廣州南物綜合樓生態改造中的通風與遮陽系統設計研究

陳雪婧

（廣州珠江外資建筑設計院有限公司 廣東廣州 510000）

0 引言

夏熱冬暖地區位于我國南部，該區建筑物必須充分滿足夏季防熱、通風要求。強烈的太陽輻射和豐沛的天然降雨綜合形成高溫高濕環境，使得生活其中的人難以獲得舒適感，人們會利用遮陽與通風來消除高溫高濕的不舒適感。適宜南方地區氣候特征的技術手段融入到建筑設計中，既能起到節能效果，為人們提供健康、舒適、安全的居住、工作和活動的空間；又營造出豐富的立面形式，實現藝術與技術的完美結合。

1 設計背景

1.1 研究對象概況

研究對象位于廣州，東經 112°57′～114°03′，北緯 22°26′～23°56′，北回歸線從南部穿過，處在夏熱冬暖地區。夏季漫長、冬季短暫；長年氣溫高、濕度大，太陽輻射強烈，建筑朝向與遮陽是考慮的重點。廣州南物綜合樓單體建筑，地上建筑面積約8萬m2。建筑層數為六層，首層到四層為大型廠房倉庫區[1]，大空間布局。五，六層為辦公區，小空間布局，要求有良好的天然采光和自然通風。生態改造要求根據實際狀況，在不改變現有建筑結構的基礎上進行。綜合運用氣候適應性理論，針對嶺南地區的氣候特點，物流園區建筑的功能特點，以及商貿城綜合樓的既有現狀，做出適度回應。

1.2 現狀問題及其對策

通過計算機軟件模擬對倉庫區的通風、采光、太陽輻射現狀進行分析，并用SWOT分析法進行總結，試圖提出合理的通風系統與遮陽系統對外圍護結構進行再設計。

S：建筑的東南面有山坡，南面與東面接受到的太陽輻射量較少。

W：建筑朝向非正南北向，處理手法非常規。西向、北向立面接收到的太陽輻射過高，目前并未設置有效的遮陽措施。建筑沿東西展開，南北方向較長，風難以從南面被有效組織引入建筑深處，建筑平面擺放不利于通風。同時南面有山坡阻擋，使得室內南面進風風速小，建筑內部通風不足。

O：通過對外圍護結構的改善可以構建出一套解決現有通風不足、太陽輻射高等問題的方案。

T：不同系統之間的協調。通風需要通透而遮陽需要遮擋，針對不同問題的解決方法之間可能是矛盾的，如何和諧統一是關鍵。

2 通風系統設計設計

2.1 Fluent模擬分析

廣州主導風向為偏東南風，年平均風速為1.9m/s。將建筑南側35m高山體納入場地風環境模擬分析，可見其對吹向建筑單體的風向和風速產生直接影響。東側風速1.8m/s、南側風速0.8m/s，東側有大量風斜向進入室內，在建筑中部產生較大渦流，南側進風口受山丘影響很大。

2.2 通風策略

2.2.1 增大風速

南面與東面為建筑的進風面，南面因受山坡阻擋，進風量明顯減弱，風速較小。提出通風策略的第一步為增加風速。現狀建筑東南尖角對風的阻礙較大，需要補充這一位置的進風量。改進思路是對建筑形體的局部進行凹角處理，希望得到理想風速分布圖，模擬效果可以看出室內風速得到了顯著提升。

圖1 通風策略：通過建筑形體的局部凹角來增加風速

2.2.2 引導風向

東面與風向夾角過小，風在室內穿行路徑過長，進風方向不利于通風。建筑東西進深小，因此重點制造由東向西的通風路徑。提出通風策略的第二步為引導風向。當風沿較短進深方向在建筑中穿行時，通風效果最佳。設計期望將吹向東面墻的東南風裝化為垂直墻體進入室內的風向，考慮設置導風板。

在通風口旁邊設置垂直于墻面的導風板，即導風板平行于引風方向，風沿導風板方向進入室內。導風板與開窗配合設置，一個柱跨內設置兩塊導風板，通過風向確定導風板長度。導風板背面會形成渦流，因此連接兩塊垂直板，減少風射向墻面的浪費，同時每個單元形成喇叭口狀。幾個單元為一組，兩側外墻向外突出，形成更大的匯聚風的喇叭口，同時在立面上形成凹凸的豐富變化。

圖2 通風策略：通過立面設置導風板來引導風向

2.3 設計效果模擬

針對通風不足，設計采取了形體凹角退讓的方式來增加風速，以及東、南兩立面設置導風板的方式來引導風向。應用評價指標對通風效果進行評價。微風環境不僅有助于人體散熱，而且能夠從心理層面上使室內人員產生愉悅的心情，提高工作效率。舒適的室內空氣流速區間為0.15-0.5m/s左右。在高于26℃的環境中，通過吹風對溫度的補償效應，可以使人產生舒適感[2]。模擬結果：室內風速分布較均勻，絕大部分的區域處在舒適的室內空氣流速區間內。風向基本滿足需求，結果可觀。

3 遮陽系統設計研究

3.1 Ecotect模擬分析

廣州地區夏季太陽輻射較高，人在室內會感到悶熱不舒適。選取立夏日與夏至日進行太陽輻射量的模擬。立夏日，是夏天的開始，日平均氣溫穩定升達22℃以上；夏至日，太陽直射北回歸線，接收到的太陽輻射接近夏季中的最大值。立夏日與夏至日分別是夏季的開端和極致，因此可以通過這兩個節氣的太陽輻射強度作為夏季太陽輻射量的一個范圍。由建筑遮陽設置條件：①日平均氣溫＞29°C；②日輻射強度大于280Wh/m2，得出：在此建筑的西立面和北立面需要設置遮陽。

同一立面接受的太陽輻射會隨時間變化，西立面接受的太陽輻射在14：00-17：00達到最高，因此，針對這個時間段的遮陽體系是最顯效的。研究太陽軌跡即可發現，如果既能夠遮擋住夏至日14：00的太陽光線，又能夠遮擋住8月31日17：00的太陽光線時，這樣的遮陽體系遮擋覆蓋時間范圍為：5月1日-8月31日，換而言之就是能夠覆蓋整個夏季。針對上述時間點，觀察太陽高度角，得出這段時間的太陽光線入射角度范圍是22°～63°，由此確定遮陽構件的形式。

圖3 太陽輻射模擬

3.2 遮陽形式選擇

由于22°～63°角屬于比較低矮的光線入射角，如果采用水平遮陽，需要的遮陽板比較大，得到的效果也不理想。而豎直遮陽則能在較短的長度內解決問題，因此西立面與北立面的遮陽方式優先考慮使用豎直遮陽構件。

3.2.1 北立面遮陽設計

窗戶與入射光線平行，使窗戶在入射光線的法線方向上的有效面積為零。既避免了西面的太陽輻射，又擴大了有效的采光窗面積，保證一定的采光量。

3.2.2 西立面遮陽設計（見圖4）

Step.1：垂直擋板雖阻擋了西面的太陽輻射，但也完全遮擋了光的進入以及人的視線，對于通風也有阻礙[3]。

Step.2：將擋板旋轉一定角度，恰好能擋住前述時間段太陽光線，并且在其余時段光線有機會進入到室內。

Step.3：因西面為出風面，調整擋板的旋轉方向，配合東西向通風路徑。然而卻令陽光毫無阻礙加熱西面。

Step.4：當水平遮陽的長度和間距達到適當比例時，其效果相當于豎直遮陽。因此，加入水平遮陽解決問題，與豎直遮陽幫共同構成最終的遮陽構件[4]。

3.3 設計效果模擬

圖4 立面遮陽板的設計推導

在北立面與西立面上，太陽輻射不均勻分布，因此在立面上的開窗設計也是不均勻的。在輻射量過高處盡量較少開窗甚至不開窗，開窗的節奏與太陽輻射變化量同趨勢。模擬可見，采用該遮陽后對比沒有設計遮陽前效果理想，在遮擋的地方輻射量均能低于280Wh/m2這一標準。

4 結語

通風遮陽措施多種多樣，針對特定建筑項目地理位置、朝向、體量、功能布局的不同，不存在某一種構件普遍適用的情況。對既有建筑的生態改造，需要從實際情況入手進行具體分析，才能將通風與遮陽原理進行有針對性的設計運用。通風體系和遮陽體系的研究是建筑設計中的一個重要組成部分，對節約建筑能耗和改善室內熱舒適度具有非常積極的作用，綠色生態的理念應貫穿建筑設計始終。一般而言遮陽板對于通風會有遮擋作用，兩者在一定程度上是對立矛盾的。而本次設計中，通風體系需要從東面進風，西面出風，所以西立面的遮陽體系在滿足遮陽的同時需要配合通風需求。選取合適的引風和遮陽形式，同時遮陽板與導風板的配合處理，不僅遮陽板不會對通風有阻礙作用，反而能起到一定的引導作用。本方案中基于通風體系的東、南立面的引風構件和基于遮陽體系的西、北立面的遮陽構件，正是在綜合考慮下的設計成果。四個立面的構件設計，簡潔明了，可操作性強，在統一中求變化，形成了美觀的建筑立面以及豐富的光影效果。