長(zhǎng)沙地區(qū)氣候特征與建筑外遮陽(yáng)

摘要:面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)，如何降低建筑能耗已成各國(guó)所面臨的最重要問題之一。本文通過對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)氣候特征的分析，以長(zhǎng)沙遠(yuǎn)大空調(diào)有限公司的節(jié)能改造建筑為研究對(duì)象，闡述了夏熱冬冷地區(qū)建筑節(jié)能的必要性和緊迫性，重點(diǎn)介紹了建筑外遮陽(yáng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、計(jì)算方法、測(cè)量數(shù)據(jù)、各種式樣、材料、適用范圍、性價(jià)比，對(duì)夏熱冬冷地區(qū)建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)與施工有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞:氣候特征;夏熱冬冷;建筑節(jié)能;建筑外遮陽(yáng)

Abstract:Facing increasingly severe energy crisis， how to reduce the building energy consumption is one of the most important problem. In this paper， Upon analysis on the climate characteristics in Changsha area and the detailed construction processes of the Broad Air Conditioning’s buildings energy saving were recommended， the text states the necessity and urgence of building energy conservation in the region hot in summer and cold in winter. It mainly introduces external solar shading on practical experiences， theoretic calculation， data measuring， various styles， materials， applications and cost performance， which will be valuable for solar shading’s design and engineering in the above region.

Keywords:climate characteristics;hot in summer and cold in winter;building energy conservation;building external solar shading

中圖分類號(hào):TU111.19+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1008-0422(2009)12-0059-04

1引言

無(wú)論政府機(jī)關(guān)還是商業(yè)區(qū)和居民區(qū)，長(zhǎng)沙市的建筑很少看到有外遮陽(yáng)。在長(zhǎng)沙這個(gè)火爐城市，現(xiàn)在還有新建筑在采用大面積玻璃幕墻，有些政府機(jī)構(gòu)近年建成對(duì)居民開放的政務(wù)大廳，甚至采用了沒有任何有效隔熱措施的玻璃天頂。建筑設(shè)計(jì)存在種種先天性的嚴(yán)重能耗缺陷，設(shè)計(jì)師一味追求花哨浮躁的噱頭，卻很少有人對(duì)建筑能耗加以關(guān)注。在不保溫、高能耗的建筑里，大量寶貴的能源經(jīng)過多次低效轉(zhuǎn)換，加速對(duì)大自然排放二氧化碳，加劇溫室效應(yīng)的惡性循環(huán)。

2長(zhǎng)沙地區(qū)氣候現(xiàn)狀

長(zhǎng)沙地理位置為北緯28.2°、東經(jīng)113°，位于湘江河谷地帶，地勢(shì)較低，相對(duì)濕度較大。夏季漫長(zhǎng)悶熱，冬季短暫濕冷。影響長(zhǎng)沙氣候和氣溫的原因主要有3個(gè):

其一是地形南高北低。南有五嶺、東有羅霄、西有雪峰、北為洞庭湖平原，使其地形為一向北開口的馬蹄形，阻隔了東、南海洋季風(fēng)的調(diào)節(jié)，使冬寒夏熱的特征尤為顯著。

其二是受準(zhǔn)靜止鋒面影響。長(zhǎng)沙位于內(nèi)陸，距海較遠(yuǎn)，每當(dāng)海面形成熱帶風(fēng)暴向我國(guó)大陸移動(dòng)時(shí)，將大量的熱空氣向內(nèi)陸擠壓，像推土機(jī)一樣，把海洋上和南方沿海地區(qū)的熱浪推到湘中、湘北地區(qū)這個(gè)特制的大盆子里。熱氣團(tuán)長(zhǎng)久滯留在湘中至洞庭湖一帶，在降雨前一般有3～5天十分悶熱的時(shí)間，在這段持續(xù)悶熱的時(shí)間內(nèi)，潮熱的氣候讓人感覺十分沉悶壓抑。

其三是城市熱島效應(yīng)。長(zhǎng)沙近幾年在加緊城市化建設(shè)，城市總面積為1.18萬(wàn)km2，其中主城區(qū)面積612.3km2。密布的鋼筋混凝土建筑白天蓄積了巨大的太陽(yáng)能，晚上慢慢釋放出來(lái)，每立方混凝土至少釋放5kWh熱量。加上不斷增加的汽車尾氣和空調(diào)排氣，市區(qū)7～8月份夜晚的氣溫也會(huì)處于35℃以上，在空調(diào)的轟鳴和凝水滴嗒之聲中，市區(qū)居民再也不能像20世紀(jì)70年代之前那樣，在夏季可開窗納涼睡覺。鋼筋混凝土建筑群不僅夏季影響環(huán)境溫度，在冬季也同樣，不保溫的混凝土建筑夜間蓄積了大量的冷量，使得白天出太陽(yáng)時(shí)市區(qū)也不暖和，加上空氣潮濕，長(zhǎng)沙氣溫0℃時(shí)體感比北京零下10℃還要冷。

溫度變化劇烈是夏熱冬冷地區(qū)的顯著特點(diǎn)。據(jù)氣象記錄，長(zhǎng)沙市1969年4月5日的最低氣溫為2.5℃，而同年4月10日的最高溫為33.4℃，5天之中溫差達(dá)30多度。氣溫逐年增加是夏熱冬冷地區(qū)的又一特點(diǎn)，據(jù)《瀟湘晨報(bào)》2009年7月19日?qǐng)?bào)道:長(zhǎng)沙洞井氣象觀測(cè)站測(cè)到的氣溫達(dá)43.2℃，達(dá)到歷史之最。在午后用溫度計(jì)測(cè)量日光直射的地面，溫度可達(dá)60℃以上。為了度過最炎熱的日子，人們不得不大量使用電扇和空調(diào)。1999年湖南城鎮(zhèn)居民每百戶擁有空調(diào)28.03臺(tái)，到2008年每百戶擁有空調(diào)達(dá)到178.5臺(tái)[1]，不到10年時(shí)間增長(zhǎng)了6倍多。由于大量使用空調(diào)，造成夏季經(jīng)常性的拉閘限電或停電。據(jù)長(zhǎng)沙市經(jīng)委、長(zhǎng)沙電業(yè)局的統(tǒng)計(jì):2008年8月29日21時(shí)長(zhǎng)沙市最高負(fù)荷163萬(wàn)千瓦，而2009年7月10日上午11時(shí)26分長(zhǎng)沙電網(wǎng)電力負(fù)荷首次突破260萬(wàn)kw，達(dá)到261.8萬(wàn)kw[2]。每年的電力供應(yīng)總是面臨比上年更為嚴(yán)峻的考驗(yàn)。在夏季用電高峰過后，又形成發(fā)電廠和供配電設(shè)施的空閑。

3外遮陽(yáng)節(jié)能效果

外遮陽(yáng)對(duì)于建筑整體降低能耗方面有著重大的作用。在夏季，通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)的空調(diào)負(fù)荷主要來(lái)自太陽(yáng)輻射，有外遮陽(yáng)比無(wú)外遮陽(yáng)可以減少太陽(yáng)輻射熱量70%～90% (見表1)。外遮陽(yáng)所節(jié)約的能源，相當(dāng)于整個(gè)建筑節(jié)能的三分之一以上。因此，在非采暖期采用外遮陽(yáng)，就可以降低建筑整體能耗30%左右。

目前國(guó)內(nèi)許多建筑普遍采取的室內(nèi)遮陽(yáng)，只能起到遮擋部分光線的作用，是一種無(wú)效隔熱方式。陽(yáng)光通過玻璃射到室內(nèi)，又使窗戶和內(nèi)簾成了一個(gè)熱源，太陽(yáng)熱量實(shí)際上已經(jīng)進(jìn)入并聚集在室內(nèi)。夏季靠近窗戶有灼熱感，觸摸玻璃感到燙手。而采用外遮陽(yáng)，哪怕是簡(jiǎn)易外遮陽(yáng)，也可以將熱量、紫外線等隔絕于室外，室內(nèi)溫度要比沒有外遮陽(yáng)時(shí)低3～4℃，觸摸玻璃表面手感溫度有明顯改善(見表2)。

4既有建筑外遮陽(yáng)改造實(shí)例

生產(chǎn)非電中央空調(diào)主機(jī)的長(zhǎng)沙遠(yuǎn)大空調(diào)公司一直致力于節(jié)能環(huán)保的研發(fā)與實(shí)踐工作。從2008年秋天開始，長(zhǎng)沙遠(yuǎn)大建筑節(jié)能公司陸續(xù)對(duì)遠(yuǎn)大城的多棟辦公與生活建筑進(jìn)行節(jié)能改造。以空調(diào)面積為4212m2的遠(yuǎn)大總部辦公樓(品管樓)為例，采用150mm外墻保溫、控制窗墻比<20%、三層充氬氣玻璃塑框窗、密封門、熱橋隔斷、外遮陽(yáng)、熱回收新風(fēng)機(jī)等國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)以及規(guī)定行為節(jié)能等管理措施，節(jié)能改造完成后，每年每平方米總能耗由原來(lái)的313kWh降至58.6kWh，年節(jié)能折合柴油89.2噸，節(jié)能效率達(dá)到81.3% [4]，建立了中國(guó)第一座具有真正意義上的可大力推廣的建筑節(jié)能示范工程。其中，外遮陽(yáng)是節(jié)能改造一項(xiàng)非常重要的手段。在遠(yuǎn)大城節(jié)能建筑中采取的外遮陽(yáng)式樣主要有電動(dòng)百葉、擺臂式布簾、軌道式布卷簾、水平式、水平百葉以及百葉推拉板等6種(見圖1～圖8)。天窗和天棚遮陽(yáng)采用的方法是用防曬布遮蓋(見圖9)。

5遮陽(yáng)時(shí)間分析

長(zhǎng)沙地區(qū)建筑物需要遮陽(yáng)的時(shí)間從5月初持續(xù)到10月中旬，不同朝向建筑的理論日照時(shí)間可常見表3，炎熱季節(jié)不同朝向窗戶日照時(shí)段見表4。

東向和西向窗戶分別在上午和下午受到日曬，天棚整天暴露在日光照射下，這些情況特別需要整體外遮陽(yáng)。

中國(guó)南方建筑為了在夏季盡量減少太陽(yáng)輻射、在采暖季節(jié)盡可能多地獲取太陽(yáng)能，建筑物的方位一般采用南偏東5～15度或正南[5]。根據(jù)地球圍繞太陽(yáng)運(yùn)行的規(guī)律，夏季太陽(yáng)角度高，冬季太陽(yáng)角度低，因此，可以采用在窗戶上方架設(shè)水平遮陽(yáng)板的方法來(lái)滿足夏季和冬季不同的日照要求(見圖6)。

窗戶的大小及窗沿深度對(duì)室內(nèi)日照也有一定影響。在寬度相同的情況下，窗戶越高，受到日照的面積越大;窗沿越深，受到日照的面積越小。

以正南方向窗戶水平遮陽(yáng)為例，炎熱季節(jié)(5~10月)需要遮陽(yáng)的理論時(shí)間約980小時(shí)，扣除約15%的陰雨天氣，實(shí)際需遮陽(yáng)的時(shí)間為800多小時(shí)。按照平均日照強(qiáng)度350W/m2，遮陽(yáng)系數(shù)0.3(參見表1)計(jì)算，外遮陽(yáng)每年可減少室內(nèi)輻射熱約200kWh/m2。

6遮陽(yáng)選型及方法

表5 給出了遮陽(yáng)選型原則、常用外遮陽(yáng)式樣及特性、水平遮陽(yáng)板設(shè)計(jì)等資料，供從事建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)和施工管理的同行參考。除了在市場(chǎng)購(gòu)買成品外遮陽(yáng)產(chǎn)品，還可自己動(dòng)手用簡(jiǎn)易辦法進(jìn)行外遮陽(yáng)。以下是筆者從事外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)和實(shí)踐的一些經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)易方法，希望讀者能從中獲益，并進(jìn)行宣傳推廣。

6.1 利用涂抹好膠水的細(xì)小彈性材料(如空心膠管)，密封窗戶和門的縫隙，防止冷氣外泄。

6.2 利用海綿、廢舊泡沫板或包裝箱厚紙板，粘貼覆蓋在鋁合金等金屬材料窗框上，減少熱量傳導(dǎo)。

6.3 如果東西方向的窗戶還沒有外遮陽(yáng)，應(yīng)立即行動(dòng)?？衫脧U舊布料或直接購(gòu)買來(lái)遮陽(yáng)布(雙面，其中一面防紫外線，單價(jià)約每米10元)，剪裁成略大于窗戶面積的大小，然后將其穿在鐵絲上，并用水泥鋼釘將鐵絲固定在外墻上即可(見圖5) 。

6.4 如果有條件，可以請(qǐng)木工制作簡(jiǎn)易百葉，上下安裝滑條，固定在外墻上，夏季推上，冬季打開(見圖8)。

6.5 如果南向的窗戶還沒有外遮陽(yáng)，可以在窗戶上方安裝水平遮陽(yáng)板。遮陽(yáng)板的材料可以用塑料板、木板。遮陽(yáng)板的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)見表5.4。由于地球公轉(zhuǎn)時(shí)赤緯角的變化，在夏季太陽(yáng)高度角較高，遮陽(yáng)板可以遮擋直射室內(nèi)的陽(yáng)光，而在冬季太陽(yáng)高度角較低，陽(yáng)光可以斜射室內(nèi)(見圖6)。

6.6 北向窗戶夏季出現(xiàn)日曬的時(shí)段一般在下午4點(diǎn)以后。因?yàn)殛?yáng)光斜射的緣故，北向窗戶遮陽(yáng)要按照東西方向遮陽(yáng)設(shè)計(jì)，或采用綜合遮陽(yáng)方式，即在窗戶上方安裝水平遮陽(yáng)板，在窗戶側(cè)面安裝垂直遮陽(yáng)板(見圖7)。

6.7 玻璃天頂從早曬到晚，是最大的熱傳導(dǎo)源，必須用遮陽(yáng)布或用白色PVC板遮蓋起來(lái)(見圖9)。

7結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，建筑節(jié)能其實(shí)并不難，只要有節(jié)能意識(shí)，付諸行動(dòng)很簡(jiǎn)單。此外，實(shí)踐證明:在建筑節(jié)能上增加的成本，在短短幾個(gè)月內(nèi)甚至幾天中，就可以收回并長(zhǎng)期受益。從業(yè)余開始，從簡(jiǎn)易開始，每個(gè)人都可以在力所能及的范圍內(nèi)，通過采用節(jié)能措施和養(yǎng)成良好的行為規(guī)范來(lái)降低建筑能耗，為節(jié)能減排作一些利人利己的貢獻(xiàn)，為保護(hù)地球盡一份責(zé)任。

參考文獻(xiàn):

[1] 湖南統(tǒng)計(jì)信息網(wǎng)www.hntj.gov.cn 2009年8月14日.

[2] 中國(guó)電力網(wǎng)www.chinapower.com.cn 2009年7月16日.

[3] 葉歆.建筑熱環(huán)境.清華大學(xué)出版社 1996年4月版 p115.

[4] 遠(yuǎn)大.從一個(gè)社區(qū)到一個(gè)地球 遠(yuǎn)大城建筑節(jié)能改造探秘.2009.09 p16.

[5] 劉琦.建筑日照設(shè)計(jì).中國(guó)水利水電出版社 2008年9月版 p24.

[6] 劉琦.建筑日照設(shè)計(jì).中國(guó)水利水電出版社 2008年9月版 p129-132.