基于太陽輻射模擬的外遮陽優(yōu)化設計

楊曉龍

(浙江科技學院建筑工程學院，浙江杭州 310023)

出于外觀效果的考慮，當前的很多建筑設計有較大的窗墻比，在獲得良好外觀和景觀效果的同時也增加了夏季的室內(nèi)得熱，因此很多此類建筑采用了遮擋陽光的外遮陽系統(tǒng)?？烧{(diào)節(jié)外遮陽由于可以自由調(diào)節(jié)，實現(xiàn)在不同需求情況下對陽光的合理利用和分配，逐漸得到建筑師的青睞，但是由于經(jīng)濟上的因素，對其使用還是要避免盲目性，應根據(jù)實際需求合理調(diào)配。

1 項目概況

華中地區(qū)某高層辦公樓建筑由一座圓柱形主樓和四周五座與主樓脫開的三層裙房組成，主樓與裙房之間由位于二層的連廊連接，如圖1所示。這些連廊均采用了清透澄澈的全玻璃立面。建筑地處中緯度地區(qū)，太陽輻射季節(jié)性差別大，光照充足，年平均日照達到1 843 h，夏季酷熱，因此業(yè)主方提出玻璃連廊不利于節(jié)能，建議加裝外遮陽系統(tǒng)。設計單位提出了固定外遮陽的設計方案，遮陽設計公司提出了全可調(diào)節(jié)外遮陽的設計方案，業(yè)主方認為按照項目經(jīng)驗固定外遮陽適應度差，綜合效果不佳，但連廊朝向不一，無需全部采用可調(diào)節(jié)外遮陽，提出南向部分外立面采用可調(diào)節(jié)外遮陽，其余連廊外立面采用固定外遮陽。綜合各方面意見，認為均不完善，全部使用固定或可調(diào)節(jié)外遮陽固然從效果或經(jīng)濟性上有所不妥，但連廊存在主樓主體、主樓上部懸挑的裝飾性構(gòu)件和裙房的日照自遮陽效果，且連廊本身隨裙房位置布置，無一處于正朝向，再者當?shù)貣|西側(cè)日照也很強烈，不能簡單判定僅建筑南側(cè)立面需要安裝可調(diào)節(jié)外遮陽，最終決定采用模擬分析空調(diào)季太陽輻射得熱量，來確定遮陽方案。

2 太陽輻射得熱模擬分析

為了獲得連廊立面遮陽系統(tǒng)的最優(yōu)方案，計劃分別模擬不設置遮陽系統(tǒng)和設置固定外遮陽條件工況下的立面表面太陽輻射得熱情況，用以分析采用固定外遮陽的遮陽率，對于固定外遮陽不能滿足遮陽要求的立面采用可調(diào)節(jié)外遮陽。

為方便表述，將連廊各立面編號如圖1所示。使用模擬軟件夏季外表面太陽得熱量進行模擬分析。

2.1 無遮陽系統(tǒng)

圖1 連廊平面圖

圖2 不設置遮陽系統(tǒng)的工況下的太陽輻射模擬

在不設置遮陽系統(tǒng)的工況下，各立面的夏季太陽輻射平均量自40 022 Wh/m2～88 529 Wh/m2不等，最高量在52 358 Wh/m2～101 081 Wh/m2不等，如圖2所示。由于建筑體型復雜，主樓南側(cè)又有懸挑很大的裝飾性構(gòu)件，自遮擋情況很難準確判斷。和事先估計的完全不同，太陽輻射總量較大的為立面1，2，5，6，8這幾個接近東西向的立面，而非南向的立面。

2.2 固定外遮陽系統(tǒng)1

在了解各立面夏季太陽輻射量的基礎上，繼續(xù)模擬采用固定外遮陽條件下的夏季太陽輻射量，分析固定外遮陽的遮陽效果。出于立面效果的考慮，采用了挑出立面300 mm的鋁質(zhì)遮陽板，垂直間距600 mm。經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)綜合遮陽率較低，夏季太陽輻射平均量仍有22 578 Wh/m2～51 346 Wh/m2不等，最高量在44 115 Wh/m2～89 194 Wh/m2不等，遮陽率大多在40%左右。遮陽率最高的立面8為56%，但是立面8的夏季太陽輻射平均量基礎值較大，即使遮陽率較高，仍不能滿足遮陽要求。遮陽率最低的立面9僅有27%，立面4為31%，這是由于這兩個立面偏北，本身得到的夏季太陽輻射已經(jīng)是在太陽高度角較低的情況下獲得的，這種垂直密度的固定外遮陽對其起不到太大的遮擋作用。綜合來看，采用這一遮陽方式的整體遮陽效果不佳，究其原因是由于遮陽板垂直間距過大，而建筑處于中緯度地區(qū)，夏季太陽高度角并不很大，因此較為稀疏的遮陽板不能有效遮擋陽光。

2.3 固定外遮陽系統(tǒng)2

事實證明，僅從立面效果角度出發(fā)設置遮陽板不能滿足實際需要，因此隨后又模擬了采用挑出立面300 mm垂直間距300 mm的遮陽板的情況，這樣的遮陽形式與立面其他構(gòu)件的模數(shù)關系一致，不破壞立面效果，同時能夠達到更為有效的遮陽效果，是各方面都能夠接受的遮陽形式。經(jīng)過模擬分析，采用垂直間距300 mm的遮陽板后，各立面夏季太陽輻射平均量在18 720 Wh/m2～40 449 Wh/m2之間，最高量在36 243 Wh/m2～80 919 Wh/m2之間，遮陽率大多在50%左右。遮陽率最高的立面8達到67%，使其夏季太陽輻射量平均量從采用垂直間距600 mm的遮陽板時的31 177 Wh/m2降低到23 331 Wh/m2，已經(jīng)處于可接受的范圍內(nèi)。立面4和立面9的遮陽率仍然明顯低于其他立面，但是也有較大提高，且立面4和立面9的夏季太陽輻射平均量基礎值本身較低，在采用了垂直間距300 mm的遮陽板后得熱量已經(jīng)較低，能夠滿足節(jié)能的要求，如圖3所示。

圖3 立面9在采用不同間距的固定外遮陽板情況下的表面太陽輻射模擬

3 外遮陽方案優(yōu)化

經(jīng)過模擬，證明原設計構(gòu)思中采用挑出立面300 mm垂直間距600 mm的遮陽板不能滿足遮陽的需要，采用挑出立面300 mm垂直間距300 mm的遮陽板后遮陽率有明顯提升，因此固定外遮陽采用后一種方案。

其中立面3，4，9，10在不設置遮陽系統(tǒng)的情況下夏季太陽輻射量平均量在40 000 Wh/m2左右，設置固定遮陽后立面3，4的遮陽效率在50%左右，立面10的遮陽率達到59%，夏季太陽輻射量平均量降低到20 000 Wh/m2左右，立面9雖然遮陽率較低，但是夏季太陽輻射量平均量約22 000 Wh/m2，屬于可接受范圍，以上立面確定采用固定外遮陽。立面7，8在不設置遮陽系統(tǒng)的情況下夏季太陽輻射量平均量分別為56 547 Wh/m2和70 859 Wh/m2，但是固定外遮陽的遮陽率達到60%和67%，夏季太陽輻射量平均量降低到23 000 Wh/m2左右，遮陽效果較好，因此也擬采用固定外遮陽。

立面1，2，5，6的固定外遮陽遮陽率均在50%左右，不設置遮陽系統(tǒng)的情況下夏季太陽輻射量平均量均較高，最少的立面2也有68 298 Wh/m2，立面6甚至接近90 000 Wh/m2，設固定外遮陽后的夏季太陽輻射量平均量還有約30 000 Wh/m2～40 000 Wh/m2，因此立面1，2，5，6建議采用可調(diào)節(jié)外遮陽提高遮擋效果，以進一步減少室內(nèi)夏季太陽輻射得熱(見表1)。

表1 不同工況下的夏季太陽輻射量 Wh/m2

4 結(jié)語

在該建筑體型和朝向條件復雜的情況下，建筑外遮陽的遮陽效果很難進行直觀判斷，在設計中，通過夏季太陽輻射量模擬來分析不同遮陽形式的遮陽效果從而確定遮陽方案，既保證了節(jié)能效果，又將費用從超過400萬元壓縮到180萬元左右，避免了資金的盲目投入和浪費，兼顧了節(jié)能率和經(jīng)濟性。由此可見，太陽輻射模擬是復雜條件下建筑外遮陽優(yōu)化設計的得力工具。

［1］曹毅然，張小松，金 星，等.透過遮陽系統(tǒng)的室內(nèi)太陽輻射得熱量實驗研究［J］.東南大學學報(自然科學版)，2009，39(6)：1169-1173.

［2］郝睿敏.上海地區(qū)公共建筑外遮陽設計探析［J］.山西建筑，2012，38(8)：211-212.

［3］LI Yunjiang，F(xiàn)AN Bo，TANG Xiaohu.Application of ecological simulation technology in the stage of architectural planning and design［J］.International Journal on Architectural Science，2011，8(4)：89-97.