夏熱冬暖地區(qū)基于性能模擬的新型電動(dòng)格柵構(gòu)件遮陽(yáng)效果研究

劉璇，杜宏武

（華南理工大學(xué) 建筑學(xué)院，廣東廣州 510641）

0 引言

建筑遮陽(yáng)是建筑一體化設(shè)計(jì)中不可缺少的重要部分，對(duì)室內(nèi)舒適度、建筑節(jié)能有良好的促進(jìn)作用。處于濕熱地區(qū)的廣州光熱充足，夏季漫長(zhǎng)，建筑制冷耗能巨大，通過(guò)建筑遮陽(yáng)的處理，減少夏季空調(diào)的使用，可節(jié)約能源并提升熱舒適度[1]；同時(shí)也能使外部光線更加均勻地照入室內(nèi)，減少眩光，良好的自然光照條件使得人工照明使用頻率降低，進(jìn)一步減少耗能。良好、有效的建筑遮陽(yáng)對(duì)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展均有較大的貢獻(xiàn)[2]，在我國(guó)得到了積極的推廣運(yùn)用。本文主要針對(duì)夏熱冬暖地區(qū)基于性能模擬的新型電動(dòng)格柵構(gòu)件遮陽(yáng)效果進(jìn)行研究。

1 研究背景

根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定，位于夏熱冬暖地區(qū)的建筑物應(yīng)針對(duì)各個(gè)朝向的外窗實(shí)施遮陽(yáng)措施。具體而言，東西朝向的外窗宜設(shè)置活動(dòng)外遮陽(yáng)，南向外窗則更宜采用水平外遮陽(yáng)。同時(shí)，在設(shè)置遮陽(yáng)構(gòu)件時(shí)，還應(yīng)考慮到建筑的通風(fēng)需求和冬季日照條件[3]。

1.1 基本的建筑遮陽(yáng)

基于建筑遮陽(yáng)構(gòu)件安裝的位置，遮陽(yáng)類(lèi)型可以分為外遮陽(yáng)、內(nèi)遮陽(yáng)和中間遮陽(yáng)。根據(jù)美觀及功能需求，可以選擇在適合位置安裝遮陽(yáng)構(gòu)件?；谡陉?yáng)構(gòu)件遮擋陽(yáng)光的方向可以分為水平式、垂直式、綜合式、擋板式四種方式[4]（圖1）。從光線照入的角度看，水平式遮陽(yáng)的遮陽(yáng)綜合效果優(yōu)于垂直式；擋板式遮陽(yáng)雖然效果好，但對(duì)于光線射入有較大影響?，F(xiàn)代建筑多通過(guò)綜合式的遮陽(yáng)方式，來(lái)保證遮陽(yáng)、光照、美觀的多方面統(tǒng)一。

圖1 建筑遮陽(yáng)的基本形式[5]

圖2 新型電動(dòng)格柵構(gòu)件不同形態(tài)示意圖

圖3 不同遮陽(yáng)工況的Ecotect建模效果

圖4 不同遮陽(yáng)工況太陽(yáng)入射輻射強(qiáng)度模擬圖

圖5 各工況建模效果

圖6 各工況太陽(yáng)輻射與區(qū)域理想負(fù)荷室外空氣總制冷量折線圖

許多學(xué)者圍繞各類(lèi)型基本遮陽(yáng)構(gòu)件的遮陽(yáng)效果差異展開(kāi)了研究。舒平等[2]對(duì)深圳地區(qū)水平和垂直遮陽(yáng)構(gòu)件的最佳尺寸間距做出研究，指導(dǎo)建筑外立面的深化設(shè)計(jì)；陳麗華等[6]對(duì)比分析夏熱冬冷地區(qū)水平、垂直、綜合、擋板和百葉5種外遮陽(yáng)形式的建筑節(jié)能數(shù)據(jù)，認(rèn)為百葉外遮陽(yáng)節(jié)能效果最好。但是對(duì)于夏熱冬暖地區(qū)新型建筑遮陽(yáng)構(gòu)件的性能研究還不夠充分。

1.2 新型遮陽(yáng)設(shè)施

隨著建筑遮陽(yáng)的普遍應(yīng)用、技術(shù)的不斷成熟和設(shè)計(jì)要求的提高，根據(jù)不同需要出現(xiàn)了許多新型的遮陽(yáng)設(shè)施。智能遮陽(yáng)控制系統(tǒng)通過(guò)太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、溫度等傳感器收集的數(shù)據(jù)，對(duì)建筑物不同朝向和不同樓層的各類(lèi)遮陽(yáng)產(chǎn)品的狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度和調(diào)整；中空百葉窗將百葉放置在中空玻璃的空氣間層，可手動(dòng)或電動(dòng)調(diào)節(jié)百葉的開(kāi)閉和旋轉(zhuǎn)，達(dá)到遮陽(yáng)的目的并節(jié)省使用空間；光電一體化遮陽(yáng)將光伏電池組件集成到建筑的天窗、幕墻等構(gòu)件上使用，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光熱和光電的綜合利用，并達(dá)到遮陽(yáng)的目的。

除此之外，還有許多新型遮陽(yáng)設(shè)施不斷涌現(xiàn)，以滿足人們對(duì)舒適、節(jié)能和美觀的需求，遮陽(yáng)系統(tǒng)智能化也是今后的一大發(fā)展方向[7]。在這個(gè)領(lǐng)域中，新型電動(dòng)格柵構(gòu)件作為一種創(chuàng)新的遮陽(yáng)解決方案引起廣泛關(guān)注。該遮陽(yáng)構(gòu)件采用外遮陽(yáng)，安裝于玻璃窗之外，通過(guò)上下兩個(gè)固定的滑軌，可以電動(dòng)控制格柵的位置，以適應(yīng)不同階段的遮陽(yáng)及視野需求。在夏季炎熱且太陽(yáng)照射強(qiáng)度較大時(shí)，可以將其全部關(guān)閉，以追求最好的遮陽(yáng)效果；在遮陽(yáng)需求較小時(shí)，可以將其全部打開(kāi)，格柵收攏在墻的邊界上，同時(shí)形成垂直遮陽(yáng)構(gòu)件，提供一定的遮陽(yáng)效果。同時(shí)由于其格柵的形式，在立面上也有不錯(cuò)的視覺(jué)表現(xiàn)效果。

2 模型建立

廣州地區(qū)夏季太陽(yáng)高度角較高，對(duì)立面直射較強(qiáng)，需要考慮水平遮陽(yáng)構(gòu)件；新型遮陽(yáng)構(gòu)件可以靈活控制格柵的位置達(dá)到不同的遮陽(yáng)效果。模擬選擇廣州地區(qū)4月1日中午12點(diǎn)的氣候條件；同時(shí)對(duì)房間、門(mén)窗、遮陽(yáng)構(gòu)件的尺寸作出設(shè)定，具體情況如下：房間以廣州某公共建筑的一個(gè)房間為原型——長(zhǎng)6 m，寬4.5 m，層高3 m，有南向大窗1.8 m*4.5 m，北面有小窗；遮陽(yáng)構(gòu)件的格柵尺寸為30 mm，間隔70 mm。

基于常規(guī)遮陽(yáng)方式以及新型電動(dòng)格柵構(gòu)件遮陽(yáng)方式，通過(guò)包括無(wú)遮陽(yáng)在內(nèi)的10種工況來(lái)模擬計(jì)算，對(duì)比分析各種遮陽(yáng)方式的效果。

表1 遮陽(yáng)模擬工況表

3 建筑遮陽(yáng)模擬分析

3.1 基于Ecotect的性能模擬

選取該設(shè)計(jì)空間作為模擬樣本，使用Ecotect軟件進(jìn)行太陽(yáng)入射輻射強(qiáng)度分析和采光系數(shù)分析，通過(guò)這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)表現(xiàn)各個(gè)遮陽(yáng)方式的遮陽(yáng)效果。

3.1.1 太陽(yáng)入射輻射強(qiáng)度計(jì)算分析

由模擬結(jié)果（表2）可知，在南向窗戶沒(méi)有加任何額外遮陽(yáng)措施的情況下，太陽(yáng)入射輻射平均值達(dá)到676230.06 Wh。增加普通遮陽(yáng)構(gòu)件，在南向窗增加1.0 m水平板之后，太陽(yáng)入射輻射平均值降至388493.41 Wh，降低一半左右，說(shuō)明水平板對(duì)太陽(yáng)入射輻射影響十分顯著；增加1.5 m垂直板后，太陽(yáng)入射輻射值僅降低6.86%，降幅不明顯，遮陽(yáng)效果不顯著；增加擋板后，太陽(yáng)入射輻射值僅有169076.53 Wh，由于擋板將整個(gè)窗面完全遮蓋，將大部分光照和太陽(yáng)入射輻射阻擋在外部，雖然遮陽(yáng)效果顯著，但外部景觀也被完全遮擋。

表2 太陽(yáng)入射輻射強(qiáng)度計(jì)算表

使用電動(dòng)格柵進(jìn)行遮陽(yáng)，當(dāng)格柵全部關(guān)閉，太陽(yáng)輻射降低161014.87 Wh，降幅明顯，但遮陽(yáng)效果差于水平板遮陽(yáng)；關(guān)閉1/2時(shí)，稍有降低；當(dāng)全部打開(kāi)時(shí)，如同垂直遮陽(yáng)，遮陽(yáng)效果稍?xún)?yōu)于垂直板遮陽(yáng)，但結(jié)果較為接近。

3.1.2 光照強(qiáng)度計(jì)算分析

由模擬結(jié)果（表3）分析可知，在南向窗戶未加任何額外遮陽(yáng)措施的情況下，采光系數(shù)為9.39%。增加普通遮陽(yáng)構(gòu)件，在南向窗增加1.0 m水平板之后，采光系數(shù)降至7.89%，降低約16%，證明水平板對(duì)采光系數(shù)有影響；增加1.5 m垂直板與增加的電動(dòng)格柵全部打開(kāi)的結(jié)果接近，差別依然不明顯；使用綜合式遮陽(yáng)構(gòu)件后，采光系數(shù)降低幅度較大，相比于單獨(dú)的遮陽(yáng)方式，對(duì)光照的影響更大。

表3 采光系數(shù)計(jì)算表

3.1.3 綜合分析

將太陽(yáng)入射輻射與光照強(qiáng)度進(jìn)行疊加分析可知，采光系數(shù)與太陽(yáng)入射輻射變化趨勢(shì)也是基本一致的，當(dāng)采用各種遮陽(yáng)措施后，窗口的太陽(yáng)入射輻射減少的同時(shí)，對(duì)應(yīng)房間內(nèi)的采光系數(shù)也會(huì)相應(yīng)減少。整體上的遮陽(yáng)效果：擋板遮陽(yáng)＞綜合式遮陽(yáng)＞1.0 m水平板遮陽(yáng)＞電動(dòng)格柵遮陽(yáng)＞1.5 m垂直板遮陽(yáng)。

由于擋板遮陽(yáng)的遮擋性極強(qiáng)，對(duì)于光照的引入和景觀觀賞有很大不利，可以應(yīng)用于對(duì)遮陽(yáng)需求強(qiáng)烈且對(duì)光照及造型要求不是很高的場(chǎng)所中。綜合式遮陽(yáng)主要借助水平板遮陽(yáng)的強(qiáng)有力效果，同時(shí)電動(dòng)格柵遮陽(yáng)通過(guò)可以調(diào)節(jié)的方式滿足不同場(chǎng)景下的需求，并且形成豐富的立面變化。采用垂直板雖然對(duì)房間的采光系數(shù)影響最小，但是對(duì)太陽(yáng)入射輻射的減少量也最小，因此單獨(dú)采用垂直板遮陽(yáng)，綜合效果沒(méi)有水平板和綜合式遮陽(yáng)好。

3.2 基于Energyplus的性能模擬

建模借助SketchUp的插件Open Studio Plug-in，構(gòu)建模擬運(yùn)行所需要的幾何模型。通過(guò)EnergyPlus軟件進(jìn)行區(qū)域理想負(fù)荷室外空氣總制冷率分析，該指標(biāo)可以反映通過(guò)遮陽(yáng)降低能耗的程度。制冷需要的能量越多，耗能越大；降低程度越大，則減小耗能越成功。

由表4中的模擬結(jié)果分析可知，在南向窗戶沒(méi)有加任何額外遮陽(yáng)措施的情況下，區(qū)域理想負(fù)荷室外空氣總制冷量為8380.928 kW。增加普通遮陽(yáng)構(gòu)件，在南向窗增加1.0 m水平板之后，總制冷量?jī)H降低5.78%，僅次于垂直板遮陽(yáng)，表明水平板對(duì)建筑節(jié)能的促進(jìn)作用不明顯；1.5 m垂直板最低。由于設(shè)置水平板和垂直板之后，窗口整體依然處于一種開(kāi)放狀態(tài)，會(huì)使熱空氣向內(nèi)滲透，室內(nèi)冷空氣外溢，故而節(jié)能效果不明顯。

表4 區(qū)域理想負(fù)荷室外空氣總制冷量計(jì)算表

設(shè)置格柵遮陽(yáng)構(gòu)件后，總制冷量大幅降低，格柵全部關(guān)閉時(shí)的效果在所有遮陽(yáng)形式中最好，使總制冷量降低了30.41%。這是由于遮陽(yáng)格柵在固定于窗戶上的滑軌上移動(dòng)，與窗面的距離較近，可以阻擋內(nèi)外的冷熱空氣交換，使室內(nèi)的冷空氣更久地停留，從而使得總制冷量降低。使用水平板和遮陽(yáng)格柵結(jié)合的綜合式遮陽(yáng)優(yōu)于單個(gè)遮陽(yáng)方式，使得區(qū)域理想負(fù)荷室外空氣總制冷量降低效果更加明顯，節(jié)能效果更好。

3.3 軟件綜合分析

從使用Ecotect模擬分析的太陽(yáng)入射輻射和采光系數(shù)的結(jié)果圖表可以看出，單一遮陽(yáng)形式中水平板遮陽(yáng)方式最為有效，可以大幅減少太陽(yáng)入射輻射，當(dāng)可以接受對(duì)采光的影響時(shí)，是一種最優(yōu)的遮陽(yáng)方式。從使用Energyplus模擬分析的區(qū)域理想負(fù)荷室外空氣總制冷量結(jié)果圖表可以看出，新型電動(dòng)格柵遮陽(yáng)構(gòu)件對(duì)建筑節(jié)能的促進(jìn)作用最為明顯，可以使能耗大幅降低，但此時(shí)，水平遮陽(yáng)的效果卻不明顯。綜合兩者共同模擬分析的結(jié)果，可以同時(shí)使用水平板與電動(dòng)格柵，這種綜合遮陽(yáng)的方式在上述三個(gè)指標(biāo)的模擬中都對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有積極的作用，兩者結(jié)合，可將遮陽(yáng)節(jié)能的效果最大化。

4 結(jié)論與討論

合理有效的遮陽(yáng)方式不僅能節(jié)約大量能源，同時(shí)也給空間使用者帶來(lái)更高的熱舒適度和良好體驗(yàn)。本文通過(guò)軟件模擬計(jì)算太陽(yáng)入射輻射和采光系數(shù)來(lái)分析不同工況的遮陽(yáng)效果、計(jì)算區(qū)域理想負(fù)荷室外空氣總制冷分析其節(jié)能效果，研究結(jié)論如下：

1）針對(duì)南向窗戶，在單一遮陽(yáng)方式中：水平板對(duì)太陽(yáng)入射輻射影響十分顯著，同時(shí)對(duì)采光影響適中，但其在節(jié)能效果上表現(xiàn)較差；垂直板對(duì)采光影響最小，但其在遮陽(yáng)和節(jié)能的效果上均劣于其他形式；擋板的遮陽(yáng)和節(jié)能效果較好，但其對(duì)采光和景觀的影響較大，同時(shí)在美觀性上有所缺失；

2）單獨(dú)使用電動(dòng)格柵構(gòu)件時(shí)，可以根據(jù)陽(yáng)光變化和個(gè)人需要對(duì)格柵進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，完全打開(kāi)時(shí)效果接近垂直板遮陽(yáng)，完全關(guān)閉時(shí)效果接近擋板遮陽(yáng)，但有更佳的視覺(jué)效果；

3）使用水平板與新型電動(dòng)格柵構(gòu)件的綜合形式進(jìn)行遮陽(yáng)，可以發(fā)揮水平板對(duì)太陽(yáng)入射輻射的良好阻擋作用，同時(shí)通過(guò)控制電動(dòng)格柵的展開(kāi)程度，降低空氣總制冷量，使得建筑遮陽(yáng)效果和節(jié)能效果最大化。

實(shí)際效果依然需要大量設(shè)計(jì)研究和實(shí)證分析，不同的空間也會(huì)有不同的遮陽(yáng)需求，可以根據(jù)具體情況合理選擇。但通過(guò)本次模擬，希望能夠?yàn)橄臒岫貐^(qū)的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)提供可行的方案，共同促進(jìn)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。