浙江省居住建筑外遮陽整合設(shè)計

岳 淼（浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 杭州 310018）

1 研究背景

在世界資源日益匱乏的當(dāng)今社會，建筑設(shè)計師應(yīng)通過合理的建筑設(shè)計以降低建筑業(yè)的能耗。根據(jù) Luis 等人[1]的統(tǒng)計，很多國家建筑業(yè)的能源消耗占比甚至可以超過 40%。西方發(fā)達國家大規(guī)模開展建筑節(jié)能已持續(xù)了三十多年[2]。如法國從 1974 年起分三步走用法律形式正式規(guī)定了采暖居住建筑的節(jié)能指標，1990 年法國建筑能耗占社會總能耗的占比已從 1984 年的 42%～45% 降低到 28%。雖自 1974年以來法國住宅面積增加了約 14%，但建筑能耗幾乎無增長，法國的建筑節(jié)能成就巨大[3-4]。夏季建筑接受太陽輻射熱是造成夏季空調(diào)負荷的主要原因。Ralegaonkar 等人[5]的研究闡述了建筑應(yīng)根據(jù)氣候加以設(shè)計，可設(shè)置合適的窗遮陽。Raman 等人[6]通過設(shè)計被動太陽能系統(tǒng)，使建筑能夠適應(yīng)全年復(fù)雜的氣候。建筑外遮陽產(chǎn)品可減少 80% 的太陽輻射熱量。Kapur 的遮陽設(shè)計注重與建筑立面設(shè)計相協(xié)調(diào)，并在美國亞利桑那州立大學(xué)的太陽能實驗室設(shè)置實驗裝置測試遮陽對輻射傳熱的作用。吉瓦尼[7]在研究中提到DHC，表征了透過窗戶的太陽輻射與室內(nèi)熱環(huán)境的關(guān)系。將來人們會更加關(guān)注遮陽設(shè)施是否能夠減少更多的能源消耗或 CO2排放。

夏季建筑接受太陽輻射熱是造成夏季空調(diào)負荷的主要原因。對于普通居住建筑而言，建筑外窗既是阻擋室內(nèi)外熱量交換的薄弱部位，又是接受太陽輻射入射熱的主要構(gòu)件，對于建筑節(jié)能意義重大。廣州地區(qū)無外遮陽情況下節(jié)能居住建筑全年冷負荷構(gòu)成如圖 1 所示[8]。設(shè)置合理的建筑外窗遮陽系統(tǒng)對降低建筑夏季空調(diào)能耗有著重大作用，夏熱冬冷地區(qū)不同城市、不同類型建筑的活動外遮陽節(jié)能貢獻率如表 1 所示[9]。

圖 1 節(jié)能居住建筑全年冷負荷構(gòu)成

表 1 夏熱冬冷地區(qū)不同城市高層住宅的活動外遮陽節(jié)能貢獻率

浙江省處于我國夏熱冬冷地區(qū)，外窗接受太陽輻射較多，而外遮陽對阻擋過多太陽輻射熱有較好的效果。本文以浙江省杭州市居住建筑外窗外遮陽為研究對象，通過模擬計算等方法，綜合考慮了人體舒適度、太陽輻射量、建筑采光和建筑設(shè)計等因素，定量分析了浙江省適宜的外窗遮陽板形式和尺寸。

2 遮陽設(shè)計依據(jù)

2.1 建立模型

本文選取浙江省某住宅臥室為基本單元模型。模型開間3.9 m、進深 4.8 m、層高 2.9 m。開窗大小為寬度 1.5 m、高度 1.5 m，窗下墻 0.9 m，窗墻比約 1/5 (0.199)，窗地比約 1/8 (0.12)?；灸Ｐ褪疽馊鐖D 2 所示，尺寸如表 2 所示，房間具體材料如表 3 所示。本研究以無遮陽構(gòu)件模型為基本參照，不同遮陽構(gòu)件形式與無遮陽模型相對照，得出遮陽效果參數(shù)。

圖 2 模型平面圖和效果示意圖

表 2 模型尺寸

表 3 模型圍護結(jié)構(gòu)材料

2.2 浙江省相關(guān)氣象條件

2.2.1 浙江省氣象條件

浙江省處于我國建筑氣候分區(qū)中的夏熱冬冷地區(qū)，夏季氣候炎熱、濕潤，冬季寒冷、干燥。

2.2.2 人體舒適條件

（1）人體舒適度指數(shù)分級描述。人體舒適度指數(shù)是為了從氣象角度來評價在不同氣候條件下人體的舒適感，根據(jù)人類機體與大氣環(huán)境之間的熱交換而制定的生物氣象指標，分級如表 4 所示。

表 4 人體舒適度指數(shù)分級描述

（2）人體舒適度指數(shù)的計算方法。在影響人體舒適度的幾個氣象參數(shù)中，影響最大的是氣溫，其次是大氣相對濕度和風(fēng)。根據(jù)由 Tom 提出的溫濕指數(shù)[10]和氣象局采用的人體舒適度指數(shù)計算公式來計算人體舒適度指數(shù)對應(yīng)的氣象條件。人體舒適度指數(shù)計算公式如下。

式中：Dl—人體舒適指數(shù)；

T—攝氏溫度；

F—華氏溫度；

U—空氣相對濕度，%。

浙江省下轄 11 個省轄市，氣象條件不盡相同。本文選取省會杭州市氣象參數(shù)作為參考數(shù)據(jù)進行研究。浙江省杭州市各月平均相對濕度如表 5 所示。

表 5 浙江省杭州市各月平均相對濕度

依據(jù)人體舒適度指數(shù)分級描述，本文取人體舒適指數(shù)DI=75～80 為遮陽效果模擬區(qū)間。根據(jù)表 5 中浙江省杭州市各月平均空氣相對濕度，由式（1）、式（2）計算得到杭州市設(shè)置遮陽氣溫建議值，詳見表 6。

表 6 杭州市設(shè)置遮陽氣溫建議值

2.2.3 設(shè)置遮陽時間

根據(jù)典型氣象年數(shù)據(jù)資料，得到杭州市 5～9 月典型氣象日白天時段氣溫。根據(jù)杭州市設(shè)置遮陽氣溫建議值，整理出窗口遮陽時間如表 7 所示。

表 7 杭州市窗口遮陽時間

3 遮陽構(gòu)件設(shè)計

本文考慮浙江省居住建筑遮陽一體化設(shè)計，規(guī)定遮陽構(gòu)件水平板下表面距所遮陽外窗上邊緣 200 mm，即距窗臺 1 700 mm，垂直板緊靠窗洞側(cè)邊緣。

根據(jù)本設(shè)計一體化條件和不同朝向日照特點，經(jīng)試驗多種遮陽形式，將南向遮陽構(gòu)件抽象為水平式遮陽板，將北向遮陽構(gòu)件抽象為綜合式遮陽板，設(shè)置遮陽的模型示意如圖 3所示。在遮陽構(gòu)件距窗距離一定的情況下，挑出尺寸影響遮陽效果。

圖 3 遮陽模擬分析模型

本文采用軟件模擬法對遮陽構(gòu)件尺寸進行推敲。模擬對象為 3 900 mm（開間）× 4 800 mm（進深）× 2 900 mm（層高）的抽象住宅房間模型，外窗依次為南向或北向，且為模型中唯一采光構(gòu)件。模擬軟件采用 Autodesk 公司Ecotect Analysis 2011，分析中進行室內(nèi)陰影、天然采光、太陽輻射量的模擬計算分析。

3.1 設(shè)定遮陽構(gòu)件尺寸

為滿足遮陽時間段要求，經(jīng)陰影模擬分析（構(gòu)件尺寸以 10 mm 為步幅），在保證需遮陽時間段內(nèi)室內(nèi)無太陽直射的情況下，得到分別滿足DI=75 和DI=80 的臨界條件下南向水平式遮陽板尺寸及北向綜合式遮陽板尺寸表，分別見表8、表 9。

表 8 臨界條件下南向水平式遮陽板尺寸 mm

表 9 臨界條件下北向綜合式遮陽板尺寸 mm

3.2 天然采光和太陽輻射量模擬分析

本文對全年室內(nèi)天然采光系數(shù)和 5～9 月累積窗口外側(cè)太陽輻射量兩項指標進行了一系列的模擬計算。

3.2.1 南向外窗模擬分析

以無遮陽時的所得數(shù)據(jù)為基準，依次對滿足DI=75～80之間的水平式遮陽板尺寸進行模擬計算。將模擬數(shù)據(jù)整理，并與無遮陽時的基準數(shù)據(jù)做比較，得到南向主要水平遮陽板尺寸與采光系數(shù)和太陽輻射量的關(guān)系，具體如表 10 所示。

表 10 南向主要水平遮陽板尺寸與采光系數(shù)和太陽輻射量的關(guān)系

3.2.2 北向外窗模擬分析

以無遮陽時的所得數(shù)據(jù)為基準，依次對滿足DI=75～80之間的綜合式遮陽板尺寸進行模擬計算.將模擬數(shù)據(jù)整理，并與無遮陽時的基準數(shù)據(jù)做比較，得到北向主要水平遮陽板尺寸與采光系數(shù)和太陽輻射量的關(guān)系，具體如表 11 所示。

表 11 北向主要水平遮陽板尺寸與采光系數(shù)和太陽輻射量的關(guān)系

3.3 遮陽構(gòu)件尺寸分析

3.3.1 南向外窗遮陽構(gòu)件尺寸分析

由表 10 南向主要水平遮陽板尺寸與采光系數(shù)和太陽輻射量的關(guān)系中數(shù)據(jù)整理采光系數(shù)值折線圖和太陽輻射量比值折線圖，分別如圖 4 和圖 5 所示。

圖 4 采光系數(shù)值折線圖

圖 5 太陽輻射量比值折線圖

根據(jù)圖 4 中采光系數(shù)值折線，可知，水平式遮陽板在510 mm、550 mm、610 mm、660 mm、710 mm幾個挑出尺寸時，采光系數(shù)為減小的變化狀態(tài)。

根據(jù)圖 5 中太陽輻射量比值折線和固定斜率參照線，可知水平式遮陽板挑出尺寸 520 mm、580 mm 和 680 mm分別為折線的 3 個較明顯拐點，太陽輻射量減小的趨勢依次遞減。

根據(jù)以上分析，建議設(shè)置水平式遮陽板尺寸為 3 300 mm× 660 mm 或 3 300 mm × 680 mm：遮陽板長度 3 300 mm，其中兩翼向東挑出 700 mm，向西挑出 1 100 mm；遮陽板外挑寬度 660 mm 或 680 mm；遮陽板下表面距外窗上邊緣 200 mm。

3.3.2 北向外窗遮陽構(gòu)件尺寸分析

根據(jù)表 11 北向主要水平遮陽板尺寸與采光系數(shù)和太陽輻射量的關(guān)系中數(shù)據(jù)，北向綜合式遮陽構(gòu)件的挑出尺寸在540～560 mm之間時，采光系數(shù)無變化，太陽輻射量的變化很小。

根據(jù)以上分析，建議設(shè)置綜合式遮陽構(gòu)件尺寸為水平方向1 660 mm × 540 mm～1 600 mm × 560 mm，垂直方向1 700 mm × 540 mm～1 700 mm × 560 mm，水平方向板下表面距外窗上邊緣 200 mm。

4 外遮陽構(gòu)件與建筑一體化設(shè)計

本文考慮浙江省居住建筑遮陽一體化設(shè)計，擬采用空調(diào)懸挑板與遮陽構(gòu)件一體化，同時考慮以下幾個因素。

（1）常規(guī)空調(diào)板尺寸如表 12 所示，考慮遮陽構(gòu)件中水平板預(yù)留空調(diào)放置空間最小為 1 050 mm（寬） × 500 mm（深） × 700 mm（高）。

（2）根據(jù)墻體防水構(gòu)造要求，遮陽板以上墻體應(yīng)設(shè)150～200 mm 泛水，考慮結(jié)合樓板設(shè)置。

（3）鋼筋混凝土水平板構(gòu)造尺寸厚度為 60～80 mm。

根據(jù)以上 3 個條件和建筑一體化設(shè)計，在模擬中得出的遮陽構(gòu)件建議尺寸適用。

表 12 空調(diào)板尺寸

根據(jù)遮陽構(gòu)件尺寸分析中得出的建議尺寸，南向水平式遮陽板長度 3 300 mm，其中兩翼向東挑出 700 mm，向西挑出 1 100 mm，向外挑出深度 660 mm或 680 mm，可承擔(dān) 2～3 個空調(diào)室外機放置。北向綜合式遮陽水平方向板長度1 660 mm，垂直方向板長度 1 700 mm，向外挑出深度 540～560 mm，可承擔(dān) 1 個空調(diào)室外機放置。通過這樣的一體化設(shè)計，既達到了遮陽的效果，又解決了空調(diào)室外機擺放凌亂的問題，美化了建筑外觀。

5 結(jié) 語

本文關(guān)注建筑中的節(jié)能設(shè)計問題。在浙江省居住建筑外窗外遮陽方面做了一定的分析研究，利用軟件模擬計算分析，綜合考慮人體舒適度、太陽輻射量和建筑采光等因素，定量分析了外窗遮陽構(gòu)件設(shè)計尺寸，并結(jié)合建筑遮陽一體化設(shè)計，根據(jù)居住建筑特點和建筑立面設(shè)計，提出建筑遮陽設(shè)計一體化建議。希望本文能夠?qū)ㄖ熯M行節(jié)能設(shè)計時有借鑒意義，在世界資源日益匱乏的當(dāng)下走好建筑可持續(xù)發(fā)展之路。