浙江省居住建筑外遮陽整合設計

岳 淼（浙江建設職業技術學院， 浙江 杭州 310018）

1 研究背景

在世界資源日益匱乏的當今社會，建筑設計師應通過合理的建筑設計以降低建筑業的能耗。根據 Luis 等人[1]的統計，很多國家建筑業的能源消耗占比甚至可以超過 40%。西方發達國家大規模開展建筑節能已持續了三十多年[2]。如法國從 1974 年起分三步走用法律形式正式規定了采暖居住建筑的節能指標，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負荷的主要原因。Ralegaonkar 等人[5]的研究闡述了建筑應根據氣候加以設計，可設置合適的窗遮陽。Raman 等人[6]通過設計被動太陽能系統，使建筑能夠適應全年復雜的氣候。建筑外遮陽產品可減少 80% 的太陽輻射熱量。Kapur 的遮陽設計注重與建筑立面設計相協調，并在美國亞利桑那州立大學的太陽能實驗室設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熱環境的關系。將來人們會更加關注遮陽設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件，對于建筑節能意義重大。廣州地區無外遮陽情況下節能居住建筑全年冷負荷構成如圖 1 所示[8]。設置合理的建筑外窗遮陽系統對降低建筑夏季空調能耗有著重大作用，夏熱冬冷地區不同城市、不同類型建筑的活動外遮陽節能貢獻率如表 1 所示[9]。

圖 1 節能居住建筑全年冷負荷構成

表 1 夏熱冬冷地區不同城市高層住宅的活動外遮陽節能貢獻率

浙江省處于我國夏熱冬冷地區，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 遮陽設計依據

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)。基本模型示意如圖 2 所示，尺寸如表 2 所示，房間具體材料如表 3 所示。本研究以無遮陽構件模型為基本參照，不同遮陽構件形式與無遮陽模型相對照，得出遮陽效果參數。

圖 2 模型平面圖和效果示意圖

表 2 模型尺寸

表 3 模型圍護結構材料

2.2 浙江省相關氣象條件

2.2.1 浙江省氣象條件

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

2.2.2 人體舒適條件

（1）人體舒適度指數分級描述。人體舒適度指數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，根據人類機體與大氣環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 人體舒適度指數分級描述

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

式中：Dl—人體舒適指數；

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作為參考數據進行研究。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

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

表 6 杭州市設置遮陽氣溫建議值

2.2.3 設置遮陽時間

根據典型氣象年數據資料，得到杭州市 5～9 月典型氣象日白天時段氣溫。根據杭州市設置遮陽氣溫建議值，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 遮陽構件設計

本文考慮浙江省居住建筑遮陽一體化設計，規定遮陽構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，垂直板緊靠窗洞側邊緣。

根據本設計一體化條件和不同朝向日照特點，經試驗多種遮陽形式，將南向遮陽構件抽象為水平式遮陽板，將北向遮陽構件抽象為綜合式遮陽板，設置遮陽的模型示意如圖 3所示。在遮陽構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件。模擬軟件采用 Autodesk 公司Ecotect Analysis 2011，分析中進行室內陰影、天然采光、太陽輻射量的模擬計算分析。

3.1 設定遮陽構件尺寸

為滿足遮陽時間段要求，經陰影模擬分析（構件尺寸以 10 mm 為步幅），在保證需遮陽時間段內室內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

本文對全年室內天然采光系數和 5～9 月累積窗口外側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據為基準，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。將模擬數據整理，并與無遮陽時的基準數據做比較，得到南向主要水平遮陽板尺寸與采光系數和太陽輻射量的關系，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和太陽輻射量的關系

3.2.2 北向外窗模擬分析

以無遮陽時的所得數據為基準，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.將模擬數據整理，并與無遮陽時的基準數據做比較，得到北向主要水平遮陽板尺寸與采光系數和太陽輻射量的關系，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和太陽輻射量的關系

3.3 遮陽構件尺寸分析

3.3.1 南向外窗遮陽構件尺寸分析

由表 10 南向主要水平遮陽板尺寸與采光系數和太陽輻射量的關系中數據整理采光系數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 采光系數值折線圖

圖 5 太陽輻射量比值折線圖

根據圖 4 中采光系數值折線，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，采光系數為減小的變化狀態。

根據圖 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。

根據以上分析，建議設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 北向外窗遮陽構件尺寸分析

根據表 11 北向主要水平遮陽板尺寸與采光系數和太陽輻射量的關系中數據，北向綜合式遮陽構件的挑出尺寸在540～560 mm之間時，采光系數無變化，太陽輻射量的變化很小。

根據以上分析，建議設置綜合式遮陽構件尺寸為水平方向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 外遮陽構件與建筑一體化設計

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

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

（2）根據墻體防水構造要求，遮陽板以上墻體應設150～200 mm 泛水，考慮結合樓板設置。

（3）鋼筋混凝土水平板構造尺寸厚度為 60～80 mm。

根據以上 3 個條件和建筑一體化設計，在模擬中得出的遮陽構件建議尺寸適用。

表 12 空調板尺寸

根據遮陽構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 2～3 個空調室外機放置。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 1 個空調室外機放置。通過這樣的一體化設計，既達到了遮陽的效果，又解決了空調室外機擺放凌亂的問題，美化了建筑外觀。

5 結 語

本文關注建筑中的節能設計問題。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件設計尺寸，并結合建筑遮陽一體化設計，根據居住建筑特點和建筑立面設計，提出建筑遮陽設計一體化建議。希望本文能夠對建筑師進行節能設計時有借鑒意義，在世界資源日益匱乏的當下走好建筑可持續發展之路。