重慶地區建筑外遮陽設計思考

熊海,王永超

（中機中聯工程有限公司，重慶 400039）

重慶地區建筑外遮陽設計思考

熊海,王永超

（中機中聯工程有限公司，重慶 400039）

重慶地區與同緯度地區的城市在氣候、地形等特點上有著明顯的區別，重慶夏季悶熱，冬季相對溫暖，日照時間短，地形地貌較為復雜。因此重慶的建筑外遮陽設計應與其它同緯度地區的遮陽設計有所不同。

重慶；外遮陽；太陽散射輻射；固定外遮陽

1 重慶市太陽輻射特點分析

重慶為夏熱冬冷地區，夏季炎熱，冬季對比于同緯度地區氣候較為溫暖，如圖1所示。在日照方面，重慶市年日照時數1000～1400h，日照百分率僅為25%～35%，為全國年日照最少的地區之一，但重慶市夏季的太陽輻射量與同緯度地區相當，空調負荷大。如圖2所示。

圖1 與重慶同緯度城市冬季最冷月平均溫度

圖2 與重慶同緯度城市最熱月太陽輻射量

重慶市位于北緯29.58°，太陽高度角較高，《民用建筑熱工設計規劃》GB-50176-93[1]中附錄三給出了重慶地區各朝向的太陽輻射情況，可見東西向太陽輻射是南北向太陽輻射的2倍。根據周期非穩態導熱傳熱時間延遲的現象，室內的最高負荷出現在中午過后。因此重慶地區遮陽的設計應優先考慮屋頂及西向的遮陽。

如圖3所示為與重慶同緯度地區典型城市太陽散射輻射占總太陽輻射的百分比。由圖3可知，重慶夏季和冬季太陽散射輻射占總輻射的百分比均比其它城市高。

圖3 與重慶同緯度城市夏季與冬季散射輻射量占總太陽輻射量的百分比

2 活動外遮陽與固定外遮陽的選擇

活動遮陽裝置對比固定遮陽裝置來說無疑是更優越的遮陽方式。在需要陽光時，可以調節遮陽，減少遮陽裝置對陽光的遮擋，在天氣熱的時候則打開遮陽遮擋陽光進入。但是活動外遮陽造價較高，且其耐久性、維護、管理都較為麻煩，因此如何選擇遮陽形式需綜合考慮。

下面針對夏熱冬冷地區同緯度的5個典型城市重慶、武漢、合肥、南京、上海，分析其在無遮陽、有固定遮陽和有活動外遮陽的情況下分別能達到的節能貢獻率。

本文采用以Energyplus能耗軟件作為分析工具。建立一個長10m、寬5m、高3.5m的房間模型，模型南向設置外窗，尺寸為長8m、寬2m。外墻采用無機保溫砂漿40mm+200mm蒸壓加氣混凝土砌塊，傳熱系數1W/（m2·k），屋面傳熱系數0.76W/（m2·k），外窗采用隔熱金屬型材6中透光Low-E+12A+6外窗，傳熱系數2.61W/（m2·k），遮陽系數0.574。采用分體式熱泵機組，COP值為3.0。建筑運行時間表、溫度、室內人員、照明、設備等的設置參考 《公共建筑節能設計標準》GB 50189-2005附錄B辦公類建筑。

模擬分析中固定遮陽設置為挑出1m的水平外遮陽。活動外遮陽的設置為分冬夏兩級調節的簡單活動外遮陽方式，夏季與固定外遮陽設置相同，為挑出1m的水平外遮陽，冬季外遮陽完全收起，即處于無遮陽狀態，如圖4所示。

圖4 簡單活動外遮陽示意圖

計算結果如圖5所示，可見上海，合肥，南京，武漢采用活動外遮陽后的空調節能率均對比固定外遮陽裝置有較大提升。其中上海地區空調節能率對比固定外遮陽情況下節能率提高了5%，南京從節能率1.8%提高到了6.1%，除重慶以外武漢節能率提高量最低為2.7%，而重慶地區活動外遮陽裝置對比固定外遮陽裝置，節能率僅提高了1.2%。由此可見重慶地區采用活動外遮陽裝置對比采用固定外遮陽裝置節能效果并不顯著。

圖5 同緯度不同城市遮陽節能率提高量

由上可見，活動外遮陽在重慶地區效果有限。其原因在于重慶地區冬季相對平均溫度較高，日照較差，冬季散射輻射量占總太陽輻射的80%多，遮陽對冬季的負面影響較小，而活動外遮陽最大的一個優勢就是可以減少遮陽對冬季日照的影響，降低遮陽導致冬季采暖能耗的上升。

3 太陽散射輻射的遮擋

重慶地區常年為高溫高濕天氣，陰天較多，天空云量大，如圖3所示，重慶夏季太陽散射輻射量占總輻射的59%，而冬季太陽散射輻射占總輻射的百分比更是達到了83%。

根據文獻[3]中的設計計算分析，在考慮和不考慮散射輻射遮擋這兩種情況下，透過外窗的總體太陽輻射量有較大的差別，二者最高可差1.2倍以上。而對于重慶散射輻射量比重較大的地區，宜考慮遮陽對散射輻射的遮擋的影響，以進一步提高遮陽效率。

散射輻射由于其多向的輻射角度而較難控制。若要提高遮陽對太陽散射輻射的遮擋，可考慮化整為零的方式。如圖6所示，將水平外遮陽換成百葉外遮陽，將豎向擋板遮陽，換成豎向機翼遮陽等方式，或者采用卷簾外遮陽或卷閘外遮陽。此外調整建筑遮陽的位置亦可提高對散射輻射的遮擋，將水平外遮陽盡量靠近外窗上沿，可提高對太陽散射輻射的遮擋。常用的控制散射輻射的方法還有附加室內的遮陽設施或采用內遮陽的方法來控制散射輻射。

圖6 百葉遮陽可以提高對太陽散射輻射的遮擋，但是對采光和視野有一定影響

4 周邊環境對建筑遮陽設計的影響

重慶城市建設用地地形高差大，對場地所接收的太陽輻射量有一定影響，大的地形高差遮擋了建筑所接受的太陽輻射，這其實對大部分地區來說并不是一個好的遮陽方式，應該避免這樣的情況。因為當把建筑選址在由地形造成的陰影下時，由于太陽高度角在夏季高，冬季低，會導致在需要遮陽的夏季，地形對建筑的遮擋效果欠佳，而在冬季則會非常不利于日照。但對重慶這樣冬季日照較差的地區日照要求并不高，利用地形來進行遮擋也是可取的，當然這需要評估被遮擋區域對日照的需求。

最可取的方式是建筑盡量選在坡的東面，這樣建筑既能接收到一定的太陽輻射，而當在夏季正午過后的室內高溫時段，由于受地形的影響又可以較多地遮擋西曬達到遮陽的目的。當把建筑設在西向坡的時候，則情況就相反了。因此當我們不得不把建筑設置在西向坡時，則必須要注意西曬問題，考慮西向的遮陽設計，而設置在東向坡時則可以不考慮遮陽。

對于建筑在北坡，建筑間的相互遮擋非常嚴重，這對于一些低矮的建筑，可能會終年處于陰影之中，這未必是好事，但這對減少夏季冷負荷卻貢獻很大。因此需結合日照采光等進行權衡考慮。而在坡的南面，冬季建筑間的遮擋較小，日照條件較好，而夏季太陽輻射得熱量并無明顯增加，南向考慮采用水平遮陽可顯著提高建筑節能率。

重慶建筑整體規劃密度較大。當周邊存在大量高大建筑時，建筑即使在夏季太陽高度角最高的時候也有可能受到周邊建筑的遮擋。因此在建筑密度較大的情況下需要分析建筑是否受到周邊建筑的遮擋，部分建筑的底層區域就常年受到周邊建筑的遮擋，對于這樣的區域是不必要考慮遮陽的。

圖7 重慶某項目受周邊建筑遮擋的情況

圖8 重慶某項目各朝向立面太陽輻射量分布

圖7是重慶某項目在8月份正午過后的陰影情況。可見即使在太陽高度角較高的8月，建筑裙房部份依然受到了周邊建筑的遮擋。

對此情況，利用ecotect軟件計算了該項目東南西北各朝向建筑立面夏季累計太陽輻射分布情況，如圖8所示，建筑立面接受到的太陽輻射量隨高度不同，輻射量的變化比較明顯，輻射量最高處與最低處可差2倍以上。北向太陽輻射量隨高度變化情況最為明顯，東西向次之。

由上分析可知，在建筑密集的區域，周邊建筑對設計建筑的遮擋較為明顯，遮陽設計時，宜考慮周邊建筑對設計建筑的遮檔情況后，再針對性地進行遮陽設計，避免不必要的投資。

5 不同建筑類型的遮陽設計

遮陽的設計實際上既需要考慮氣候及周邊環境的情況也要考慮建筑本身的類型，從氣候影響建筑的角度出發，體量較小體形系數較大的建筑，由于內部發熱量小暴露在外部氣候環境中的表皮較多，室內溫度受氣候環境的影響較大，稱為外圍護結構主導型建筑。另一種建筑類型則相反，體形系數較小，內部設備、人員等發熱量較大，室內溫度受氣候環境的影響相對較小，稱為內部空間主導型建筑[2]。

一般來說內部空間主導型建筑其采暖制冷的溫度對比外圍護結構主導型建筑要低5℃左右，例如，當外圍護結構主導型建筑在室外溫度為15℃需要采暖，那么內部空間主導型的建筑則在10℃才需要采暖。而在夏季當室外溫度為32℃時，外圍護結構主導型建筑需要制冷，而內部空間主導型的建筑在室外溫度為27℃時即需要制冷[3]。這樣的結果就導致了在同一個地區，外圍護結構主導型建筑的采暖期較長，制冷期較短，而內部空間主導型建筑則相反，因此內部空間主導型建筑需要遮陽的時間是大于外圍護結構主導型建筑的，遮陽設計的尺寸要求也應該是大于外圍護結構主導型建筑的。

圖9 外圍護結構主導型建筑逐時空調負荷

如圖9所示為第2節所設模型進行全年能耗模擬計算所得全年內部負荷分布情況。圖中縱軸為負荷量單位kw，藍色曲線為制冷負荷，橫軸為時間，從左到右分別為1～12月。圖9為外圍護結構主導型建筑，內部設備及照明負荷總計為19W/m2，圖10為內部空間主導型建筑，內部設備及照明負荷總計為43W/m2，且建筑只有南側與室外空氣接觸，其余各面均與空氣調節房間相連。

因此，內部空間主導型建筑空調負荷遠大于外部空間主導型建筑。如果將最高制冷負荷超過60W/m2時定義為制冷期，則內部空間主導型建筑制冷期為4月10日至11月14日，外圍護結構主導型建筑制冷期為5月10日至9月27日。可見外部空間主導型建筑制冷期比內部空間主導型建筑的制冷期少了近3個月。

建筑的遮陽設計需綜合考慮整個制冷期太陽日軌圖的變化來進行遮陽尺寸設計。內部空間主導型建筑制冷期的太陽高度角要遠低于外圍護結構主導型建筑，因此對于內部空間主導型建筑的遮陽設計尺寸要大于外圍護結構主導型建筑。具體的遮陽尺寸，應結合太陽日軌來進行設計計算[4]。

6 結語

（1）重慶地區在大多數情況下，宜優先選用固定外遮陽的遮陽方式，因為在重慶地區活動外遮陽節能效果有限，且造價高昂。

（2）重慶地區的遮陽設計可適當考慮對太陽散射輻射的遮擋，如采用百葉遮陽或卷閘外遮陽可以有效提高對太陽散射輻射的遮擋，采用水平外遮陽時宜設置在盡量靠近窗戶的位置以提高對太陽散射輻射的遮擋。

（3）場地地形及周邊環境均可能不同程度地對建筑形成遮陽，因此遮陽設計宜考慮地形及周邊環境的影響。必要時應進行太陽遮擋的模擬分析。

（4）遮陽設計宜按外圍護結構主導型建筑和內部空間主導型建筑進行分別設計。內部空間主導型建筑的空調季較長，其遮陽構件尺寸應大于外圍護結構主導型建筑，構件尺寸的設計應在分析制冷期的基礎上，根據制冷期的太陽日軌變化進行設計。

[1]中國建筑科學研究院.GB-50176-93民用建筑熱工設計規劃[S].北京：中國計劃出版社，1993.

[2]張磊，孟慶林.百葉外遮陽太陽散射輻射計算模型及程序實現[J].土木建筑與環境工程，2009（6）.

[3]諾伯特.萊希納（美）.建筑師技術設計指南——采暖.降溫.照明：第二版[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[4]李崢嶸.建筑遮陽與節能[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.

On Exteriorshading design for Buildings in Chongqing

The climate and landforms in Chongqing is obviously different from other cities at the same latitude.In Chongqing,it is hot and humid in summerwhile comparativelywarm inw interw ith shortsunshineduration and complex geographic conditions.Therefore,theexterior shading design for buildings in Chongqing should differ from that forother placesat the same latitude.

Chongqing；exterior shading design；diffusesolar radiation；fixed shading

TU 86

A

1671-9107（2014）06-0074-03

10.3969/j.issn.1671-9107.2014.06.074

2014-05-09

熊海（1983-），男，四川遂寧人，本科，工程師，主要從事綠色建筑咨詢與研究工作。

孫蘇，李紅