夏熱冬暖地區基于性能模擬的新型電動格柵構件遮陽效果研究

劉璇，杜宏武

（華南理工大學 建筑學院，廣東廣州 510641）

0 引言

建筑遮陽是建筑一體化設計中不可缺少的重要部分，對室內舒適度、建筑節能有良好的促進作用。處于濕熱地區的廣州光熱充足，夏季漫長，建筑制冷耗能巨大，通過建筑遮陽的處理，減少夏季空調的使用，可節約能源并提升熱舒適度[1]；同時也能使外部光線更加均勻地照入室內，減少眩光，良好的自然光照條件使得人工照明使用頻率降低，進一步減少耗能。良好、有效的建筑遮陽對生態環境和社會可持續發展均有較大的貢獻[2]，在我國得到了積極的推廣運用。本文主要針對夏熱冬暖地區基于性能模擬的新型電動格柵構件遮陽效果進行研究。

1 研究背景

根據《公共建筑節能設計標準》的相關規定，位于夏熱冬暖地區的建筑物應針對各個朝向的外窗實施遮陽措施。具體而言，東西朝向的外窗宜設置活動外遮陽，南向外窗則更宜采用水平外遮陽。同時，在設置遮陽構件時，還應考慮到建筑的通風需求和冬季日照條件[3]。

1.1 基本的建筑遮陽

基于建筑遮陽構件安裝的位置，遮陽類型可以分為外遮陽、內遮陽和中間遮陽。根據美觀及功能需求，可以選擇在適合位置安裝遮陽構件?；谡陉枠嫾趽蹶柟獾姆较蚩梢苑譃樗绞健⒋怪笔健⒕C合式、擋板式四種方式[4]（圖1）。從光線照入的角度看，水平式遮陽的遮陽綜合效果優于垂直式；擋板式遮陽雖然效果好，但對于光線射入有較大影響。現代建筑多通過綜合式的遮陽方式，來保證遮陽、光照、美觀的多方面統一。

圖1 建筑遮陽的基本形式[5]

圖2 新型電動格柵構件不同形態示意圖

圖3 不同遮陽工況的Ecotect建模效果

圖4 不同遮陽工況太陽入射輻射強度模擬圖

圖5 各工況建模效果

圖6 各工況太陽輻射與區域理想負荷室外空氣總制冷量折線圖

許多學者圍繞各類型基本遮陽構件的遮陽效果差異展開了研究。舒平等[2]對深圳地區水平和垂直遮陽構件的最佳尺寸間距做出研究，指導建筑外立面的深化設計；陳麗華等[6]對比分析夏熱冬冷地區水平、垂直、綜合、擋板和百葉5種外遮陽形式的建筑節能數據，認為百葉外遮陽節能效果最好。但是對于夏熱冬暖地區新型建筑遮陽構件的性能研究還不夠充分。

1.2 新型遮陽設施

隨著建筑遮陽的普遍應用、技術的不斷成熟和設計要求的提高，根據不同需要出現了許多新型的遮陽設施。智能遮陽控制系統通過太陽輻射、風速、溫度等傳感器收集的數據，對建筑物不同朝向和不同樓層的各類遮陽產品的狀態進行統一調度和調整；中空百葉窗將百葉放置在中空玻璃的空氣間層，可手動或電動調節百葉的開閉和旋轉，達到遮陽的目的并節省使用空間；光電一體化遮陽將光伏電池組件集成到建筑的天窗、幕墻等構件上使用，實現太陽能光熱和光電的綜合利用，并達到遮陽的目的。

除此之外，還有許多新型遮陽設施不斷涌現，以滿足人們對舒適、節能和美觀的需求，遮陽系統智能化也是今后的一大發展方向[7]。在這個領域中，新型電動格柵構件作為一種創新的遮陽解決方案引起廣泛關注。該遮陽構件采用外遮陽，安裝于玻璃窗之外，通過上下兩個固定的滑軌，可以電動控制格柵的位置，以適應不同階段的遮陽及視野需求。在夏季炎熱且太陽照射強度較大時，可以將其全部關閉，以追求最好的遮陽效果；在遮陽需求較小時，可以將其全部打開，格柵收攏在墻的邊界上，同時形成垂直遮陽構件，提供一定的遮陽效果。同時由于其格柵的形式，在立面上也有不錯的視覺表現效果。

2 模型建立

廣州地區夏季太陽高度角較高，對立面直射較強，需要考慮水平遮陽構件；新型遮陽構件可以靈活控制格柵的位置達到不同的遮陽效果。模擬選擇廣州地區4月1日中午12點的氣候條件；同時對房間、門窗、遮陽構件的尺寸作出設定，具體情況如下：房間以廣州某公共建筑的一個房間為原型——長6 m，寬4.5 m，層高3 m，有南向大窗1.8 m*4.5 m，北面有小窗；遮陽構件的格柵尺寸為30 mm，間隔70 mm。

基于常規遮陽方式以及新型電動格柵構件遮陽方式，通過包括無遮陽在內的10種工況來模擬計算，對比分析各種遮陽方式的效果。

表1 遮陽模擬工況表

3 建筑遮陽模擬分析

3.1 基于Ecotect的性能模擬

選取該設計空間作為模擬樣本，使用Ecotect軟件進行太陽入射輻射強度分析和采光系數分析，通過這兩個指標來表現各個遮陽方式的遮陽效果。

3.1.1 太陽入射輻射強度計算分析

由模擬結果（表2）可知，在南向窗戶沒有加任何額外遮陽措施的情況下，太陽入射輻射平均值達到676230.06 Wh。增加普通遮陽構件，在南向窗增加1.0 m水平板之后，太陽入射輻射平均值降至388493.41 Wh，降低一半左右，說明水平板對太陽入射輻射影響十分顯著；增加1.5 m垂直板后，太陽入射輻射值僅降低6.86%，降幅不明顯，遮陽效果不顯著；增加擋板后，太陽入射輻射值僅有169076.53 Wh，由于擋板將整個窗面完全遮蓋，將大部分光照和太陽入射輻射阻擋在外部，雖然遮陽效果顯著，但外部景觀也被完全遮擋。

表2 太陽入射輻射強度計算表

使用電動格柵進行遮陽，當格柵全部關閉，太陽輻射降低161014.87 Wh，降幅明顯，但遮陽效果差于水平板遮陽；關閉1/2時，稍有降低；當全部打開時，如同垂直遮陽，遮陽效果稍優于垂直板遮陽，但結果較為接近。

3.1.2 光照強度計算分析

由模擬結果（表3）分析可知，在南向窗戶未加任何額外遮陽措施的情況下，采光系數為9.39%。增加普通遮陽構件，在南向窗增加1.0 m水平板之后，采光系數降至7.89%，降低約16%，證明水平板對采光系數有影響；增加1.5 m垂直板與增加的電動格柵全部打開的結果接近，差別依然不明顯；使用綜合式遮陽構件后，采光系數降低幅度較大，相比于單獨的遮陽方式，對光照的影響更大。

表3 采光系數計算表

3.1.3 綜合分析

將太陽入射輻射與光照強度進行疊加分析可知，采光系數與太陽入射輻射變化趨勢也是基本一致的，當采用各種遮陽措施后，窗口的太陽入射輻射減少的同時，對應房間內的采光系數也會相應減少。整體上的遮陽效果：擋板遮陽＞綜合式遮陽＞1.0 m水平板遮陽＞電動格柵遮陽＞1.5 m垂直板遮陽。

由于擋板遮陽的遮擋性極強，對于光照的引入和景觀觀賞有很大不利，可以應用于對遮陽需求強烈且對光照及造型要求不是很高的場所中。綜合式遮陽主要借助水平板遮陽的強有力效果，同時電動格柵遮陽通過可以調節的方式滿足不同場景下的需求，并且形成豐富的立面變化。采用垂直板雖然對房間的采光系數影響最小，但是對太陽入射輻射的減少量也最小，因此單獨采用垂直板遮陽，綜合效果沒有水平板和綜合式遮陽好。

3.2 基于Energyplus的性能模擬

建模借助SketchUp的插件Open Studio Plug-in，構建模擬運行所需要的幾何模型。通過EnergyPlus軟件進行區域理想負荷室外空氣總制冷率分析，該指標可以反映通過遮陽降低能耗的程度。制冷需要的能量越多，耗能越大；降低程度越大，則減小耗能越成功。

由表4中的模擬結果分析可知，在南向窗戶沒有加任何額外遮陽措施的情況下，區域理想負荷室外空氣總制冷量為8380.928 kW。增加普通遮陽構件，在南向窗增加1.0 m水平板之后，總制冷量僅降低5.78%，僅次于垂直板遮陽，表明水平板對建筑節能的促進作用不明顯；1.5 m垂直板最低。由于設置水平板和垂直板之后，窗口整體依然處于一種開放狀態，會使熱空氣向內滲透，室內冷空氣外溢，故而節能效果不明顯。

表4 區域理想負荷室外空氣總制冷量計算表

設置格柵遮陽構件后，總制冷量大幅降低，格柵全部關閉時的效果在所有遮陽形式中最好，使總制冷量降低了30.41%。這是由于遮陽格柵在固定于窗戶上的滑軌上移動，與窗面的距離較近，可以阻擋內外的冷熱空氣交換，使室內的冷空氣更久地停留，從而使得總制冷量降低。使用水平板和遮陽格柵結合的綜合式遮陽優于單個遮陽方式，使得區域理想負荷室外空氣總制冷量降低效果更加明顯，節能效果更好。

3.3 軟件綜合分析

從使用Ecotect模擬分析的太陽入射輻射和采光系數的結果圖表可以看出，單一遮陽形式中水平板遮陽方式最為有效，可以大幅減少太陽入射輻射，當可以接受對采光的影響時，是一種最優的遮陽方式。從使用Energyplus模擬分析的區域理想負荷室外空氣總制冷量結果圖表可以看出，新型電動格柵遮陽構件對建筑節能的促進作用最為明顯，可以使能耗大幅降低，但此時，水平遮陽的效果卻不明顯。綜合兩者共同模擬分析的結果，可以同時使用水平板與電動格柵，這種綜合遮陽的方式在上述三個指標的模擬中都對實驗結果有積極的作用，兩者結合，可將遮陽節能的效果最大化。

4 結論與討論

合理有效的遮陽方式不僅能節約大量能源，同時也給空間使用者帶來更高的熱舒適度和良好體驗。本文通過軟件模擬計算太陽入射輻射和采光系數來分析不同工況的遮陽效果、計算區域理想負荷室外空氣總制冷分析其節能效果，研究結論如下：

1）針對南向窗戶，在單一遮陽方式中：水平板對太陽入射輻射影響十分顯著，同時對采光影響適中，但其在節能效果上表現較差；垂直板對采光影響最小，但其在遮陽和節能的效果上均劣于其他形式；擋板的遮陽和節能效果較好，但其對采光和景觀的影響較大，同時在美觀性上有所缺失；

2）單獨使用電動格柵構件時，可以根據陽光變化和個人需要對格柵進行靈活調節，完全打開時效果接近垂直板遮陽，完全關閉時效果接近擋板遮陽，但有更佳的視覺效果；

3）使用水平板與新型電動格柵構件的綜合形式進行遮陽，可以發揮水平板對太陽入射輻射的良好阻擋作用，同時通過控制電動格柵的展開程度，降低空氣總制冷量，使得建筑遮陽效果和節能效果最大化。

實際效果依然需要大量設計研究和實證分析，不同的空間也會有不同的遮陽需求，可以根據具體情況合理選擇。但通過本次模擬，希望能夠為夏熱冬暖地區的遮陽設計提供可行的方案，共同促進環境的可持續發展。