南寧市居住建筑外遮陽(yáng)氣候適應(yīng)性研究

□ 楊 修 張江埠 馬演凱 張禧龍 賀雪晴

南寧市位于桂中南地區(qū)，在熱工分區(qū)中處于夏熱冬暖南區(qū)，5月—10月氣候炎熱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，多雨，靜風(fēng)頻率高，月總太陽(yáng)輻射量大于400MJ/㎡，具有典型的嶺南濕熱地區(qū)環(huán)境特征[1]。該地區(qū)建筑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是夏季遮陽(yáng)及隔熱保護(hù)[2]，外遮陽(yáng)對(duì)降低建筑空調(diào)能耗，提升建筑熱舒適度有較大的效果。隨著社會(huì)的進(jìn)步發(fā)展，人們不斷追求舒適的建筑熱環(huán)境，也越來(lái)越依賴空調(diào)，城市夏季用電高峰不斷攀升[3]。作為建筑最傳統(tǒng)的節(jié)能措施，建筑遮陽(yáng)起到非常重要的作用，然而，縱觀南寧城市居住建筑的發(fā)展，卻發(fā)現(xiàn)建筑遮陽(yáng)措施正在逐漸消失，這種情況加劇了能源的消耗。因此，需針對(duì)居住建筑的外遮陽(yáng)進(jìn)行相應(yīng)的分析，研究其在新形勢(shì)下的應(yīng)用。

外遮陽(yáng)是建筑節(jié)能中一種經(jīng)濟(jì)且效果好的技術(shù)形式，對(duì)于南寧市的建筑遮陽(yáng)問(wèn)題，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。顏焱等整理了外遮陽(yáng)設(shè)施的主要類型及應(yīng)用特點(diǎn)，應(yīng)用ecotect軟件進(jìn)行了不同遮陽(yáng)措施能耗模擬，并探討了廣西南部地區(qū)建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)[4]。何少劍等分析了南寧市不同朝向建筑遮陽(yáng)時(shí)段，綜合場(chǎng)地太陽(yáng)高度角、方位角等信息，提出了南寧地區(qū)建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)方法[5]。唐昱等采用PBECA軟件模擬了南寧市不同遮陽(yáng)系數(shù)對(duì)單位面積建筑能耗的影響，探討了提高水平、垂直及擋板式遮陽(yáng)板遮陽(yáng)系數(shù)的方法[6]。易斌針對(duì)南寧市青秀區(qū)居住建筑外遮陽(yáng)情況進(jìn)行了調(diào)研，在現(xiàn)行規(guī)范和氣候條件的基礎(chǔ)上提出了該地區(qū)外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)的原則、策略和設(shè)施[7]。現(xiàn)有的研究對(duì)促進(jìn)南寧市建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)起到了一定的作用，但是對(duì)于氣候適應(yīng)性的考慮仍少有提到，本研究嘗試從氣候適應(yīng)性的角度進(jìn)行分析。

通過(guò)對(duì)南寧市多個(gè)住宅小區(qū)建筑外遮陽(yáng)進(jìn)行調(diào)研統(tǒng)計(jì)，在南寧市氣候特點(diǎn)及民用建筑特征的基礎(chǔ)上分析了建筑外遮陽(yáng)的氣候適應(yīng)性問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)策略。

1 南寧市建筑外窗遮陽(yáng)現(xiàn)狀問(wèn)題

對(duì)南寧市30余年（1990年至今）來(lái)建成的約100個(gè)住宅小區(qū)建筑外遮陽(yáng)進(jìn)行調(diào)研，涉及南寧市興寧區(qū)、西鄉(xiāng)塘區(qū)、青秀區(qū)、江南區(qū)及五象新區(qū)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計(jì)和分析，總結(jié)建筑外遮陽(yáng)措施的應(yīng)用情況，調(diào)研的住宅小區(qū)分布如圖1：

圖1 調(diào)研小區(qū)在南寧市區(qū)內(nèi)布點(diǎn)位置

1.1 建筑外遮陽(yáng)應(yīng)用比例

在調(diào)研樣本中，住宅小區(qū)的建造年代有20世紀(jì)90年代、21世紀(jì)00年代、21世紀(jì)10年代，占比分別為12%、54%、34%。不同年代采用的遮陽(yáng)形式也有所不同，經(jīng)數(shù)據(jù)整理分析，得到的遮陽(yáng)應(yīng)用情況如圖2、圖3、圖4：

圖2 20世紀(jì)90年代遮陽(yáng)應(yīng)用情況

圖3 21世紀(jì)00年代遮陽(yáng)應(yīng)用情況

圖4 21世紀(jì)10年代后遮陽(yáng)應(yīng)用情況

對(duì)于上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)無(wú)外遮陽(yáng)措施占比最大，而且還在不斷增加，總體居住建筑外遮陽(yáng)措施應(yīng)用比例不高。

1.2 建筑外遮陽(yáng)形式

對(duì)于南寧市而言，較為適宜的遮陽(yáng)方式為水平、擋板及綜合等3種（見(jiàn)表1）。經(jīng)調(diào)研及數(shù)據(jù)整理，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用較多的是水平遮陽(yáng)，而擋板和綜合遮陽(yáng)基本很少出現(xiàn)。

1.3 建筑外遮陽(yáng)技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)單

從調(diào)研的情況上看，住宅小區(qū)的建筑外遮陽(yáng)措施應(yīng)用不僅有逐漸減少的趨勢(shì)，而且還存在形式簡(jiǎn)單、遮陽(yáng)效果不佳等問(wèn)題。20世紀(jì)90年代的住宅由于建筑造型較簡(jiǎn)單，外遮陽(yáng)主要采用的是平板遮陽(yáng)或者是安裝成品遮陽(yáng)棚，耐久性及遮陽(yáng)效果較差；21世紀(jì)00年代的住宅采用了遮陽(yáng)板和空調(diào)結(jié)合的方式，利用飄窗上下隔板之間的空間放置空調(diào)，遮陽(yáng)作用不大；21世紀(jì)10年代之后的住宅外遮陽(yáng)應(yīng)用沒(méi)有明顯的變化，還呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，不過(guò)有些小區(qū)對(duì)飄窗的形式進(jìn)行了調(diào)整，如減少了部分外墻面積設(shè)置豎向空調(diào)外機(jī)安裝機(jī)位，外窗側(cè)邊也形成了遮擋?？傮w來(lái)說(shuō)，建筑外窗遮陽(yáng)基本上沒(méi)有進(jìn)行技術(shù)上的更新，技術(shù)應(yīng)用簡(jiǎn)單，對(duì)能耗的影響也未見(jiàn)明顯改善效果。

表1 建筑外遮陽(yáng)形式一覽表

2 外窗遮陽(yáng)氣候適應(yīng)性分析

2.1 南寧市全年氣候特征分析

南寧市氣候?qū)儆诘湫偷膸X南濕熱氣候區(qū)，夏季長(zhǎng)冬季短，年平均氣溫約為21.6℃，極端最高氣溫40.4℃，極端最低氣溫-2.4℃，夏季最熱月平均氣溫約28.2℃，冬季最冷月平均氣溫約13℃，炎熱時(shí)間從5月持續(xù)到10月，較為漫長(zhǎng)[8]。

圖5 月平均溫度

圖6 月平均濕度

圖7 月平均總太陽(yáng)輻射

圖8 月平均總云量

根據(jù)南寧市典型氣象年數(shù)據(jù)，綜合月平均溫度、濕度、太陽(yáng)輻射及云量等因素分析（見(jiàn)圖5—圖8），南寧市的氣候呈現(xiàn)出明顯的濕熱氣候特點(diǎn)，夏季從5月至8月，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸增大，8月之后太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸降低，但是總云量也逐漸降低，此消彼長(zhǎng)，使得炎熱天氣一直持續(xù)至10月，由此，可以將南寧市夏季氣候分為3類，詳見(jiàn)表2。

表2 南寧市夏季氣候分類一覽表

2.2 外窗遮陽(yáng)季的確定

根據(jù)典型氣象數(shù)據(jù)，從5月至10月最高溫度都在30℃以上，初步確定這6個(gè)月為遮陽(yáng)需求較大的月份，約為半年時(shí)間。從5月7日開(kāi)始，7日—11日平均溫度均高于22℃；從5月10日開(kāi)始，連續(xù)5天白天大部分時(shí)段最高溫度超過(guò)30℃，結(jié)合氣象學(xué)的算法確定遮陽(yáng)季開(kāi)始時(shí)間為5月7日。另外，從10月17日以后，基本上日平均氣溫都在22℃以下，從10月16日開(kāi)始，白天大部分時(shí)段最高溫度都低于30℃，由此確定遮陽(yáng)季結(jié)束時(shí)間為10月17日。當(dāng)針對(duì)某一建筑來(lái)說(shuō)，需要根據(jù)朝向、日照條件以及所處的環(huán)境來(lái)進(jìn)行傳熱計(jì)算制冷平衡點(diǎn)溫度[9]，以確定自身的日照和遮陽(yáng)時(shí)段。

2.3 外窗典型日遮陽(yáng)時(shí)段確定

對(duì)于一天中遮陽(yáng)的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間，可以通過(guò)研究典型日數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析，選擇夏季3類不同氣候中選擇一個(gè)典型日，分別是初夏的6月28日、酷暑的7月22日、夏末的10月7日。經(jīng)過(guò)對(duì)典型日逐時(shí)太陽(yáng)總輻射量的對(duì)比可知：6月28日，從7：00開(kāi)始太陽(yáng)輻射強(qiáng)度增大，到17：00后明顯減弱；7月22日，從6：00開(kāi)始太陽(yáng)輻射強(qiáng)度增大，到17：00后明顯減弱；10月7日，從7：00開(kāi)始太陽(yáng)輻射強(qiáng)度增大，到16：00后明顯減弱。以此可以確定不同階段每天有效遮陽(yáng)時(shí)段。

3 南寧市建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)策略

3.1 從頂層設(shè)計(jì)加強(qiáng)建筑外遮陽(yáng)的設(shè)置

南寧市夏季氣候悶熱，靜風(fēng)頻率高[10]，人們?cè)诖罅渴褂每照{(diào)制冷改善熱環(huán)境的同時(shí)，空調(diào)排出的熱風(fēng)又形成熱島效應(yīng)，空調(diào)效率減弱，形成惡性循環(huán)。作為建筑節(jié)能的第一條防線，建筑外遮陽(yáng)應(yīng)成為改善環(huán)境的先鋒。因此，應(yīng)從頂層設(shè)計(jì)開(kāi)始，強(qiáng)調(diào)外遮陽(yáng)的作用，制定明確的遮陽(yáng)措施的規(guī)范和要求。合理的建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)不僅可以起到節(jié)能減排的作用，還可以美化建筑立面、優(yōu)化進(jìn)入室內(nèi)的光線以及改善室內(nèi)的熱環(huán)境[11]。

3.2 從氣候設(shè)計(jì)角度指導(dǎo)建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)

氣候設(shè)計(jì)關(guān)注的是采用被動(dòng)式策略對(duì)建筑進(jìn)行隔熱和降溫，對(duì)濕熱地區(qū)民用建筑具有較好的指導(dǎo)意義，特別是對(duì)于遮陽(yáng)而言，建筑遮陽(yáng)由最初作為抵御熱輻射的單一防線，演變?yōu)樾枰骖櫷L(fēng)等其他影響因素的綜合策略[12]，并根據(jù)氣候環(huán)境的變化來(lái)滿足“過(guò)熱”和“過(guò)冷”時(shí)區(qū)的不同要求，從而推導(dǎo)出建筑設(shè)計(jì)中群體布局—單體設(shè)計(jì)—材料構(gòu)造3個(gè)層次的設(shè)計(jì)策略，為遮陽(yáng)設(shè)計(jì)提供參考。

3.3 加強(qiáng)建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)創(chuàng)新

外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)應(yīng)在水平遮陽(yáng)、垂直遮陽(yáng)等傳統(tǒng)遮陽(yáng)形式的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，豐富遮陽(yáng)類型[13-14]，融入當(dāng)?shù)靥厣幕茉炷蠈幨械赜蛐蕴卣鞯恼陉?yáng)形式。在規(guī)劃層面，引導(dǎo)居住建筑項(xiàng)目采取既統(tǒng)一又有一定變化的總體建筑遮陽(yáng)風(fēng)貌。在智能化盛行的當(dāng)今社會(huì)，自動(dòng)化的遮陽(yáng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，但由于客觀原因，這些新技術(shù)成果未能有效應(yīng)用在建筑中，造價(jià)高、性價(jià)比低和人們的接受程度低也阻礙了新技術(shù)的應(yīng)用。技術(shù)的創(chuàng)新不僅僅需要在功能上的突破，更需要設(shè)計(jì)研究人員降低遮陽(yáng)設(shè)施的造價(jià)和提高使用壽命，這樣才能將新型遮陽(yáng)技術(shù)應(yīng)用于每家每戶。

3.4 加強(qiáng)可再生資源與外遮陽(yáng)的結(jié)合

“十四五”規(guī)劃明確提出了社會(huì)碳中和的目標(biāo)，可再生能源應(yīng)用成為社會(huì)主要的潮流，力求降低傳統(tǒng)石油、煤炭能源的使用比例。對(duì)于建筑遮陽(yáng)來(lái)說(shuō)，主要工作是挖掘如何實(shí)現(xiàn)可再生能源的應(yīng)用，如結(jié)合太陽(yáng)能光伏獲取電力資源，結(jié)合雨水收集、冷凝水[15]收集獲取可再生水資源，結(jié)合相變蓄熱材料獲取冷源等。由此可以發(fā)展太陽(yáng)能智能遮陽(yáng)系統(tǒng)、噴霧蒸發(fā)降溫系統(tǒng)[16]以及相變蓄熱結(jié)合夜間通風(fēng)復(fù)合降溫系統(tǒng)等其他的降溫技術(shù)措施，加強(qiáng)遮陽(yáng)與可再生能源的結(jié)合研究有待進(jìn)一步的發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)調(diào)研走訪發(fā)現(xiàn)，南寧市近30年來(lái)建成的住宅小區(qū)建筑的外遮陽(yáng)出現(xiàn)了逐漸淡化的趨勢(shì)，并且缺乏創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在國(guó)家推進(jìn)建筑節(jié)能及實(shí)現(xiàn)碳中和的背景下，應(yīng)加強(qiáng)居住建筑的綠色建筑技術(shù)手段，特別是應(yīng)用在節(jié)能第一線的外遮陽(yáng)措施應(yīng)得到足夠的重視。經(jīng)過(guò)氣候適應(yīng)性的分析及深入研究，認(rèn)為南寧地區(qū)的建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)應(yīng)著重從地域氣候角度出發(fā)，選擇符合當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鞯恼陉?yáng)總體格局及合理的遮陽(yáng)形體，并加強(qiáng)遮陽(yáng)技術(shù)的創(chuàng)新，結(jié)合本地的文化特色，形成南寧自身特色的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)，而且還要響應(yīng)國(guó)家的能源策略，強(qiáng)化可再生能源利用技術(shù)，以營(yíng)造健康、生態(tài)、節(jié)能的居住建筑熱環(huán)境。