輻射得熱(見(jiàn)表1)。

表1 不同工況下的夏季太陽(yáng)輻射量 Wh/m2

4 結(jié)語(yǔ)

在該建筑體型和朝向條件復(fù)雜的情況下，建筑外遮陽(yáng)的遮陽(yáng)效果很難進(jìn)行直觀判斷，在設(shè)計(jì)中，通過(guò)夏季太陽(yáng)輻射量模擬來(lái)分析不同遮陽(yáng)形式的遮陽(yáng)效果從而確定遮陽(yáng)方案，既保證了節(jié)能效果，又將費(fèi)用從超過(guò)400萬(wàn)元壓縮到180萬(wàn)元左右，避免了資金的盲目投入和浪費(fèi)，兼顧了節(jié)能率和經(jīng)濟(jì)性。由此可見(jiàn)，太陽(yáng)輻射模擬是復(fù)雜條件下建筑外遮陽(yáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的得力工具。

［1］曹毅然，張小松，金 星，等.透過(guò)遮陽(yáng)系統(tǒng)的室內(nèi)太陽(yáng)輻射得熱量實(shí)驗(yàn)研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，39(6)：1169-1173.

［2］郝睿敏.上海地區(qū)公共建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)探析［J］.山西建筑，2012，38(8)：211-212.

［3］LI Yunjiang，F(xiàn)AN Bo，TANG Xiaohu.Application of ecological simulation technology in the stage of architectural planning and design［J］.International Journal on Architectural Science，2011，8(4)：89-97.