廣州南物綜合樓生態(tài)改造中的通風(fēng)與遮陽系統(tǒng)設(shè)計研究

陳雪婧

（廣州珠江外資建筑設(shè)計院有限公司 廣東廣州 510000）

0 引言

夏熱冬暖地區(qū)位于我國南部，該區(qū)建筑物必須充分滿足夏季防熱、通風(fēng)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(huán)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(fēng)來消除高溫高濕的不舒適感。適宜南方地區(qū)氣候特征的技術(shù)手段融入到建筑設(shè)計中，既能起到節(jié)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(xiàn)藝術(shù)與技術(shù)的完美結(jié)合。

1 設(shè)計背景

1.1 研究對象概況

研究對象位于廣州，東經(jīng) 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(qū)。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(shù)為六層，首層到四層為大型廠房倉庫區(qū)[1]，大空間布局。五，六層為辦公區(qū)，小空間布局，要求有良好的天然采光和自然通風(fēng)。生態(tài)改造要求根據(jù)實際狀況，在不改變現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行。綜合運用氣候適應(yīng)性理論，針對嶺南地區(qū)的氣候特點，物流園區(qū)建筑的功能特點，以及商貿(mào)城綜合樓的既有現(xiàn)狀，做出適度回應(yīng)。

1.2 現(xiàn)狀問題及其對策

通過計算機軟件模擬對倉庫區(qū)的通風(fēng)、采光、太陽輻射現(xiàn)狀進行分析，并用SWOT分析法進行總結(jié)，試圖提出合理的通風(fēng)系統(tǒng)與遮陽系統(tǒng)對外圍護結(jié)構(gòu)進行再設(shè)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(guī)。西向、北向立面接收到的太陽輻射過高，目前并未設(shè)置有效的遮陽措施。建筑沿東西展開，南北方向較長，風(fēng)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(fēng)。同時南面有山坡阻擋，使得室內(nèi)南面進風(fēng)風(fēng)速小，建筑內(nèi)部通風(fēng)不足。

O：通過對外圍護結(jié)構(gòu)的改善可以構(gòu)建出一套解決現(xiàn)有通風(fēng)不足、太陽輻射高等問題的方案。

T：不同系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)。通風(fēng)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(tǒng)一是關(guān)鍵。

2 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計

2.1 Fluent模擬分析

廣州主導(dǎo)風(fēng)向為偏東南風(fēng)，年平均風(fēng)速為1.9m/s。將建筑南側(cè)35m高山體納入場地風(fēng)環(huán)境模擬分析，可見其對吹向建筑單體的風(fēng)向和風(fēng)速產(chǎn)生直接影響。東側(cè)風(fēng)速1.8m/s、南側(cè)風(fēng)速0.8m/s，東側(cè)有大量風(fēng)斜向進入室內(nèi)，在建筑中部產(chǎn)生較大渦流，南側(cè)進風(fēng)口受山丘影響很大。

2.2 通風(fēng)策略

2.2.1 增大風(fēng)速

南面與東面為建筑的進風(fēng)面，南面因受山坡阻擋，進風(fēng)量明顯減弱，風(fēng)速較小。提出通風(fēng)策略的第一步為增加風(fēng)速?，F(xiàn)狀建筑東南尖角對風(fēng)的阻礙較大，需要補充這一位置的進風(fēng)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(fēng)速分布圖，模擬效果可以看出室內(nèi)風(fēng)速得到了顯著提升。

圖1 通風(fēng)策略：通過建筑形體的局部凹角來增加風(fēng)速

2.2.2 引導(dǎo)風(fēng)向

東面與風(fēng)向夾角過小，風(fēng)在室內(nèi)穿行路徑過長，進風(fēng)方向不利于通風(fēng)。建筑東西進深小，因此重點制造由東向西的通風(fēng)路徑。提出通風(fēng)策略的第二步為引導(dǎo)風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)沿較短進深方向在建筑中穿行時，通風(fēng)效果最佳。設(shè)計期望將吹向東面墻的東南風(fēng)裝化為垂直墻體進入室內(nèi)的風(fēng)向，考慮設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板。

在通風(fēng)口旁邊設(shè)置垂直于墻面的導(dǎo)風(fēng)板，即導(dǎo)風(fēng)板平行于引風(fēng)方向，風(fēng)沿導(dǎo)風(fēng)板方向進入室內(nèi)。導(dǎo)風(fēng)板與開窗配合設(shè)置，一個柱跨內(nèi)設(shè)置兩塊導(dǎo)風(fēng)板，通過風(fēng)向確定導(dǎo)風(fēng)板長度。導(dǎo)風(fēng)板背面會形成渦流，因此連接兩塊垂直板，減少風(fēng)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(cè)外墻向外突出，形成更大的匯聚風(fēng)的喇叭口，同時在立面上形成凹凸的豐富變化。

圖2 通風(fēng)策略：通過立面設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板來引導(dǎo)風(fēng)向

2.3 設(shè)計效果模擬

針對通風(fēng)不足，設(shè)計采取了形體凹角退讓的方式來增加風(fēng)速，以及東、南兩立面設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板的方式來引導(dǎo)風(fēng)向。應(yīng)用評價指標(biāo)對通風(fēng)效果進行評價。微風(fēng)環(huán)境不僅有助于人體散熱，而且能夠從心理層面上使室內(nèi)人員產(chǎn)生愉悅的心情，提高工作效率。舒適的室內(nèi)空氣流速區(qū)間為0.15-0.5m/s左右。在高于26℃的環(huán)境中，通過吹風(fēng)對溫度的補償效應(yīng)，可以使人產(chǎn)生舒適感[2]。模擬結(jié)果：室內(nèi)風(fēng)速分布較均勻，絕大部分的區(qū)域處在舒適的室內(nèi)空氣流速區(qū)間內(nèi)。風(fēng)向基本滿足需求，結(jié)果可觀。

3 遮陽系統(tǒng)設(shè)計研究

3.1 Ecotect模擬分析

廣州地區(qū)夏季太陽輻射較高，人在室內(nèi)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(wěn)定升達(dá)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(jié)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(shè)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(shè)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(dá)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(fā)現(xiàn)，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(gòu)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(nèi)解決問題，因此西立面與北立面的遮陽方式優(yōu)先考慮使用豎直遮陽構(gòu)件。

3.2.1 北立面遮陽設(shè)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?jǐn)U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(shè)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(fēng)也有阻礙[3]。

Step.2：將擋板旋轉(zhuǎn)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(nèi)。

Step.3：因西面為出風(fēng)面，調(diào)整擋板的旋轉(zhuǎn)方向，配合東西向通風(fēng)路徑。然而卻令陽光毫無阻礙加熱西面。

Step.4：當(dāng)水平遮陽的長度和間距達(dá)到適當(dāng)比例時，其效果相當(dāng)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(gòu)成最終的遮陽構(gòu)件[4]。

3.3 設(shè)計效果模擬

圖4 立面遮陽板的設(shè)計推導(dǎo)

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(shè)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(jié)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

通風(fēng)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(gòu)件普遍適用的情況。對既有建筑的生態(tài)改造，需要從實際情況入手進行具體分析，才能將通風(fēng)與遮陽原理進行有針對性的設(shè)計運用。通風(fēng)體系和遮陽體系的研究是建筑設(shè)計中的一個重要組成部分，對節(jié)約建筑能耗和改善室內(nèi)熱舒適度具有非常積極的作用，綠色生態(tài)的理念應(yīng)貫穿建筑設(shè)計始終。一般而言遮陽板對于通風(fēng)會有遮擋作用，兩者在一定程度上是對立矛盾的。而本次設(shè)計中，通風(fēng)體系需要從東面進風(fēng)，西面出風(fēng)，所以西立面的遮陽體系在滿足遮陽的同時需要配合通風(fēng)需求。選取合適的引風(fēng)和遮陽形式，同時遮陽板與導(dǎo)風(fēng)板的配合處理，不僅遮陽板不會對通風(fēng)有阻礙作用，反而能起到一定的引導(dǎo)作用。本方案中基于通風(fēng)體系的東、南立面的引風(fēng)構(gòu)件和基于遮陽體系的西、北立面的遮陽構(gòu)件，正是在綜合考慮下的設(shè)計成果。四個立面的構(gòu)件設(shè)計，簡潔明了，可操作性強，在統(tǒng)一中求變化，形成了美觀的建筑立面以及豐富的光影效果。