夏熱冬冷的皖西地區(qū)居住建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)

孫海玲 陳健夫 熊 璨 賈如升

(皖西學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院， 安徽 六安 237012)

夏熱冬冷地區(qū)居住建筑的能耗主要源自夏季的空調(diào)能耗[1]。在通常條件下，采取外遮陽(yáng)措施可以節(jié)省40%～60%的空調(diào)能耗[2]。如何采取合理的外遮陽(yáng)方式以減少建筑得熱，從而降低空調(diào)能耗，是目前研究中需攻克的一項(xiàng)難題。在建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)該考慮所在地區(qū)的氣候及地域特色[3]。在此，將以夏熱冬冷的皖西地區(qū)為例，討論適應(yīng)其氣侯特點(diǎn)的居住建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1 皖西地區(qū)居住建筑外遮陽(yáng)現(xiàn)狀調(diào)查

皖西地區(qū)地處北緯31.77°、東經(jīng)116.50°，主要?dú)夂蛱卣饕粤彩袨榇怼８鶕?jù)《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50176 — 2019)，皖西地區(qū)屬于夏熱冬冷3A氣候?qū)賲^(qū)[4]。在所有的被動(dòng)式節(jié)能措施中，建筑遮陽(yáng)措施的效果立竿見(jiàn)影[5]。在此，以皖西地區(qū)六安市內(nèi)高速龍湖天地、發(fā)能海心沙、恒大御景灣、御龍灣等代表性居住建筑為調(diào)研對(duì)象，調(diào)查該地區(qū)居住建筑外遮陽(yáng)的使用情況。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)居住建筑的外遮陽(yáng)形式大多為固定式結(jié)構(gòu)構(gòu)件遮陽(yáng)，少部分為玻璃遮陽(yáng)、太陽(yáng)能板遮陽(yáng)。固定式結(jié)構(gòu)構(gòu)件遮陽(yáng)，利用了建筑自身的凹凸格局，可將主要的采光窗都置于陰影之中。其優(yōu)勢(shì)在于安裝簡(jiǎn)單、成本低廉、維護(hù)方便；缺點(diǎn)在于不能適應(yīng)變化的采光需求，在冬季有可能出現(xiàn)日照不足、室內(nèi)照明度分布不均勻的現(xiàn)象。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這些居住建筑外遮陽(yáng)材料主要選用的是混凝土遮陽(yáng)板、混凝土構(gòu)架、玻璃。其中，所用玻璃大多為L(zhǎng)OW-E玻璃，而LOW-E玻璃一般用于中置遮陽(yáng)方式[5]，遮陽(yáng)效果不如外遮陽(yáng)方式明顯。同時(shí)，建筑遮陽(yáng)材料較為單一，無(wú)法表現(xiàn)建筑外在的活躍性和生命力?；厩闆r歸納如下：

(1) 高速龍湖天地。南向?qū)^(guò)渡空間進(jìn)行了綜合遮陽(yáng)，東西向采取垂直構(gòu)件遮陽(yáng)。但為了增加房間的利用率，在西向設(shè)計(jì)了飄窗，垂直構(gòu)件的遮陽(yáng)尺寸不合理，遮陽(yáng)效果有限。

(2) 發(fā)能海心沙。南向采用開(kāi)口式遮陽(yáng)方式，西向采用雙層玻璃遮陽(yáng)方式。

(3) 恒大御景灣。南向采用凹陽(yáng)臺(tái)的自遮陽(yáng)方式，陽(yáng)臺(tái)采用頂板水平式遮陽(yáng)方式，東西向采用內(nèi)百葉遮陽(yáng)方式。

(4) 御龍灣。南向采用嵌入式水平遮陽(yáng)方式，東西向無(wú)遮陽(yáng)設(shè)施。

2 居住建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)

2.1 氣候條件分析

通常，皖西地區(qū)六安市內(nèi)年均舒適溫度較短，具有夏熱冬冷的特點(diǎn)[6]。采用合理的外遮陽(yáng)方式，可以降低夏季空調(diào)制冷能耗和冬季的采暖能耗,使室內(nèi)的照度分布更加均勻。據(jù)氣象統(tǒng)計(jì)，六安市2011 — 2021年的各類(lèi)天氣數(shù)據(jù)為：多云，1 443 d；雨天，1 426 d；晴天，465 d；陰天，296 d；雪天，84 d；其他天氣，43 d。合理的建筑外遮陽(yáng)設(shè)施，不僅要能夠遮擋強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射，而且要盡可能地引入自然光。

在不同的時(shí)段，日照情況發(fā)生相應(yīng)變化，因此應(yīng)根據(jù)太陽(yáng)光的變化規(guī)律采取不同的遮陽(yáng)方式。日照情況以每年的6月為例：從5：00日出一直到9：00，太陽(yáng)光照射在東墻上；從9：00到15：00，太陽(yáng)光一直照射在南墻和屋面上；從15：00到19：51日落，太陽(yáng)光照射在西墻上。

在不同的太陽(yáng)高度角條件下，遮陽(yáng)構(gòu)件產(chǎn)生的陰影也有很大不同，因此太陽(yáng)光的變化規(guī)律是遮陽(yáng)設(shè)計(jì)之中必須考慮的重要因素[7]。在此，運(yùn)用式(1) — (3)計(jì)算六安市全年正午太陽(yáng)高度角：

δ=90°-arcsin[sinφsin(180n/186)]，

n∈[0，186]

(1)

δ=90°+arcsin[sinφsin(n-186)]，

n∈(186，276]

(2)

δ=-arcsin[sinφcos90°(n-276)/89]，

n∈(276，365]

(3)

式中：δ—— 正午太陽(yáng)高度角；

n—— 時(shí)間(天數(shù));

φ—— 地理緯度。

經(jīng)計(jì)算可知，該地區(qū)的正午太陽(yáng)高度角在1月22日達(dá)到全年最小值(36°58′)，在7月22日達(dá)到全年最大值(83°12′)。

2.2 東西向外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)

根據(jù)不同朝向的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化規(guī)律，夏季南向的太陽(yáng)高度角較大，因此南向窗口宜采用水平式遮陽(yáng)[8]。東、西向窗口的遮陽(yáng)問(wèn)題較難處理，西向外窗遮陽(yáng)系數(shù)對(duì)房間空調(diào)能耗的影響最大。對(duì)于東、西向窗口，采用擋板式或百葉遮陽(yáng)方式可達(dá)到遮陽(yáng)的目的(見(jiàn)圖1)，但存在遮擋視線、減少日照、不利于通風(fēng)等問(wèn)題[9]。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，針對(duì)部分居住建筑的東、西向立面，有些采用了盡量少開(kāi)窗戶的遮陽(yáng)方法，還有一些只做了垂直、綜合遮陽(yáng)措施。在實(shí)地項(xiàng)目中，受場(chǎng)地的限制，會(huì)出現(xiàn)以東、西向?yàn)橹髁⒚娴那闆r，如凹形平面、L 形平面、回形平面等主立面，所以不能簡(jiǎn)單地通過(guò)減少開(kāi)窗的方法來(lái)解決遮陽(yáng)問(wèn)題[10]。

圖1 擋板式遮陽(yáng)示意圖

結(jié)合皖西地區(qū)地域特色提取元素，調(diào)研了皖西民居。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，皖西民居的房檐及檐下山墻，多以磚雕作為裝飾，表現(xiàn)為建筑花格的形式。建筑花格設(shè)計(jì)輕巧通透，對(duì)采光、換氣、遮陽(yáng)等具有適用性，是一種重要的建筑設(shè)計(jì)造型。在外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)中將花格的裝飾與擋板遮陽(yáng)結(jié)合起來(lái)，可實(shí)現(xiàn)功能性與裝飾性的整合。

3 建筑東、西向外遮陽(yáng)模擬對(duì)比

3.1 無(wú)遮陽(yáng)模擬

建立單個(gè)房間尺寸進(jìn)深和開(kāi)間是4.0 m×3.5 m的矩形房間模型(見(jiàn)圖2)。按照窗地比 1/5的條件開(kāi)窗，模擬西向無(wú)遮陽(yáng)的情況(見(jiàn)圖3)。在單個(gè)臥室房間中選擇a、b、c分析點(diǎn)進(jìn)行模擬：a點(diǎn)為距離窗戶最近點(diǎn)；b點(diǎn)為活動(dòng)區(qū)域點(diǎn)；c點(diǎn)為室內(nèi)采光最低點(diǎn)。

圖2 單個(gè)房間模型

圖3 房間西向無(wú)遮陽(yáng)面示意圖

應(yīng)用Ecotect軟件分析a、b、c點(diǎn)采光照度的分布情況(見(jiàn)圖4)，得到各點(diǎn)的照度值。

圖4 全陰天無(wú)遮陽(yáng)面采光分布

在全陰天無(wú)遮陽(yáng)條件下，a點(diǎn)的照度值為510 lx，b點(diǎn)的照度值為215 lx，c點(diǎn)的照度值為170 lx。照度值的最低標(biāo)準(zhǔn)為150 lx，3個(gè)分析點(diǎn)的照度值均大于此最低標(biāo)準(zhǔn)。其中：距離窗戶最近的a點(diǎn)照度值最高；a點(diǎn)到b點(diǎn)的照度值變化明顯；從b點(diǎn)到c點(diǎn)靠近內(nèi)墻的照度值變化不明顯。

3.2 建筑花格格柵遮陽(yáng)模擬

建筑花格遮陽(yáng)常采用花格格柵組合方法，一般分為單體組合和雙體組合。為了便于模擬，格柵材料選用了混凝土，格柵圖案采用單體滿排式花格(見(jiàn)圖5)。 根據(jù)前面計(jì)算出的最低太陽(yáng)高度角(36°58′)，將花格格柵的位置設(shè)計(jì)于擋板下方(見(jiàn)圖6)，以滿足冬天采暖的需求。

圖5 花格格柵示例

圖6 花格格柵與擋板設(shè)計(jì)

模型中以A×B×C為一個(gè)格子單元，通過(guò)改變格子單元的尺寸(見(jiàn)圖7)，對(duì)a、b、c點(diǎn)的照度值和采光系數(shù)進(jìn)行模擬分析。

圖7 格子單元的尺寸變化

設(shè)計(jì)4組格柵單元 —— Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組，其尺寸(A×B×C)分別為340 mm×295 mm×80 mm、340 mm×295 mm×140 mm、495 mm×345 mm×80 mm、495 mm×345 mm×140 mm，采集全陰天條件下每組格柵中各分析點(diǎn)的照度值和采光系數(shù)(見(jiàn)表1)。其中，隨著格柵單元尺寸的變化，從Ⅰ組到Ⅲ組照度值變化明顯，從320 lx增大到418 lx；但是，從Ⅲ組到Ⅳ組a、b點(diǎn)的照度值反而有所降低，而采光系數(shù)變化和照度值基本一致。

表1 全陰天條件下各組格柵單元分析點(diǎn)的照度值和采光系數(shù)

根據(jù)照度值和采光系數(shù)分析：Ⅲ組格柵單元(尺寸495 mm×345 mm×80 mm)中，a點(diǎn)的照度值和采光系數(shù)最高，但是易產(chǎn)生炫光；Ⅱ組格柵單元(尺寸340 mm×295 mm×140 mm)中引入室內(nèi)的光線也較多，而c點(diǎn)的采光系數(shù)為各組最高值。綜合分析認(rèn)為，格柵單元設(shè)計(jì)中A、B、C的比例約為5 ∶4 ∶2時(shí)，a點(diǎn)的照度較均勻，c點(diǎn)的采光系數(shù)也能夠滿足遮陽(yáng)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

在夏熱冬冷地區(qū)，居住建筑外遮陽(yáng)的效果受當(dāng)?shù)靥?yáng)光照軌跡、建筑場(chǎng)地、建筑朝向、外窗結(jié)構(gòu)等綜合因素的影響。進(jìn)行外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)時(shí)，需將建筑功能與建筑形式高度結(jié)合起來(lái)，綜合考慮居住者對(duì)遮陽(yáng)及節(jié)能效果的整體需求。本次研究以夏熱冬冷的皖西地區(qū)六安市為調(diào)研對(duì)象，主要分析和設(shè)計(jì)適應(yīng)其氣候和環(huán)境特點(diǎn)的東、西向外窗遮陽(yáng)，并推薦了外擋板與格柵遮陽(yáng)形式。通過(guò)無(wú)遮陽(yáng)和花格格柵遮陽(yáng)的模擬分析，驗(yàn)證了花格格柵外遮陽(yáng)的效果。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，設(shè)計(jì)了擋板與花格格柵相結(jié)合的外遮陽(yáng)形式。同時(shí)，設(shè)計(jì)了不同的格柵單元尺寸，通過(guò)照度值和采光系數(shù)對(duì)比，優(yōu)選出照度和采光綜合效果最佳的格柵單元尺寸。