重慶地區辦公建筑外遮陽設計方法的探討

楊李寧

（1中機中聯工程有限公司，重慶 400039；2重慶大學 城市建設與環境工程學院，重慶 400030）

0 前言

20世紀初，賴特率先把太陽幾何學引入了建筑設計領域。在他的成名作中，賴特根據當地春分、秋分等特定時間的太陽高度角以及各個房間對陽光的需求設計成了錯落有致、深淺不一的挑檐，這些造型舒展的挑檐不僅成就了享譽世界的草原風格，而且創造了現代遮陽設計的先河[1]。

建筑外遮陽具有降低夏季室內空調負荷、減低冬季通過窗戶的熱損失緩解室內自然采光中的眩光問題和改善室內熱環境舒適感的作用，因此，建筑外遮陽的設計與室內采光和通風效果緊密相關。

重慶屬于夏熱冬冷地區，其氣候特點決定了建筑的遮陽與隔熱的良好設計，對降低建筑夏季的運行能耗具有非常重要的作用。但因受建設周期、開發商意愿、建筑師設計理念等因素的制約，當建筑外遮陽設計與建筑美學、經濟投入發生矛盾時，往往選擇犧牲建筑外遮陽的功能性，這不但對降低建筑運行能耗不利，更影響建成后建筑的室內舒適性[2－4]。本文以重慶某辦公建筑為例，探討重慶地區公共建筑外遮陽設計的方法。

1 公共建筑外遮陽的設計思路

建筑外遮陽設計的目的是:夏季，有效遮擋進入室內的太陽輻射，降低空調能耗；過渡季節，能實現良好的自然通風；冬季，保證室內舒適性要求的自然采光，降低采暖能耗和照明能耗[3－5]。結合建筑美學與經濟成本的要求，本文認為重慶地區建筑外遮陽的設計應充分利用仿真分析的技術手段，并按如下思路進行:

（1）基于建筑方案，對建筑各個朝向的典型位置在典型日（夏至日和冬至日）進行日晷圖仿真模擬，確定需要設置建筑外遮陽的主要位置；

（2）結合工程設計經驗，利用仿真模擬手段，分析不同外遮陽設計方案的遮陽效果；

（3）結合建筑美學與經濟投入等因素，確定最優的建筑外遮陽設計方案。

2 重慶某辦公建筑外遮陽設計的案例分析

2.1 項目簡介

圖1 項目設計效果圖

該項目由摩托車研究大樓、汽車研究院和技術中心3部分組成，總建筑面積為90924.79m2。設計目標是獲得“美國能源與環境設計先鋒獎LEED”金獎和“中國綠色建筑三星獎”。由于項目所在地的主要交通干道的朝向等因素制約，建筑主朝向為東西向，這對建筑節能不利，同時對建筑外遮陽的設計提出了必要的要求。

2.2 確定建筑外遮陽的設定位置

2.2.1 建筑遮陽分析

根據建筑的構造，對建筑的整體進行夏季遮陽分析，如圖2、圖3所示。

圖2 夏至日12點

圖3 夏至日16點

根據太陽運行軌跡圖以及建筑夏季典型日（夏至日）的遮陽分析，可知建筑的遮擋情況為:（1）東、西、南為主要受陽面，且西立面建筑結構較簡單，樓層間的遮擋現象不明顯，因此夏季受太陽輻射大；（2）北面受太陽輻射較弱，且建筑結構較復雜。

為準確得出建筑夏季遮陽和冬季采光情況，下面將對建筑的西立面進行夏季遮陽分析和冬季采光分析。

2.2.2 建筑各立面詳細分析

根據上述對建筑冬夏季的太陽運行軌跡運行圖和根據夏至日和冬至日的陰影圖分析，結合建筑的構造以及朝向，將建筑的西立面進行遮陽和采光分析，見圖4。該設計中以西向作為建筑的主朝向，且采用了大面積的玻璃幕墻，因此尤其應注重遮陽設施的選用，遮陽形式以建筑構件外遮陽為主（著重于垂直遮陽的設計），輔以內遮陽百葉、種植室內植物起到遮陽效果。

圖4 建筑西立面遮陽設置分析圖

2.3 確定建筑外遮陽的尺寸

根據仿真模擬結果，認為建筑西立面的遮擋情況是影響建筑室內能耗、采光等的主要立面，本文以西立面為例，說明建筑外遮陽尺寸確定的方法。

2.3.1 采用垂直遮陽的建筑模型

以center-4f的一面窗戶為例，用ECOTECT軟件模擬，如圖5、圖6。

圖5 Ecotect中心建筑西立面垂直固定外遮陽建筑模型

圖6 Ecotect中心建筑西立面垂直固定外遮陽局部詳圖

2.3.2 建筑西立面遮擋的仿真計算

建立模型分別模擬夏至日和冬至日，西立面在無遮擋和遮陽板挑出寬度為300mm、400mm、500mm、600mm 等5種情況下的太陽輻射遮擋情況，詳見表1。

表1 太陽輻射遮擋情況表

2.3.3 建筑西立面窗戶輻射熱量的仿真計算

氣象條件:CHN_Chongqing,Shabaping_CSWD。

計算時間段:夏至日（6月21日）12:00-18:00，西立面窗戶的輻射熱量累計值。

計算結果處理:外遮陽系數SD是建筑物玻璃幕墻有外遮陽設施時透入室內的輻射熱量與在相同條件下無外遮陽設施時透入的室內輻射熱量的比值。

以水平挑出寬度300mm為例，該外窗外遮陽系數仿真計算結果如圖7。

根據仿真模擬計算結果可知，在水平挑出寬度分別為0mm、300mm、400mm、500mm、600mm 5種情況下，“西立面該外窗綜合遮陽系數SC”如表2所示。

表2 建筑西面某外窗綜合遮陽系數SC計算表

3 結論及建議

本文針對垂直固定外遮陽條件下，挑出長度分別為300mm、400mm、500mm和600mm時，對建筑西立面窗戶夏至日、冬至日的遮陽情況進行了模擬分析。得出如下結論。

3.1 夏至日（6月21日）

遮擋效果:14:00-16:00，垂直固定遮陽板對窗戶的遮擋率在15%～20%之間；16:30-19:00，垂直固定遮陽板對窗戶的遮擋率在40%左右。可知:由于夏至日太陽方位角方向與建筑西立面法線近于平行，垂直固定遮陽板對窗戶的遮擋率與遮陽板的挑出長度不具有相關性。

外遮陽系數:

圖8 外遮陽系數SD隨遮陽板挑出長度變化曲線

從圖8可知，通過不同挑出長度外遮陽的輻射熱量計算（選擇最不利工況:夏至日，12:00-18:00）。可知:當挑出長度為300mm時，外遮陽系數為0.745；當挑出長度為400mm時，外遮陽系數為0.701。

3.2 冬至日（12月21日）

圖9 遮擋率隨遮陽板挑出長度的變化情況（冬至日）

如圖9所示，在冬至日，建筑西立面窗戶遮擋率100%（即被完全遮擋，無法接受到太陽直射）的累積時間，隨遮陽板挑出長度的增加而增加。可知:建筑西側房間的日照時間隨遮陽板挑出長度的增加而減少，當挑出長度為300mm、400mm時，均能保證建筑西側房間冬季2小時的日照時間。

3.3 外遮陽設置尺寸的確定

根據表2可知，在5種情況下，當水平挑出寬度為300mm、400mm和500mm時，建筑外遮陽的綜合遮陽系數分別為0.22、0.21和0.20，均符合《重慶市公共建筑節能設計標準》中關于建筑外遮陽在夏季的綜合遮陽系數小于0.26的要求。

但綜合考慮冬季日照和夏季遮陽的效果，結合建筑外立面的美學要求，兼顧經濟投入和外遮陽板生產廠家的建議，最終，項目選擇了垂直固定遮陽板的挑出長度為300mm。

[1]李崢嶸，趙群，展磊.建筑遮陽與節能[M].北京:中國建筑工業出版社，2009.

[2]顧偉祖.建筑外遮陽節能改造效果比較研究[J].住宅產業，2013（6）.

[3]楊燕萍.建筑外遮陽軟卷簾的節能效果分析[J].建設科技，2013（23）.

[4]何少劍，陸世登，唐昱.廣西地區建筑外遮陽可行性設計方法研究[J].建筑節能，2012（6）.

[5]曾恒志，張祺飛，劉國偉.適宜地方氣候的生態建筑節能設計——以重慶建筑節能示范中心為例[J].福建建筑，2012（2）.