辦公建筑南向窗遮陽尺寸模擬計算及優(yōu)化設計

趙文春

（廣西壯族自治區(qū)建筑科學研究設計院，廣西 南寧）

辦公建筑南向窗采取遮陽措施，能夠減少夏季進入到室內的太陽光線，降低室內溫度，減少建筑空調制冷所需的能耗。調查發(fā)現，很多辦公建筑雖然采取了遮陽措施，但是遮陽構件的尺寸設計不合理，導致室內采光效果變差，不得不開啟照明裝置，反而增加了照明能耗。如何在遮陽和采光之間維持平衡，成為辦公建筑遮陽構件設計中必須要考慮的問題。

1 確定模擬計算方案

1.1 模型的基本設定

本文使用專業(yè)的數值模擬分析軟件Ecotect 設計建筑模型。模型參數如下：單間標準辦公室的進深為5.4 m，開間4.2 m，層高4.0 m，采光系數最小值為2%，窗地比為1:5。南向窗的尺寸為高2.1 m、寬2.4 m，窗臺高度0.9 m。

1.2 模擬計算參數設定

設定“熱環(huán)境”和“光環(huán)境”作為模型分析計算指標。模擬計算參數設定如下：

（1）室內熱環(huán)境方面，將南向窗接收的“太陽直射輻射量”作為評價指標，考慮到開窗面積、室外空氣環(huán)境等因素可能會對太陽直射輻射量產生影響，為本文采用控制變量法，以南向窗的遮陽尺寸作為唯一變量，消除無關因素的干擾，探究有無遮陽情況下的太陽直射輻射量的變化。

（2）室內光環(huán)境方面，將“照度值”和“采光系數”作為評價指標，考慮到光透射比、反射系數等會對工作面的照度值、采光系數產生影響，在室內光環(huán)境分析計算時同樣采取了控制變量法，以南向窗的遮陽尺寸作為唯一變量，探究有無遮陽情況下室內工作面照度值和采光系數的變化[1]。

1.3 模擬計算分析方法

基于Ecotect 軟件的室內熱環(huán)境分析，本質上是求解室內外各種擾動作用下對室內熱工性能參數的影響。這里的外干擾主要有氣溫、濕度、氣流速度等，可以通過導熱、對流、輻射等方式對室內熱環(huán)境產生影響；內干擾則是室內人員活動或設備運行等，也會在一定程度上影響室內熱環(huán)境。這些參數可以在Ecotect 軟件中設定。

基于Ecotect 軟件的室內光環(huán)境分析，則是求解人工照明和自然采光的結果，并輸出照度值和采光系數等數據信息。為了更加直觀的對比有無遮陽情況下辦公建筑室內的照度值和采光系數變化，本文使用Ecotect 軟件中的CIE 全陰天分布計算模型，模擬全陰天環(huán)境下室內自然光照。

2 無遮陽模型分析計算

2.1 熱環(huán)境分析計算

在辦公建筑南向窗未采取遮陽措施的情況下，以2022 年本地氣象數據資料作為輸入量，對南向窗每個月接收的太陽直射輻射量進行模擬計算，分別統(tǒng)計一年之中各個月份的太陽輻射總量和太陽直射輻射量，所得結果如圖1 所示。

圖1 無遮陽時每月太陽輻射量變化曲線

由圖1 可知，辦公建筑南向窗在一年之中的4～9月份接收到的太陽輻射總量較多，均在70 000 wh 以上。在1、2、11、12 四個月份接收到的太陽輻射總量較少，均未達到60 000 wh，這一模擬結果符合北半球太陽運行規(guī)律。

在我國北方地區(qū)，夏季（6、7、8 月份）氣溫較高，個別天氣下溫度可能達到40 ℃，因此辦公建筑在夏季必須要采取遮陽措施以降低外部太陽直射輻射，從而降低建筑空調能耗。冬季（1、2、12 月份）氣溫較低，多數時間在0 ℃以下，因此辦公建筑在冬季必須要最大程度的讓外界光照進入室內，以降低建筑采暖能耗[2]。

2.2 光環(huán)境分析計算

參照《建筑采光設計標準》(GB50033-2013)中的有關規(guī)定，將測量工作平面的高度設定為0.75 m，計算辦公建筑在全陰天環(huán)境下、未采取遮陽措施下室內工作面的光照度和采光系數。在室內工作面上，分別選取3 個典型計算點，A 點在靠近窗戶處，B 點位于正?；顒訁^(qū)，C 點位于距離窗戶較遠處。計算3 個點的照度值和采光系數，結果如表1 所示。

表1 無遮陽狀態(tài)下3 個典型計算點的照度值與采光系數

由表1 數據可知，在未采取遮陰措施的全陰天環(huán)境下，辦公建筑室內靠窗位置的照度值為591lx，滿足標準中規(guī)定的“全陰天時近窗口出工作面照度值不得低于100lx”的要求；室內正?；顒訁^(qū)工作面照度為373lx，是比較舒適的照度值；在距離窗戶較遠的C 點，照度值僅為90lx，低于標準中要求的100lx，這是由于辦公建筑室內進深太大導致的，這種情況下需要在C點使用照明燈具增加照度值。

為了進一步探明辦公建筑室內整個工作面的采光情況，分別選取照度和采光系數的最低值、平均值、均勻度3 項指標展開對比，結果如表2 所示。

表2 無遮陽環(huán)境下辦公建筑室內照度與采光系數對比

由表2 數據可知，辦公建筑在未采取遮陽措施的情況下，工作面照度平均值為214.4lx，高于標準規(guī)定的100lx。

3 綜合式遮陽尺寸優(yōu)化計算

3.1 綜合式遮陽尺寸計算

本文將“最大限度遮擋太陽直射輻射”作為評價標準，使用Ecotect 軟件對辦公建筑南向窗綜合式這樣在每個月所需的尺寸進行模擬計算，所得計算結果即為綜合式遮陽構件的優(yōu)化尺寸。綜合式遮陽的外伸尺寸為：豎向高度2.2 m，水平寬度2.6 m，西翼外伸長度1.07 m，東翼外伸長度為0.96 m。模擬結果表明，在一年之中的不同月份，遮陽所需的外伸尺寸會隨著太陽入射光線的不同而發(fā)生以年為單位的周期性變化。其中，對比氣溫較高的6、7、8 月份所需的遮陽尺寸，8 月份的遮陽尺寸能夠滿足全面遮擋太陽直射輻射的要求；在此基礎上與氣溫較低的12 月和1月、2 月份所需的遮陽尺寸進行對比，8 月份的遮陽尺寸能夠最大程度的允許冬季太陽直射輻射進入室內[3]。綜上，8 月份計算得到的外部遮陽構件尺寸是最符合評價標準的。

3.2 綜合式遮陽尺寸優(yōu)化

3.2.1 基于熱環(huán)境的優(yōu)化分析

按照上文綜合式遮陽尺寸計算結果，設置辦公建筑南向窗外部遮陽構件，并通過仿真計算該窗戶在一年之中每個月接收的太陽直射輻射量。對比遮陽前、后太陽輻射量，統(tǒng)計結果如圖2 所示。

圖2 采用綜合式遮陽前后每月太陽輻射量變化曲線

根據圖2 可知，在安裝綜合式遮陽構件以前，該辦公建筑南向窗每年的太陽輻射量在7 926 wh～71 454 wh 之間，其中1 月份的太陽輻射量最低，5 月份的太陽輻射量最高。在安裝綜合式遮陽構件后，該辦公建筑南向窗每年的太陽輻射量在0 wh～20 041 wh 之間，其中5、6、7、8 四個月份的太陽輻射量均為0,11 月份太陽輻射量最高。上述對比結果表明，本文設計的綜合式遮陽構件尺寸能夠起到“在炎熱天氣下最大程度遮擋太陽直射輻射、在寒冷天氣下最大程度引入太陽直射輻射”的效果[4]。

3.2.2 基于光環(huán)境的優(yōu)化分析

參照《建筑采光設計標準》(gb50033-2013)中的有關規(guī)定，將測量工作平面的高度設定為0.75 m，然后計算安裝綜合式遮陽構件后辦公建筑室內工作面的采光照度。從室內選擇3 個典型計算點，分別記為A、B、C，統(tǒng)計3 個點的照度值和采光系數，與未采取遮陽措施下的照度值、采光系數作對比，結果如表3 所示。

表3 典型計算點遮陽前后照度值和采光系數對比

根據表3 數據可知，在安裝了綜合式遮陽構件后，辦公建筑室內靠近窗戶處工作面（A 點）和正常活動區(qū)（B 點）的照度值有所降低，但是仍然滿足自然采光臨界照度要求（100lx）。對于距離窗戶較遠的位置（C點），照度值為90lx，低于自然采光臨界照度要求，此處需要通過人工照明的方式增加亮度。同樣的，在安裝了綜合式遮陽構件后，A 點和B 點的采光系數相比于未安裝遮陽構件時有所降低，但是均滿足室內工作面自然采光系數要求（2.0%）。由此可見，本文設計的綜合式遮陽措施對室內自然采光的影響不明顯，具有可靠性[5]。

分別選取照度和采光系數的最低值、平均值、均勻度3 項指標，對比辦公建筑室內有遮陽和無遮陽下各項指標的變化，結果如表4 所示。

表4 有無外部遮陽狀態(tài)下室內采光情況對比

由表4 數據可知，辦公建筑采取綜合式遮陽構件后，室內平均照度雖然比無遮陽時有所降低，但是仍然高于自然采光臨界照度（100lx）；從照度均勻度方面來看，采取綜合式遮陽構建后，均勻度從原來的18.3%上升到了38.4%，提升效果明顯，說明室內自然光線的分布更加均勻，對提升辦公建筑室內自然采光的舒適性有顯著效果。

結束語

本文使用Ecotect 數值模擬分析軟件，將遮陽構件的尺寸設計為豎向高度2.2 m、水平寬度2.6 m、西翼外伸長度1.07 m、東翼外伸長度為0.96 m。在夏季高溫環(huán)境下，該遮陽構件可以將太陽輻射量降低至0，取得了理想的遮陽效果。同時，還能保證室內照度和采光系數符合標準要求，在白天不必使用人工光源輔助照明，取得了理想的建筑節(jié)能效益。