夏熱冬冷地區(qū)建筑外遮陽節(jié)能效果對比研究

陳麗華,曹 穩(wěn)

(合肥工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230009)

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夏熱冬冷地區(qū)建筑外遮陽節(jié)能效果對比研究

陳麗華,曹 穩(wěn)

(合肥工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230009)

文章運(yùn)用建筑節(jié)能軟件,對夏熱冬冷地區(qū)一棟理想化建筑模型的外遮陽節(jié)能效果進(jìn)行計算,通過對比分析水平、垂直、綜合、擋板和百葉5種外遮陽形式下的建筑節(jié)能數(shù)據(jù),總結(jié)了各種遮陽形式在不同方向上的節(jié)能特點(diǎn),并對比分析了不同遮陽形式的節(jié)能效果。結(jié)果表明,不同遮陽形式和朝向?qū)?jié)能率產(chǎn)生不同程度的影響。研究結(jié)果為在建筑設(shè)計實(shí)踐中合理設(shè)置外遮陽的形式提供了一定的理論參考。

外遮陽;節(jié)能;能耗;遮陽形式;遮陽朝向

0 引 言

據(jù)住建部統(tǒng)計,我國建筑運(yùn)行能耗約占全社會總能耗的1/3,做好建筑節(jié)能工作對人居環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[1]。因此,國家非常重視建筑節(jié)能工作,建筑節(jié)能設(shè)計已成為建筑設(shè)計工作中的必備環(huán)節(jié)[2]。發(fā)展建筑遮陽是節(jié)約建筑用能的需要,也是目前中國政府的一項(xiàng)重要節(jié)能舉措[3]。遮陽技術(shù)是建筑節(jié)能技術(shù)的重要組成部分,是中高緯度地區(qū)建筑節(jié)能的關(guān)鍵措施[4]。然而此項(xiàng)技術(shù)措施在很多地區(qū)卻未能得到足夠的重視,以至于在設(shè)計實(shí)踐中常淪為裝飾性的構(gòu)件,究其原因,主要有以下2點(diǎn):① 國內(nèi)外對外遮陽節(jié)能效果的定量研究相對較少,對建筑外遮陽的形式、方位等方面的節(jié)能效率缺少數(shù)據(jù)分析,致使設(shè)計者對外遮陽的節(jié)能作用認(rèn)識不夠充分;② 外遮陽設(shè)施的增加也為建筑造型的設(shè)計帶來了一定的挑戰(zhàn)。

根據(jù)我國的建筑氣候分區(qū),夏熱冬冷地區(qū)涉及全國十幾個省、市、自治區(qū),而遍布其中的公共建筑更是能耗驚人,因此提高節(jié)能率將有助于降低該地區(qū)的整體能耗。基于此,本文以合肥地區(qū)公共建筑為研究對象,設(shè)計了一棟理想的建筑模型,選取最常用的5種外遮陽形式,即水平遮陽、垂直遮陽、綜合遮陽、擋板遮陽和百葉遮陽,分別進(jìn)行計算。利用PEBCA建筑節(jié)能軟件計算建筑采用不同遮陽形式時的能耗情況,擬通過各組計算數(shù)據(jù)比較,深入分析不同形式外遮陽的節(jié)能效果,并研究其各自的節(jié)能特點(diǎn),以期用具體數(shù)據(jù)提供建筑外遮陽的節(jié)能效率。

1 模型信息

本文建立一棟理想化的建筑模型,如圖1所示,其基本信息如下:建筑位于合肥市(北緯31.87°,東經(jīng)117.23°),屬夏熱冬冷氣候區(qū),建筑朝正南向,為點(diǎn)式3層框架結(jié)構(gòu),平面為邊長36 m的正方形,柱間距均為6 m;建筑物高度為12.9 m,外窗尺寸為4.8 m(寬)×2.7 m(高),計算建筑面積為3 684.47 m2,建筑表面積為3 596.93 m2,建筑體積為14 839.37 m3,體形系數(shù)為0.24。

圖1 建筑模型平面

本文對建筑模型的平面功能進(jìn)行了簡化,僅保留主要用房,其余輔助用房均省略;在東、南、西、北4個方向的建筑面積、功能及窗洞口面積全部相等;建筑外遮陽的材料均采用金屬板,這樣設(shè)計的目的主要是排除不確定因素,使4個方向的外遮陽節(jié)能效果有很好的可比性。

為使建筑模型具有代表性,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造采用常用做法,具體材料由外到內(nèi)依次如下所述:

(1) 外墻。聚合物抹面抗裂砂漿(4.0 mm)、膨脹玻化微珠保溫砂漿(30.0 mm)、 煤矸石多孔磚(200.0 mm)、膨脹?；⒅楸厣皾{(20.0 mm)、石灰水泥砂漿(20.0 mm)。

(2) 屋面。水泥砂漿(20.0 mm)、SBS改性瀝青防水卷材(5.0 mm)、水泥砂漿(20.0 mm)、憎水膨脹珍珠巖棉板(135.0 mm)、輕集料混凝土 (最薄30.0 mm)、鋼筋混凝土板(100.0 mm)、石灰水泥砂漿(20.0 mm)。

(3) 外窗。塑框Low-E中空玻璃 (6+9A+6)。

模擬計算時同一遮陽形式各個方向遮陽板尺寸采用相同設(shè)計值,以便對比分析。① 水平遮陽,水平板深度0.9 m、與窗上口垂直距離0.1 m，水平板與墻身角度90°;② 垂直遮陽,垂直板深度0.9 m、與窗側(cè)口水平距離0.1 m，垂直板與墻身角度90°;③ 擋板遮陽,擋板寬度5.0 m、擋板高度1.5 m、出挑長度0.9 m;④ 綜合遮陽,水平板深度0.9 m、與窗上口垂直距離0.1 m，水平板與墻身角度90°,垂直板深度0.9 m、與窗水平距離0.1 m，垂直板角度90°;⑤ 水平百葉遮陽,水平百葉間距0.3 m、水平百葉深度0.3 m、滿窗設(shè)置;⑥ 垂直百葉遮陽,垂直百葉間距0.3 m、垂直百葉深度0.3 m、滿窗設(shè)置。

2 模擬計算與分析

下面對不同外遮陽形式下的建筑節(jié)能效果分別計算,依據(jù)計算數(shù)據(jù)從3個方面進(jìn)行對比分析:① 無外遮陽與有外遮陽的建筑節(jié)能效果對比分析;② 各種遮陽形式在不同方向上的節(jié)能率分析;③ 不同遮陽形式下建筑節(jié)能效果分析。外遮陽的節(jié)能功效主要依據(jù)建筑全年能耗值和節(jié)能率2個指標(biāo)來判定。

建筑節(jié)能計算的室內(nèi)熱環(huán)境控制指標(biāo)以室內(nèi)設(shè)計溫度為準(zhǔn),一類辦公條件下夏季室內(nèi)計算溫度為24 ℃,冬季室內(nèi)計算溫度為20 ℃[5]。按照文獻(xiàn)[5]的要求,新建建筑節(jié)能率必須滿足50%的標(biāo)準(zhǔn)。

由建筑節(jié)能率(I0)的定義可知,建筑設(shè)置保溫隔熱后的設(shè)計建筑能耗(W0)與未設(shè)保溫隔熱時的基準(zhǔn)建筑能耗(WJ)存在差值,此差值與基準(zhǔn)建筑能耗的比值即為建筑節(jié)能率。在PBECA建筑節(jié)能計算軟件中未設(shè)置基準(zhǔn)建筑能耗值這一參數(shù),軟件計算時所采用的參照建筑能耗(W)即為剛好達(dá)到基準(zhǔn)能耗50%節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)時的能耗值。依據(jù)以上分析可以推導(dǎo)出建筑節(jié)能率的計算公式。由I0=(WJ-W0)/WJ,W=WJ×50%,可得：

(1)

設(shè)計建筑全年能耗值(W0)[6]的計算公式為:

(2)

其中,WK為設(shè)計建筑空調(diào)耗能;WC為設(shè)計建筑采暖耗能。

不同外遮陽形式下建筑全年能耗見表1所列。計算數(shù)據(jù)表明:建筑設(shè)置外遮陽比無外遮陽時的全年能耗值均有所減少(4個方向均設(shè)擋板時除外);單向設(shè)置外遮陽時,東向的全年能耗值最小,西向次之,南向和北向的能耗值較大;就不同遮陽形式而言,設(shè)置百葉遮陽的建筑全年能耗值相對較小,特別是水平百葉在4個方向均設(shè)置時全年能耗值最小。

表1 不同外遮陽形式下建筑全年能耗量 kW·h

2.1 水平與垂直遮陽

水平與垂直遮陽設(shè)置在不同方向時的建筑節(jié)能率如圖2所示。

圖2 水平遮陽與垂直遮陽節(jié)能率分析

由圖2可知：4個方向均設(shè)遮陽板時水平遮陽的節(jié)能率較大;單向設(shè)置遮陽時,水平遮陽除了在北向的節(jié)能率略低于垂直遮陽外,在其余各方向上節(jié)能率均大于垂直遮陽。因此,水平遮陽節(jié)能效果要優(yōu)于垂直遮陽。

對水平遮陽而言,4個方向同時設(shè)外遮陽時建筑節(jié)能效果最好,節(jié)能率可達(dá)50.95%,而僅設(shè)東向外遮陽時的節(jié)能率為50.90%、西向?yàn)?0.89%,但北向設(shè)置水平遮陽與無遮陽時的節(jié)能率相同,均為50.85%,即北向設(shè)水平遮陽對建筑節(jié)能率的提高不產(chǎn)生作用。通過權(quán)衡計算報告書可查得原因如下:北向設(shè)置水平遮陽板時,建筑的夏季空調(diào)能耗比無遮陽時要少,但冬季采暖耗能更多,故綜合計算后其節(jié)能率基本沒有變化。因此,在實(shí)踐中若選擇采用水平外遮陽板時可以在東西南3個方向同時設(shè)置,或在東向和西向單設(shè),北向不宜設(shè)置水平外遮陽。

垂直遮陽在各個方向上的節(jié)能率變化情況類似于水平遮陽,但總體而言建筑節(jié)能率差值不大。4個方向全設(shè)遮陽板時節(jié)能率為50.90%,節(jié)能效果最好；單向設(shè)置時東向的節(jié)能率最高，達(dá)到50.88%,次之是西向的50.87%,最后是南北向，均為50.86%。但與水平遮陽不同的是,在北向設(shè)置垂直遮陽時建筑節(jié)能率略有提高。因此,應(yīng)優(yōu)先考慮在4個方向均設(shè)置垂直遮陽板,單向設(shè)置時應(yīng)盡量設(shè)在東向和西向,北向也可設(shè)置。

2.2 綜合與擋板遮陽

綜合與擋板遮陽設(shè)置在不同方向時的建筑節(jié)能率如圖3所示。

圖3 綜合遮陽與擋板遮陽節(jié)能率分析

由圖3可以發(fā)現(xiàn),每個方向上的綜合外遮陽均有利于建筑的節(jié)能。綜合遮陽在構(gòu)造形式上可以看做是水平遮陽與垂直遮陽的疊加,其節(jié)能效果可以看做是水平與垂直遮陽的融合。綜合遮陽在各方向上的節(jié)能率均大于無遮陽和擋板遮陽2種形式,但其在各方向上具體的節(jié)能率變化與水平和垂直遮陽相似,在4個方向同時設(shè)置遮陽板時節(jié)能率為50.99%,節(jié)能效果最好;其次是東向的50.92%、西向的50.91%。南北向做綜合外遮陽節(jié)能效果較差。因此,建筑采用綜合外遮陽時,應(yīng)盡可能在4個方向同時設(shè)置;若只考慮單向設(shè)置綜合遮陽時,可優(yōu)先考慮設(shè)在東向或西向,這樣可以最大限度地發(fā)揮遮陽的節(jié)能效果。

對比擋板遮陽與水平、垂直、綜合3種遮陽形式的節(jié)能率計算數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)存在較大的差異,即在4個方向均設(shè)置擋板遮陽時節(jié)能率為50.61%,而無建筑遮陽的節(jié)能率為50.85%,這就意味著在4個方向同時設(shè)置擋板遮陽對建筑的節(jié)能是不利的。由權(quán)衡計算報告書的數(shù)據(jù)探究,得到原因?yàn)?在建筑4個方向同時設(shè)置擋板可以減少夏季空調(diào)的能耗,但是卻大大增加了冬季采暖的能耗,綜合考慮,其全年的總能耗反而增大很多。因此,在實(shí)際設(shè)計過程中,設(shè)計者應(yīng)盡量避免4個方向同時設(shè)置擋板遮陽,可以考慮僅在東向或西向設(shè)置擋板,這樣對建筑節(jié)能更有利。

以上4種傳統(tǒng)的遮陽形式在各方向上的節(jié)能率對比顯示:擋板遮陽在各個方向的節(jié)能率均較大,單向設(shè)置外遮陽時,擋板的形式更有利于建筑節(jié)能。

2.3 百葉遮陽

百葉遮陽設(shè)置在不同方向時的建筑節(jié)能率如圖4所示。

圖4 百葉遮陽節(jié)能率分析

分析顯示:百葉遮陽設(shè)置于各方向時均有利于建筑節(jié)能;水平與垂直百葉遮陽節(jié)能率在各方向上的變化與傳統(tǒng)遮陽形式相似,即4個方向均設(shè)百葉遮陽時節(jié)能率最大,單向設(shè)置遮陽時東向更有利于節(jié)能,其次是西向,之后是南向,北向稍差。綜合分析圖2～圖4可以發(fā)現(xiàn):不管是單向還是4個方向均設(shè)遮陽板時,百葉遮陽的節(jié)能率均最大,其中在4個方向上同時設(shè)置百葉遮陽時垂直百葉節(jié)能率為51.18%,水平百葉高達(dá)51.26%。

對比2種百葉遮陽形式之間的節(jié)能狀況可知:在各項(xiàng)參數(shù)均相同的情況下,水平百葉遮陽在各方向上的節(jié)能率均大于垂直百葉遮陽,故水平百葉外遮陽的節(jié)能效果相對較好。

2.4 不同形式外遮陽節(jié)能對比

文獻(xiàn)[7]要求建筑的東向、西向和南向外窗應(yīng)采取遮陽措施。文獻(xiàn)[8]規(guī)定夏熱冬冷地區(qū)建筑的熱工設(shè)計必須滿足夏季防熱要求,適當(dāng)兼顧冬季保溫。合肥是典型的夏熱冬冷城市,建筑外遮陽可有效地減少夏季空調(diào)耗能,尤其是東西朝向外窗。西向的外遮陽不僅具有節(jié)約建筑能耗的作用,還可緩解西曬改善室內(nèi)環(huán)境。依據(jù)表1中數(shù)據(jù),對西向設(shè)置外遮陽與無遮陽時的能耗進(jìn)行差值計算,得出不同形式外遮陽節(jié)能狀況,如圖5所示。

圖5 不同形式西向外遮陽全年節(jié)約能耗量

由圖5可知,建筑在西向設(shè)置水平百葉外遮陽時全年可節(jié)約能耗值最大,為1 394 kW·h,其次是垂直百葉,為1 063 kW·h,然后是擋板遮陽,為978 kW·h,而垂直外遮陽的節(jié)能值最小,僅為179 kW·h。因此,水平和垂直百葉外遮陽對建筑節(jié)能較為有利。

盡管不同遮陽形式構(gòu)造及尺寸參數(shù)的設(shè)置方法不同,但本文的研究數(shù)據(jù)均為以最常用的外遮陽構(gòu)造形式和尺寸參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行計算所得。因此,所得結(jié)果在實(shí)踐中具有一定的參考價值。

3 結(jié) 論

總體而言,建筑物設(shè)置外遮陽有利于建筑節(jié)能;建筑物設(shè)置不同形式的外遮陽,其節(jié)能率不同,相對而言,百葉外遮陽節(jié)能效果最好;各外遮陽形式在4個方向同時設(shè)置遮陽時對節(jié)約能耗最為有利(擋板遮陽除外),且同一種形式的外遮陽板在不同方向的節(jié)能作用不一樣,東向設(shè)置外遮陽的節(jié)能效果最好,西向次之,南向和北向稍差。

據(jù)統(tǒng)計,合理設(shè)置建筑遮陽設(shè)施可以節(jié)約空調(diào)用電25%左右[9],非常有利于建筑的節(jié)能。同時,外遮陽能夠和建筑藝術(shù)融合在一起,顯示出建筑美學(xué)的思想,建造出生動新奇的建筑造型[10];室內(nèi)熱舒適度與室內(nèi)熱環(huán)境密切相關(guān)[11],外遮陽可以改善室內(nèi)熱環(huán)境,從而提高室內(nèi)熱舒適度。隨著人們對綠色城市、綠色建筑的認(rèn)識不斷提高,建筑節(jié)能已扮演著越來越重要的角色,因此,在實(shí)踐中科學(xué)有效地設(shè)置外遮陽必將成為建筑設(shè)計的重要方面。

[1] 楊梅蘭.民用建筑節(jié)能技術(shù)發(fā)展趨勢探討[J].建筑技術(shù),2012(2):163-165.

[2] 陳麗華,陳科迪.基于建筑節(jié)能設(shè)計的室內(nèi)熱環(huán)境比較研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,36(7):831-835.

[3] 陳文杰.我國建筑遮陽推廣應(yīng)用政策簡述[J].浙江建筑,2013(2):52-54.

[4] 劉翼,蔣荃.我國建筑外遮陽發(fā)展現(xiàn)狀及其標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展[J].門窗,2011(2):24-28.

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[6] 中國建筑科學(xué)研究院.公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn):GB 50189—2015 [S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2015:3-14.

[7] 北京中建建筑科學(xué)研究院有限公司,中國建筑業(yè)協(xié)會建筑節(jié)能分會.建筑遮陽工程技術(shù)規(guī)范:JGJ 237—2011[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011:4-6.

[8] 中華人民共和國建設(shè)部.民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范:GB 50176—1993[S].[S.l.:s.n.],1993:4-5.

[9] 段愷,齊新琦,趙文海,等.建筑遮陽標(biāo)準(zhǔn)體系在建筑節(jié)能中的作用[J].綠色建筑,2010(1):27-28.

[10] 梁毅彥.探析立面設(shè)計中建筑遮陽的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2014(18):234.

[11] 饒勇.自然條件下合肥地區(qū)住宅室內(nèi)熱舒適研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010,33(12):1843-1846,1857.

(責(zé)任編輯 張淑艷)

Comparative study of energy saving efficiency of external shading in hot summer and cold winter zone

CHEN Lihua,CAO Wen

(School of Architecture and Art, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The energy saving effect of external shading of an ideal building model in hot summer and cold winter zone is calculated by using the building energy saving software. By the comparative analysis of the energy saving data of five kinds of external shading forms including the horizontal, vertical, integrated, baffle and blinds shading, the energy saving characteristics of each shading form in different directions is summarized and the energy saving effect of different shading forms is analyzed. The results show that different shading forms and directions have different effect on the saving efficiency. The research provides a theoretical reference for reasonably setting building external shading in the architectural practice.

external shading; energy saving; energy consumption; shading form; shading direction

2015-08-31；

2015-10-10

住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目(2013AHST0329)

陳麗華(1965-),女,浙江建德人,合肥工業(yè)大學(xué)副教授,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.017

TU201.5

A

1003-5060(2016)10-1381-05