辦公建筑南向窗遮陽尺寸模擬計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙文春

（廣西壯族自治區(qū)建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)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(jìn)入到室內(nèi)的太陽光線，降低室內(nèi)溫度，減少建筑空調(diào)制冷所需的能耗。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多辦公建筑雖然采取了遮陽措施，但是遮陽構(gòu)件的尺寸設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致室內(nèi)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(gòu)件設(shè)計(jì)中必須要考慮的問題。

1 確定模擬計(jì)算方案

1.1 模型的基本設(shè)定

本文使用專業(yè)的數(shù)值模擬分析軟件Ecotect 設(shè)計(jì)建筑模型。模型參數(shù)如下：單間標(biāo)準(zhǔn)辦公室的進(jìn)深為5.4 m，開間4.2 m，層高4.0 m，采光系數(shù)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(tái)高度0.9 m。

1.2 模擬計(jì)算參數(shù)設(shè)定

設(shè)定“熱環(huán)境”和“光環(huán)境”作為模型分析計(jì)算指標(biāo)。模擬計(jì)算參數(shù)設(shè)定如下：

（1）室內(nèi)熱環(huán)境方面，將南向窗接收的“太陽直射輻射量”作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考慮到開窗面積、室外空氣環(huán)境等因素可能會(huì)對(duì)太陽直射輻射量產(chǎn)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(guān)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(nèi)光環(huán)境方面，將“照度值”和“采光系數(shù)”作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考慮到光透射比、反射系數(shù)等會(huì)對(duì)工作面的照度值、采光系數(shù)產(chǎn)生影響，在室內(nèi)光環(huán)境分析計(jì)算時(shí)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(nèi)工作面照度值和采光系數(shù)的變化[1]。

1.3 模擬計(jì)算分析方法

基于Ecotect 軟件的室內(nèi)熱環(huán)境分析，本質(zhì)上是求解室內(nèi)外各種擾動(dòng)作用下對(duì)室內(nèi)熱工性能參數(shù)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(dǎo)熱、對(duì)流、輻射等方式對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生影響；內(nèi)干擾則是室內(nèi)人員活動(dòng)或設(shè)備運(yùn)行等，也會(huì)在一定程度上影響室內(nèi)熱環(huán)境。這些參數(shù)可以在Ecotect 軟件中設(shè)定。

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

2 無遮陽模型分析計(jì)算

2.1 熱環(huán)境分析計(jì)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(shù)據(jù)資料作為輸入量，對(duì)南向窗每個(gè)月接收的太陽直射輻射量進(jìn)行模擬計(jì)算，分別統(tǒng)計(jì)一年之中各個(gè)月份的太陽輻射總量和太陽直射輻射量，所得結(jié)果如圖1 所示。

圖1 無遮陽時(shí)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(gè)月份接收到的太陽輻射總量較少，均未達(dá)到60 000 wh，這一模擬結(jié)果符合北半球太陽運(yùn)行規(guī)律。

在我國北方地區(qū)，夏季（6、7、8 月份）氣溫較高，個(gè)別天氣下溫度可能達(dá)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(diào)能耗。冬季（1、2、12 月份）氣溫較低，多數(shù)時(shí)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(jìn)入室內(nèi)，以降低建筑采暖能耗[2]。

2.2 光環(huán)境分析計(jì)算

參照《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50033-2013)中的有關(guān)規(guī)定，將測(cè)量工作平面的高度設(shè)定為0.75 m，計(jì)算辦公建筑在全陰天環(huán)境下、未采取遮陽措施下室內(nèi)工作面的光照度和采光系數(shù)。在室內(nèi)工作面上，分別選取3 個(gè)典型計(jì)算點(diǎn)，A 點(diǎn)在靠近窗戶處，B 點(diǎn)位于正常活動(dòng)區(qū)，C 點(diǎn)位于距離窗戶較遠(yuǎn)處。計(jì)算3 個(gè)點(diǎn)的照度值和采光系數(shù)，結(jié)果如表1 所示。

表1 無遮陽狀態(tài)下3 個(gè)典型計(jì)算點(diǎn)的照度值與采光系數(shù)

由表1 數(shù)據(jù)可知，在未采取遮陰措施的全陰天環(huán)境下，辦公建筑室內(nèi)靠窗位置的照度值為591lx，滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的“全陰天時(shí)近窗口出工作面照度值不得低于100lx”的要求；室內(nèi)正常活動(dòng)區(qū)工作面照度為373lx，是比較舒適的照度值；在距離窗戶較遠(yuǎn)的C 點(diǎn)，照度值僅為90lx，低于標(biāo)準(zhǔn)中要求的100lx，這是由于辦公建筑室內(nèi)進(jìn)深太大導(dǎo)致的，這種情況下需要在C點(diǎn)使用照明燈具增加照度值。

為了進(jìn)一步探明辦公建筑室內(nèi)整個(gè)工作面的采光情況，分別選取照度和采光系數(shù)的最低值、平均值、均勻度3 項(xiàng)指標(biāo)展開對(duì)比，結(jié)果如表2 所示。

表2 無遮陽環(huán)境下辦公建筑室內(nèi)照度與采光系數(shù)對(duì)比

由表2 數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的100lx。

3 綜合式遮陽尺寸優(yōu)化計(jì)算

3.1 綜合式遮陽尺寸計(jì)算

本文將“最大限度遮擋太陽直射輻射”作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，使用Ecotect 軟件對(duì)辦公建筑南向窗綜合式這樣在每個(gè)月所需的尺寸進(jìn)行模擬計(jì)算，所得計(jì)算結(jié)果即為綜合式遮陽構(gòu)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(jié)果表明，在一年之中的不同月份，遮陽所需的外伸尺寸會(huì)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(duì)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(chǔ)上與氣溫較低的12 月和1月、2 月份所需的遮陽尺寸進(jìn)行對(duì)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(jìn)入室內(nèi)[3]。綜上，8 月份計(jì)算得到的外部遮陽構(gòu)件尺寸是最符合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算結(jié)果，設(shè)置辦公建筑南向窗外部遮陽構(gòu)件，并通過仿真計(jì)算該窗戶在一年之中每個(gè)月接收的太陽直射輻射量。對(duì)比遮陽前、后太陽輻射量，統(tǒng)計(jì)結(jié)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(jù)圖2 可知，在安裝綜合式遮陽構(gòu)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(gòu)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(gè)月份的太陽輻射量均為0,11 月份太陽輻射量最高。上述對(duì)比結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的綜合式遮陽構(gòu)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(gb50033-2013)中的有關(guān)規(guī)定，將測(cè)量工作平面的高度設(shè)定為0.75 m，然后計(jì)算安裝綜合式遮陽構(gòu)件后辦公建筑室內(nèi)工作面的采光照度。從室內(nèi)選擇3 個(gè)典型計(jì)算點(diǎn)，分別記為A、B、C，統(tǒng)計(jì)3 個(gè)點(diǎn)的照度值和采光系數(shù)，與未采取遮陽措施下的照度值、采光系數(shù)作對(duì)比，結(jié)果如表3 所示。

表3 典型計(jì)算點(diǎn)遮陽前后照度值和采光系數(shù)對(duì)比

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)可知，在安裝了綜合式遮陽構(gòu)件后，辦公建筑室內(nèi)靠近窗戶處工作面（A 點(diǎn)）和正常活動(dòng)區(qū)（B 點(diǎn)）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(duì)于距離窗戶較遠(yuǎn)的位置（C點(diǎn)），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(gòu)件后，A 點(diǎn)和B 點(diǎn)的采光系數(shù)相比于未安裝遮陽構(gòu)件時(shí)有所降低，但是均滿足室內(nèi)工作面自然采光系數(shù)要求（2.0%）。由此可見，本文設(shè)計(jì)的綜合式遮陽措施對(duì)室內(nèi)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(shù)的最低值、平均值、均勻度3 項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)比辦公建筑室內(nèi)有遮陽和無遮陽下各項(xiàng)指標(biāo)的變化，結(jié)果如表4 所示。

表4 有無外部遮陽狀態(tài)下室內(nèi)采光情況對(duì)比

由表4 數(shù)據(jù)可知，辦公建筑采取綜合式遮陽構(gòu)件后，室內(nèi)平均照度雖然比無遮陽時(shí)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(gòu)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(nèi)自然光線的分布更加均勻，對(duì)提升辦公建筑室內(nèi)自然采光的舒適性有顯著效果。

結(jié)束語

本文使用Ecotect 數(shù)值模擬分析軟件，將遮陽構(gòu)件的尺寸設(shè)計(jì)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(gòu)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(shí)，還能保證室內(nèi)照度和采光系數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)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。