大空間建筑外遮陽設計及遮陽效果實測分析以太原南鐵路客運站為例

黃艷雁，王晶晶，張 輝

（1湖北工業(yè)大學土木工程與建筑學院，湖北武漢 430068；2華中科技大學建筑與城市規(guī)劃學院，湖北武漢 430074）

大空間建筑外遮陽設計及遮陽效果實測分析以太原南鐵路客運站為例

黃艷雁1，2，王晶晶1，張 輝1，2

（1湖北工業(yè)大學土木工程與建筑學院，湖北武漢 430068；2華中科技大學建筑與城市規(guī)劃學院，湖北武漢 430074）

在建筑的節(jié)能設計中，科學合理的采用遮陽技術對于建筑的自然采光，控制太陽輻射熱量和減少空調負荷具有積極意義。以太原南客運站為例，結合區(qū)域氣候特征和建筑自身造型設計提出了建筑外遮陽的思路與方法，并通過實測對遮陽效果進行了分析。

大空間建筑；遮陽效果；實測

外遮陽可以反射或吸收大部分的太陽能，避免太陽輻射熱直接進入室內，從而防止室內溫度升高與波動，降低空調設備的使用量，達到建筑節(jié)能的目的［1］。本文以太原南站為例，通過實測對遮陽效果進行了分析，為建筑的遮陽設計和節(jié)能設計提供更多參考和借鑒。

1 建筑遮陽設計簡介

1.1 建筑遮陽的概念

以減少太陽直接輻射熱進入室內為主要目的的隔熱、防熱措施稱為建筑遮陽。通常提到建筑遮陽嚴格地說應該稱為建筑遮陽系統(tǒng)［2－3］。建筑遮陽系統(tǒng)是與遮陽有關的建筑構件、配件以及建筑布局綠化等要素共同作用，相互補充的一個完整系統(tǒng)。

建筑遮陽系統(tǒng)涉及范圍復雜，廣義上，建筑布局、朝向、風向、氣象、日照、植被等一系列建筑外環(huán)境的設置，都蘊藏著建筑遮陽因素；建筑圍護構件如墻體、屋面等也都有遮陽效果。狹義上，遮陽主要指采光口、建筑物出入口等外墻開洞部分的隔熱、防熱設施。

1.2 建筑遮陽方式的類型

現(xiàn)代建筑體型各異，材料多樣，技術先進，所以能夠選用很多不同的建筑遮陽方式，每種遮陽方式都有其自身的特點，“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同”。按照不同的分類標準，建筑遮陽方式就有不同的分類方法［4］，按遮陽元素屬性可以分為以下四類。

1）建筑形體遮陽方式。建筑的形體是多變的，也正是多變的建筑形體為建筑遮陽提供了可能。建筑形體遮陽是通過建筑群的緊密與建筑自身的凹凸關系產生陰影實現(xiàn)遮陽的遮陽方式，包括兩種類型：互遮陽和自遮陽。例如英國倫敦市政廳（圖1）就是采用自遮陽來實現(xiàn)遮陽效果的，它采用比較獨特的體型，建筑物斜著朝向南面，采用這種朝向可以在保證內部空間自然通風和換氣的同時，巧妙地使樓板成為重要的遮光裝置之一。

圖1 英國倫敦市政廳

2）建筑構件兼顧遮陽方式。一些建筑構件往往在發(fā)揮自身功能的同時起到建筑遮陽的作用，例如挑檐、騎樓、陽臺、廊道等。在現(xiàn)代建筑中，結合建筑構件進行遮陽的方式得以繼承和發(fā)展，如加大挑檐，設置百葉、挑檐、外廊、凹廊及旋窗等。這種遮陽方式構造合理，結構簡單，技術成熟，對建筑影響小，檐口出挑遮陽、陽臺遮陽和廊道遮陽是具有代表性的建筑構件兼顧遮陽方式。

3）專設構件遮陽方式。專設構件是指以遮陽為主要目的而增加在建筑上的各種建筑構件，與以上的建筑形體遮陽方式和建筑構件兼顧遮陽方式相比，它具有更大的方向性與靈活性，遮陽效果也更為明顯。。例如華南理工大學逸夫人文館（圖2）就是典型的屋面遮陽示范工程，在人文館頂樓天臺加裝了百葉天花遮陽，百葉天花的角度是針對廣州的氣候特點而設計的，冬天不會遮蔽陽光，夏天又可以有效地擋住過強的光線［5］。

1)與Normal(正態(tài)分布)函數(shù)相關系數(shù)的計算。生成3 180×1的正態(tài)分布矩陣數(shù)據(jù)，以z=corrcoef(A,B)指令計算相關系數(shù)，zNormal=0.008 9。

圖2 華南理工大學逸夫人文館

4）綠化遮陽方式。綠化遮陽方式是指通過在建筑周邊種植植物，利用綠色植物的特性達到遮陽作用的經(jīng)濟有效的建筑措施。其方式主要包括種植喬木、墻體攀附植物、窗口前棚架綠化以及建造屋頂花園等。

2 太原南站遮陽形式

在太原南站設計中，由于圍護結構采用玻璃幕墻系統(tǒng)采光有利，但也會導致進入室內的輻射熱增大對節(jié)能不利，東西廣場作為建筑的主要入口，由于東西曬的影響，建筑室內熱環(huán)境尤其不利。設計師結合建筑造型，在東西向分別大屋檐出挑，不僅創(chuàng)造了過渡的“灰空間”，同時在東西向形成了自然的自我遮陽設施（圖3）。

項目設計時通過生態(tài)設計軟件ECOTECT模擬分析了站房東西主立面屋檐對夏至日和冬至日各時間點建筑立面的太陽輻射和遮陽區(qū)域影響。由圖4a可知，在夏至日16∶00以后，太陽光線才照射到西立面；由圖4b可知，在冬至日由于太陽高度角的變化，對建筑立面的采光和輻射并未產生不利影響。合理的屋檐出挑長度，既保證了站房主立面夏季高溫時段的自我遮陽效果，又保證了冬季陽光能夠直射到建筑室內，從而有效的化解了站房主立面偏西向的不利條件。

圖3 太原南客運站

圖4 太原南站陰影范圍

3 遮陽實測及分析

太原南站采用的是建筑構件兼顧遮陽方式，為了研究太原南站的遮陽效果，湖北工業(yè)大學·綠色建筑研究中心帶領部分研究生和本科生，于2013年8月3日～2013年8月6日四天對太原南站進行了現(xiàn)場實測。

3.1 基本情況

山西省太原市屬于寒冷氣候區(qū)，寒冷氣候區(qū)的氣候特征是冬季寒冷（最冷月平均溫度0℃～－10℃，偶爾低于－10℃），建筑外圍護結構承受低溫和風、雪的侵擾；夏季炎熱，建筑外圍護結構承受高溫和太陽輻射及雨水的侵擾。因此建筑物在設計時應滿足冬季保溫、防寒、防凍等要求，夏季則兼顧防潮、防熱、防暴風雨等要求。另外，太原市最熱月日最高溫度達到34.2℃，所以太原市建筑采取遮陽措施是有必要的。

本次實測對象為太原南站，占地面積45萬m2，站房主體結構為地上兩層地下一層，建筑面積約20.06萬m2，其中主體建筑高度為35.6m，東西廣場檐口建筑高度為34.1m。本次實測選擇了西廣場具有代表性的五個測點（圖5，圖6），各測點位置測量內容及所使用的儀器如表1所示，測量時間為9∶00－18∶00，由于8月3日的數(shù)據(jù)最為齊全，且最具典型性，所以選取這天的數(shù)據(jù)進行分析。

圖5 測點平面布置圖

圖6 測點立面布置圖

表1 各測點測量內容及所用儀器

3.2 測量結果分析

3.2.1 太陽輻射測試結果與分析 圖7為太原南站西廣場的輻射熱流變化曲線圖。

圖7 測點1、2輻射熱流變化圖

由圖7可知，測點1的輻射熱流呈現(xiàn)U字形曲線，在14∶00后出現(xiàn)明顯的下降趨勢，變化幅度很大，這是因為該處位于陽光直射下，受到太陽輻射的影響；測點2的輻射熱流曲線變化很微弱，因為該點位于大檐口下面，沒有受到太陽輻射的影響。兩測點的輻射熱流在14∶00時都達到最大值，分別為951W／m2和98W／m2，在12∶00～15∶00時輻射熱流的平均值分別為894.25W／m2和92W／m2，輻射熱流相差數(shù)值大，這說明太原南客運站的設計能很好的遮擋太陽輻射，設計較合理［6－8］。

3.2.2 空氣溫濕度測試結果與分析 不同測點上方空氣溫度分布如圖8所示，由于測點1、2和測點3、4的位置相隔不遠，且溫度基本相吻合，所以選取在測點3、4位置測量溫濕度。由圖8可知，兩條曲線一直處于相互平行的趨勢，在測試時間段內，測點3長時間暴露在太陽光照射下，缺少有效的遮陽，不具備蒸發(fā)降溫條件，造成地表溫度顯著升高，并通過對流和輻射等方式加熱上方空氣，造成測點3上方空氣溫度始終高于測點4，測點4在大檐口下面，具有很好的遮陽，空氣溫度相對低一些，兩測點在16∶00的時候溫度達到最大值，且最大值相差3.3℃。可見，建筑遮陽下空氣溫度小于陽光下空氣溫度。

由圖7和圖8可知，太陽輻射熱流在14∶00已經(jīng)達到最大值為951W／m2，而溫度在16∶00才達到最大值為32.3℃，在測試期間，太原南站西廣場周圍還在施工，由于施工影響和建筑的導熱型，才會出現(xiàn)時間差，可見，溫度受周圍環(huán)境的影響，且具有延時性。

圖8 測點3、4空氣溫度變化圖

圖9給出了測點3和測點4空氣相對濕度的比較。

圖9 測點3、4相對濕度變化圖

由圖9可知，兩條曲線基本上一致，呈現(xiàn)很微弱的變化，太原南客運站的檐口高度達到34.1m，這說明大跨度的遮陽技術并沒有影響自然通風和人體的舒適度。可見，遮陽主要是阻擋了太陽輻射，對空氣相對濕度影響不大。

圖10為不同時間不同測點溫度對比柱狀圖，測點3位于陽光直射下，測點4位于建筑檐口下，測點5位于建筑大廳內。由圖10可知，三個測點的溫度都在逐漸升高，但測點5的溫度始終低于測點3，且差值越來越大，到16∶00的時候最大差值達到4.6℃，可見建筑遮陽能有效地改善室內熱環(huán)境，降低空調使用率，提高人體舒適度。

圖10 測點3、4、5溫度變化圖

4 結論

建筑遮陽作為建筑節(jié)能的手段之一，越來越受到人們的重視，本文選擇太原南客運站，通過實測與分析可以得到以下結論：

1）建筑外遮陽能有效遮擋太陽輻射，對空氣相對濕度影響并不大。太陽輻射是空氣溫度上升的熱量來源，下墊面吸收的太陽輻射越多，其表面溫度和上方空氣溫度上升越顯著，建筑外遮陽是減低地面溫度和空氣溫度的有效措施。

2）在公共建筑遮陽設計采用大檐口外遮陽，較好地解決夏季遮陽和冬季采光的矛盾。太原南站正是利用正午太陽高度角夏季高，冬季低的特點，檐口的挑出寬度能有效的遮擋夏季日光而又不遮擋冬季日光進入室內。

3）良好的建筑外遮陽能有效地改善建筑室內熱環(huán)境，在減少建筑能耗的同時也能很好地提高室內熱舒適度。

4）太原南站位于太原市小店區(qū)，設計充分考慮當?shù)貧夂颦h(huán)境，主站房屋頂東西向懸挑形成良好的遮陽效果，同時豐富建筑立面。這種造型與遮陽相結合，綠色與藝術相結合［9］的做法值得建筑師學習。

［1］ 田慧峰，孫大明，朱慧賓.廣州地區(qū)建筑外遮陽節(jié)能性能研究［J］.建筑節(jié)能，2007（10）：27－30.

［2］ 缺作者.歐洲建筑節(jié)能——遮陽系統(tǒng)淺談［J］.世界建筑，2003（11）：89.

［3］ 權公恕.夏熱冬冷地區(qū)建筑外遮陽與建筑整合設計研究［D］.杭州：浙江大學，2008.

［4］ 崔澤鋒.建筑遮陽方式研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2008.

［5］ 任 俊.建筑遮陽形式及若干應用問題研究［J］.廣州建筑，2012（05）：6－9.

［6］ 李 楠，李百戰(zhàn)，沈 艷.住宅建筑自然通風對室內熱環(huán)境的影響［J］.重慶大學學報，2009（07）：736－742.

［7］ 李偉強，周孝清.廣州市單體建筑室外微氣候熱環(huán)境研究［J］.建筑科學，2009（06）：58－60.

［8］ 田智華，續(xù) 晨，王陳棟.深圳地區(qū)某公共建筑活動外遮陽自然采光效果分析［J］.建筑節(jié)能，2011（01）：41－43.

［9］ 郝睿敏.上海地區(qū)公共建筑外遮陽設計探析［J］.山西建筑，2012（03）：211－212.

［責任編校：張巖芳］

Design and Analysis of Measured Shading Effects of Large Space Building Exterior Shading－A Case Study of Taiyuan South Railway Station

HUANG Yan-yan12，WANG Jing－jing1，ZHANG Hui12
（
1 School of Civil Engin.and Architecture，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 College of Architecture and Urban Planning，Huazhong Univ.of Sci.and Tech.，Wuhan 430074，China）

In the construction of energy-saving design，the scientific and reasonable use of shading technology is significant in using natural light for the building，reducing heat and solar radiation and air-conditioning load.This paper，taking Taiyuan South Railway Station as an example，presented the ideas and methods of building exterior shading combining regional climate characteristics with architectural modeling design.The shading effect was also analyzed through actual measurement.

large space building；shading effect；actual measurement

TU111.3

A

1003－4684（2014）02-0033-04

2014－02－13

湖北省教研項目（省2012272）

黃艷雁（1974－），女，湖北枝江市人，湖北工業(yè)大學副教授，華中科技大學博士研究生，研究方向為建筑的節(jié)能性設計，建筑的氣候適應性設計