夏热冬冷的皖西地区居住建筑外遮阳设计
时间：2023-02-16 18:00:07 来源：千叶帆 本文已影响人
孙海玲 陈健夫 熊 璨 贾如升
(皖西学院 建筑与土木工程学院， 安徽 六安 237012)
夏热冬冷地区居住建筑的能耗主要源自夏季的空调能耗[1]。在通常条件下，采取外遮阳措施可以节省40%～60%的空调能耗[2]。如何采取合理的外遮阳方式以减少建筑得热，从而降低空调能耗，是目前研究中需攻克的一项难题。在建筑外遮阳设计中，首先应该考虑所在地区的气候及地域特色[3]。在此，将以夏热冬冷的皖西地区为例，讨论适应其气侯特点的居住建筑外遮阳设计问题。
皖西地区地处北纬31.77°、东经116.50°，主要气候特征以六安市为代表。根据《民用建筑热工设计规范》(GB 50176 — 2019)，皖西地区属于夏热冬冷3A气候属区[4]。在所有的被动式节能措施中，建筑遮阳措施的效果立竿见影[5]。在此，以皖西地区六安市内高速龙湖天地、发能海心沙、恒大御景湾、御龙湾等代表性居住建筑为调研对象，调查该地区居住建筑外遮阳的使用情况。
经调研发现，该地区居住建筑的外遮阳形式大多为固定式结构构件遮阳，少部分为玻璃遮阳、太阳能板遮阳。固定式结构构件遮阳，利用了建筑自身的凹凸格局，可将主要的采光窗都置于阴影之中。其优势在于安装简单、成本低廉、维护方便；
缺点在于不能适应变化的采光需求，在冬季有可能出现日照不足、室内照明度分布不均匀的现象。
调研发现，这些居住建筑外遮阳材料主要选用的是混凝土遮阳板、混凝土构架、玻璃。其中，所用玻璃大多为LOW-E玻璃，而LOW-E玻璃一般用于中置遮阳方式[5]，遮阳效果不如外遮阳方式明显。同时，建筑遮阳材料较为单一，无法表现建筑外在的活跃性和生命力。基本情况归纳如下：
(1) 高速龙湖天地。南向对过渡空间进行了综合遮阳，东西向采取垂直构件遮阳。但为了增加房间的利用率，在西向设计了飘窗，垂直构件的遮阳尺寸不合理，遮阳效果有限。
(2) 发能海心沙。南向采用开口式遮阳方式，西向采用双层玻璃遮阳方式。
(3) 恒大御景湾。南向采用凹阳台的自遮阳方式，阳台采用顶板水平式遮阳方式，东西向采用内百叶遮阳方式。
(4) 御龙湾。南向采用嵌入式水平遮阳方式，东西向无遮阳设施。
2.1 气候条件分析
通常，皖西地区六安市内年均舒适温度较短，具有夏热冬冷的特点[6]。采用合理的外遮阳方式，可以降低夏季空调制冷能耗和冬季的采暖能耗,使室内的照度分布更加均匀。据气象统计，六安市2011 — 2021年的各类天气数据为：多云，1 443 d；
雨天，1 426 d；
晴天，465 d；
阴天，296 d；
雪天，84 d；
其他天气，43 d。合理的建筑外遮阳设施，不仅要能够遮挡强烈的太阳辐射，而且要尽可能地引入自然光。
在不同的时段，日照情况发生相应变化，因此应根据太阳光的变化规律采取不同的遮阳方式。日照情况以每年的6月为例：从5：00日出一直到9：00，太阳光照射在东墙上；
从9：00到15：00，太阳光一直照射在南墙和屋面上；
从15：00到19：51日落，太阳光照射在西墙上。
在不同的太阳高度角条件下，遮阳构件产生的阴影也有很大不同，因此太阳光的变化规律是遮阳设计之中必须考虑的重要因素[7]。在此，运用式(1) — (3)计算六安市全年正午太阳高度角：
δ=90°-arcsin[sinφsin(180n/186)]，
n∈[0，186]
(1)
δ=90°+arcsin[sinφsin(n-186)]，
n∈(186，276]
(2)
δ=-arcsin[sinφcos90°(n-276)/89]，
n∈(276，365]
(3)
式中：δ—— 正午太阳高度角；
n—— 时间(天数);
φ—— 地理纬度。
经计算可知，该地区的正午太阳高度角在1月22日达到全年最小值(36°58′)，在7月22日达到全年最大值(83°12′)。
2.2 东西向外遮阳设计
根据不同朝向的太阳辐射强度变化规律，夏季南向的太阳高度角较大，因此南向窗口宜采用水平式遮阳[8]。东、西向窗口的遮阳问题较难处理，西向外窗遮阳系数对房间空调能耗的影响最大。对于东、西向窗口，采用挡板式或百叶遮阳方式可达到遮阳的目的(见图1)，但存在遮挡视线、减少日照、不利于通风等问题[9]。在调研中发现，针对部分居住建筑的东、西向立面，有些采用了尽量少开窗户的遮阳方法，还有一些只做了垂直、综合遮阳措施。在实地项目中，受场地的限制，会出现以东、西向为主立面的情况，如凹形平面、L 形平面、回形平面等主立面，所以不能简单地通过减少开窗的方法来解决遮阳问题[10]。
图1 挡板式遮阳示意图
结合皖西地区地域特色提取元素，调研了皖西民居。在调研中发现，皖西民居的房檐及檐下山墙，多以砖雕作为装饰，表现为建筑花格的形式。建筑花格设计轻巧通透，对采光、换气、遮阳等具有适用性，是一种重要的建筑设计造型。在外遮阳设计中将花格的装饰与挡板遮阳结合起来，可实现功能性与装饰性的整合。
3.1 无遮阳模拟
建立单个房间尺寸进深和开间是4.0 m×3.5 m的矩形房间模型(见图2)。按照窗地比 1/5的条件开窗，模拟西向无遮阳的情况(见图3)。在单个卧室房间中选择a、b、c分析点进行模拟：a点为距离窗户最近点；
b点为活动区域点；
c点为室内采光最低点。
图2 单个房间模型
图3 房间西向无遮阳面示意图
应用Ecotect软件分析a、b、c点采光照度的分布情况(见图4)，得到各点的照度值。
图4 全阴天无遮阳面采光分布
在全阴天无遮阳条件下，a点的照度值为510 lx，b点的照度值为215 lx，c点的照度值为170 lx。照度值的最低标准为150 lx，3个分析点的照度值均大于此最低标准。其中：距离窗户最近的a点照度值最高；
a点到b点的照度值变化明显；
从b点到c点靠近内墙的照度值变化不明显。
3.2 建筑花格格栅遮阳模拟
建筑花格遮阳常采用花格格栅组合方法，一般分为单体组合和双体组合。为了便于模拟，格栅材料选用了混凝土，格栅图案采用单体满排式花格(见图5)。
根据前面计算出的最低太阳高度角(36°58′)，将花格格栅的位置设计于挡板下方(见图6)，以满足冬天采暖的需求。
图5 花格格栅示例
图6 花格格栅与挡板设计
模型中以A×B×C为一个格子单元，通过改变格子单元的尺寸(见图7)，对a、b、c点的照度值和采光系数进行模拟分析。
图7 格子单元的尺寸变化
设计4组格栅单元 —— Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组，其尺寸(A×B×C)分别为340 mm×295 mm×80 mm、340 mm×295 mm×140 mm、495 mm×345 mm×80 mm、495 mm×345 mm×140 mm，采集全阴天条件下每组格栅中各分析点的照度值和采光系数(见表1)。其中，随着格栅单元尺寸的变化，从Ⅰ组到Ⅲ组照度值变化明显，从320 lx增大到418 lx；
但是，从Ⅲ组到Ⅳ组a、b点的照度值反而有所降低，而采光系数变化和照度值基本一致。
表1 全阴天条件下各组格栅单元分析点的照度值和采光系数
根据照度值和采光系数分析：Ⅲ组格栅单元(尺寸495 mm×345 mm×80 mm)中，a点的照度值和采光系数最高，但是易产生炫光；
Ⅱ组格栅单元(尺寸340 mm×295 mm×140 mm)中引入室内的光线也较多，而c点的采光系数为各组最高值。综合分析认为，格栅单元设计中A、B、C的比例约为5 ∶4 ∶2时，a点的照度较均匀，c点的采光系数也能够满足遮阳要求。
在夏热冬冷地区，居住建筑外遮阳的效果受当地太阳光照轨迹、建筑场地、建筑朝向、外窗结构等综合因素的影响。进行外遮阳设计时，需将建筑功能与建筑形式高度结合起来，综合考虑居住者对遮阳及节能效果的整体需求。本次研究以夏热冬冷的皖西地区六安市为调研对象，主要分析和设计适应其气候和环境特点的东、西向外窗遮阳，并推荐了外挡板与格栅遮阳形式。通过无遮阳和花格格栅遮阳的模拟分析，验证了花格格栅外遮阳的效果。
根据调研结果，设计了挡板与花格格栅相结合的外遮阳形式。同时，设计了不同的格栅单元尺寸，通过照度值和采光系数对比，优选出照度和采光综合效果最佳的格栅单元尺寸。
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