基于性能分析的節(jié)能視角下的正向建筑遮陽(yáng)設(shè)計(jì)

（深圳市建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230071）

1 建筑遮陽(yáng)的正向設(shè)計(jì)過程

建筑遮陽(yáng)構(gòu)件作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，同時(shí)影響到建筑的能耗、美學(xué)價(jià)值和造價(jià)。

按照《公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》提供的簡(jiǎn)化公式進(jìn)行遮陽(yáng)設(shè)計(jì)可滿足常規(guī)的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)要求。而建筑處于其他建筑的陰影區(qū)內(nèi)不需要遮陽(yáng)，按照標(biāo)準(zhǔn)全部覆蓋遮陽(yáng)構(gòu)件，會(huì)產(chǎn)生額外的建設(shè)成本。在設(shè)計(jì)遮陽(yáng)時(shí)，完全按照《公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行構(gòu)件選擇很多時(shí)候無法滿足建筑的美學(xué)要求，探討能與造型元素相結(jié)合的遮陽(yáng)元素設(shè)計(jì)，盡量減少遮陽(yáng)對(duì)建筑美學(xué)的影響對(duì)新時(shí)代的建筑節(jié)能有很大的參考價(jià)值。

正向遮陽(yáng)設(shè)計(jì)流程可以分為以下幾個(gè)步驟：采暖和空調(diào)時(shí)段的確定，立面遮陽(yáng)區(qū)域的劃分及遮陽(yáng)策略，匹配造型元素的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)要素優(yōu)化和評(píng)估。

2 采暖和空調(diào)時(shí)段與遮陽(yáng)的關(guān)系

目前國(guó)內(nèi)建筑外窗多采用雙層中空玻璃，遮陽(yáng)系數(shù)在0.4～0.7之間。基于這種現(xiàn)狀，從能耗角度看，寒冷的天氣，陽(yáng)光可以給室內(nèi)加溫，降低空調(diào)能耗；炎熱的天氣，陽(yáng)光導(dǎo)致室內(nèi)溫度更高，進(jìn)一步增加空調(diào)能耗。如果一個(gè)房間夏天太陽(yáng)熱輻射導(dǎo)致的空調(diào)能耗增加量大于冬天太陽(yáng)熱輻射帶來的空調(diào)能耗節(jié)約量，則這個(gè)房間的窗戶需要考慮遮陽(yáng)措施；反之亦然，窗戶不需遮陽(yáng)，或設(shè)置僅遮擋空調(diào)時(shí)段輻射的遮陽(yáng)。

采暖和空調(diào)時(shí)段對(duì)評(píng)估遮陽(yáng)有很大的意義，當(dāng)?shù)胤交驀?guó)家標(biāo)準(zhǔn)有規(guī)定時(shí)，可直接參考標(biāo)準(zhǔn)中的空調(diào)和采暖時(shí)段。以合肥地區(qū)為例，根據(jù)安徽省《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(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(jì)90天。

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確說明時(shí)，可以根據(jù)氣象數(shù)據(jù)中的溫度進(jìn)行估算，對(duì)合肥地區(qū)50人進(jìn)行問卷調(diào)查后，在室內(nèi)溫度平均低于5℃時(shí)會(huì)開采暖升溫，當(dāng)室內(nèi)溫度平均高于30℃時(shí)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(shí)的逐時(shí)溫度數(shù)據(jù)，可篩選出全年中溫度較高的具體小時(shí)段（HOY），在Ladybug氣象數(shù)據(jù)讀取的基礎(chǔ)上使用Grasshopper對(duì)全年采暖和空調(diào)時(shí)段進(jìn)行篩選，邏輯如圖2。

圖2 全年空調(diào)和采暖時(shí)段和空調(diào)時(shí)段篩選邏輯

3 立面遮陽(yáng)區(qū)域的劃分及遮陽(yáng)策略

在復(fù)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(yáng)條件。若目標(biāo)立面整個(gè)夏季都被周邊建筑遮擋，則無需額外的遮陽(yáng)措施；若夏季處于太陽(yáng)直射范圍內(nèi)，冬季被周邊建筑擋住了有利日照，則需設(shè)置遮陽(yáng)減小夏季的太陽(yáng)直射輻射。在設(shè)計(jì)立面時(shí)篩選夏季大部分時(shí)段被周邊環(huán)境遮擋的立面區(qū)域適當(dāng)減少遮陽(yáng)，同時(shí)篩選出冬季被遮擋夏季被直射的立面區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)遮陽(yáng)設(shè)計(jì)，把有限的建材資源利用到更適當(dāng)?shù)膮^(qū)域。

3.1 立面遮陽(yáng)區(qū)域劃分依據(jù)

節(jié)約空調(diào)能耗是設(shè)置遮陽(yáng)的目標(biāo)，影響室內(nèi)空調(diào)能耗的傳熱過程包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)、外窗的熱輻射、設(shè)備和人員散熱等，其中外窗的熱輻射和遮陽(yáng)相關(guān)。透過門窗到達(dá)室內(nèi)的熱輻射量按下式計(jì)算：Qs=r×g×Aw×G。式中：r——窗框比、玻璃清潔度等導(dǎo)致的衰減系數(shù)；g——玻璃太陽(yáng)能透過率；G——時(shí)段內(nèi)天空熱輻射；Aw——窗戶面積。可知窗戶面積、玻璃選型和遮陽(yáng)措施固定時(shí)，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(shí)段的立面熱輻射差值作為劃分立面遮陽(yáng)區(qū)域的依據(jù)。

3.2 劃分立面遮陽(yáng)區(qū)域的過程

把建筑立面劃分為多個(gè)小網(wǎng)格，對(duì)每個(gè)網(wǎng)格分別求解空調(diào)和采暖時(shí)段的輻射值，統(tǒng)計(jì)輻射差值反映到立面上，作為劃分遮陽(yáng)區(qū)域的參考。在Ladybug輻射計(jì)算的基礎(chǔ)上使用Grasshopper統(tǒng)計(jì)空調(diào)和采暖時(shí)段立面各個(gè)區(qū)域熱輻射的差值。分析邏輯如圖3。

圖3 立面空調(diào)時(shí)段和采暖時(shí)段的輻射差計(jì)算邏輯

3.3 不同立面區(qū)域的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)策略

根據(jù)空調(diào)和采暖時(shí)段的輻射差把立面分為兩類遮陽(yáng)區(qū)域。若立面區(qū)域的輻射差為正值（空調(diào)時(shí)段熱輻射量遠(yuǎn)大于采暖時(shí)段熱輻射量），則該區(qū)域適用幾乎所有的遮陽(yáng)措施。若輻射差為負(fù)值，設(shè)計(jì)遮陽(yáng)時(shí)應(yīng)避免擋住冬季有利熱輻射的來源，重點(diǎn)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(xiàng)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(shè)置遮陽(yáng)措施來改善靠窗區(qū)域夏季舒適度，計(jì)算立面不同區(qū)域的空調(diào)與采暖時(shí)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(shí)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(zhǎng)期受直射日照，夏季得熱大于冬季得熱，需重點(diǎn)設(shè)計(jì)遮陽(yáng)，由于冬季被周邊建筑遮擋沒有日照輻射，所以遮陽(yáng)元素?zé)o需顧忌冬季日照角度，所有遮陽(yáng)元素都適用；項(xiàng)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(shè)計(jì)遮陽(yáng)時(shí)需避讓冬季日照軌跡，保留冬季日照輻射得熱的優(yōu)勢(shì)，適用活動(dòng)百葉遮陽(yáng)、水平出挑遮陽(yáng)板等措施。

4 匹配造型元素的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)要素優(yōu)化

劃分好立面遮陽(yáng)的區(qū)域后，需要對(duì)立面遮陽(yáng)元素進(jìn)行設(shè)計(jì)。常見的遮陽(yáng)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(duì)造型元素進(jìn)行正向的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，可以在改善造型的同時(shí)獲得一定的遮陽(yáng)節(jié)能效果。

遮陽(yáng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重點(diǎn)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(jìn)行遮陽(yáng)設(shè)計(jì)。

4.1 基于Sky Dome的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)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(shí)針計(jì)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(gè)色塊的色彩表示從天空這個(gè)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(gè)網(wǎng)格輻射量的過程，故該模型也適用空調(diào)時(shí)段輻射-采暖時(shí)段輻射的計(jì)算邏輯。在Ladybug的Sky Dome分析的基礎(chǔ)上，用Grasshopper計(jì)算空調(diào)和采暖時(shí)段各個(gè)朝向熱輻射差的計(jì)算，并把結(jié)果分布到各個(gè)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(shí)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(yáng)移動(dòng)軌跡相似。使用Grasshopper把Sunpath（太陽(yáng)移動(dòng)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(yáng)構(gòu)造重點(diǎn)遮擋這個(gè)日照軌跡即可實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)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(yáng)元素優(yōu)化應(yīng)用

以3.3節(jié)的產(chǎn)業(yè)園改造為例，項(xiàng)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(yáng)的功能，可優(yōu)化構(gòu)件尺寸實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)節(jié)能。

圖8 立面窗套遮陽(yáng)元素

根據(jù)3.3節(jié)的立面劃分遮陽(yáng)區(qū)域可知，項(xiàng)目北側(cè)兩棟樓的南立面設(shè)計(jì)遮陽(yáng)時(shí)需要遮擋空調(diào)時(shí)段不利輻射同時(shí)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(shì)，簡(jiǎn)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(shè)計(jì)窗套造型時(shí)，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(shí)現(xiàn)空調(diào)季有效的遮陽(yáng)節(jié)能的效果；同時(shí)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(shí)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(yàn)證遮陽(yáng)的節(jié)能效果，使用空調(diào)季輻射-采暖季輻射作為指標(biāo)，選擇一個(gè)房間對(duì)外窗窗套的遮陽(yáng)效果進(jìn)行評(píng)估。對(duì)比未遮陽(yáng)和遮陽(yáng)的輻射差，可知未設(shè)置遮陽(yáng)時(shí)空調(diào)和采暖時(shí)段的輻射差接近-105kW·h/㎡，設(shè)置遮陽(yáng)后窗戶中間區(qū)域的輻射差降低到-150kW·h/㎡，進(jìn)一步降低了夏季到達(dá)室內(nèi)的熱輻射，對(duì)全年節(jié)能有利。

圖10 未設(shè)置遮陽(yáng)（左圖）和設(shè)置遮陽(yáng)（右圖）的空調(diào)時(shí)段和采暖時(shí)段輻射差

5 結(jié)語

本文從采暖和空調(diào)時(shí)段的確定、立面遮陽(yáng)區(qū)域的劃分、匹配造型元素的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)要素優(yōu)化和評(píng)估三個(gè)方面簡(jiǎn)述了正向遮陽(yáng)設(shè)計(jì)的過程。便于設(shè)計(jì)時(shí)將造型與遮陽(yáng)節(jié)能結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)美觀和節(jié)能的均衡。