大空间建筑外遮阳设计及遮阳效果实测分析以太原南铁路客运站为例

黄艳雁，王晶晶，张 辉

（1湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430068；2华中科技大学建筑与城市规划学院，湖北武汉 430074）

大空间建筑外遮阳设计及遮阳效果实测分析以太原南铁路客运站为例

黄艳雁1，2，王晶晶1，张 辉1，2

（1湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430068；2华中科技大学建筑与城市规划学院，湖北武汉 430074）

在建筑的节能设计中，科学合理的采用遮阳技术对于建筑的自然采光，控制太阳辐射热量和减少空调负荷具有积极意义。以太原南客运站为例，结合区域气候特征和建筑自身造型设计提出了建筑外遮阳的思路与方法，并通过实测对遮阳效果进行了分析。

大空间建筑；遮阳效果；实测

外遮阳可以反射或吸收大部分的太阳能，避免太阳辐射热直接进入室内，从而防止室内温度升高与波动，降低空调设备的使用量，达到建筑节能的目的［1］。本文以太原南站为例，通过实测对遮阳效果进行了分析，为建筑的遮阳设计和节能设计提供更多参考和借鉴。

1 建筑遮阳设计简介

1.1 建筑遮阳的概念

以减少太阳直接辐射热进入室内为主要目的的隔热、防热措施称为建筑遮阳。通常提到建筑遮阳严格地说应该称为建筑遮阳系统［2－3］。建筑遮阳系统是与遮阳有关的建筑构件、配件以及建筑布局绿化等要素共同作用，相互补充的一个完整系统。

建筑遮阳系统涉及范围复杂，广义上，建筑布局、朝向、风向、气象、日照、植被等一系列建筑外环境的设置，都蕴藏着建筑遮阳因素；建筑围护构件如墙体、屋面等也都有遮阳效果。狭义上，遮阳主要指采光口、建筑物出入口等外墙开洞部分的隔热、防热设施。

1.2 建筑遮阳方式的类型

现代建筑体型各异，材料多样，技术先进，所以能够选用很多不同的建筑遮阳方式，每种遮阳方式都有其自身的特点，“横看成岭侧成峰，远近高低各不同”。按照不同的分类标准，建筑遮阳方式就有不同的分类方法［4］，按遮阳元素属性可以分为以下四类。

1）建筑形体遮阳方式。建筑的形体是多变的，也正是多变的建筑形体为建筑遮阳提供了可能。建筑形体遮阳是通过建筑群的紧密与建筑自身的凹凸关系产生阴影实现遮阳的遮阳方式，包括两种类型：互遮阳和自遮阳。例如英国伦敦市政厅（图1）就是采用自遮阳来实现遮阳效果的，它采用比较独特的体型，建筑物斜着朝向南面，采用这种朝向可以在保证内部空间自然通风和换气的同时，巧妙地使楼板成为重要的遮光装置之一。

图1 英国伦敦市政厅

2）建筑构件兼顾遮阳方式。一些建筑构件往往在发挥自身功能的同时起到建筑遮阳的作用，例如挑檐、骑楼、阳台、廊道等。在现代建筑中，结合建筑构件进行遮阳的方式得以继承和发展，如加大挑檐，设置百叶、挑檐、外廊、凹廊及旋窗等。这种遮阳方式构造合理，结构简单，技术成熟，对建筑影响小，檐口出挑遮阳、阳台遮阳和廊道遮阳是具有代表性的建筑构件兼顾遮阳方式。

3）专设构件遮阳方式。专设构件是指以遮阳为主要目的而增加在建筑上的各种建筑构件，与以上的建筑形体遮阳方式和建筑构件兼顾遮阳方式相比，它具有更大的方向性与灵活性，遮阳效果也更为明显。。例如华南理工大学逸夫人文馆（图2）就是典型的屋面遮阳示范工程，在人文馆顶楼天台加装了百叶天花遮阳，百叶天花的角度是针对广州的气候特点而设计的，冬天不会遮蔽阳光，夏天又可以有效地挡住过强的光线［5］。

1)与Normal(正态分布)函数相关系数的计算。生成3 180×1的正态分布矩阵数据，以z=corrcoef(A,B)指令计算相关系数，zNormal=0.008 9。

图2 华南理工大学逸夫人文馆

4）绿化遮阳方式。绿化遮阳方式是指通过在建筑周边种植植物，利用绿色植物的特性达到遮阳作用的经济有效的建筑措施。其方式主要包括种植乔木、墙体攀附植物、窗口前棚架绿化以及建造屋顶花园等。

2 太原南站遮阳形式

在太原南站设计中，由于围护结构采用玻璃幕墙系统采光有利，但也会导致进入室内的辐射热增大对节能不利，东西广场作为建筑的主要入口，由于东西晒的影响，建筑室内热环境尤其不利。设计师结合建筑造型，在东西向分别大屋檐出挑，不仅创造了过渡的“灰空间”，同时在东西向形成了自然的自我遮阳设施（图3）。

项目设计时通过生态设计软件ECOTECT模拟分析了站房东西主立面屋檐对夏至日和冬至日各时间点建筑立面的太阳辐射和遮阳区域影响。由图4a可知，在夏至日16∶00以后，太阳光线才照射到西立面；由图4b可知，在冬至日由于太阳高度角的变化，对建筑立面的采光和辐射并未产生不利影响。合理的屋檐出挑长度，既保证了站房主立面夏季高温时段的自我遮阳效果，又保证了冬季阳光能够直射到建筑室内，从而有效的化解了站房主立面偏西向的不利条件。

图3 太原南客运站

图4 太原南站阴影范围

3 遮阳实测及分析

太原南站采用的是建筑构件兼顾遮阳方式，为了研究太原南站的遮阳效果，湖北工业大学·绿色建筑研究中心带领部分研究生和本科生，于2013年8月3日～2013年8月6日四天对太原南站进行了现场实测。

3.1 基本情况

山西省太原市属于寒冷气候区，寒冷气候区的气候特征是冬季寒冷（最冷月平均温度0℃～－10℃，偶尔低于－10℃），建筑外围护结构承受低温和风、雪的侵扰；夏季炎热，建筑外围护结构承受高温和太阳辐射及雨水的侵扰。因此建筑物在设计时应满足冬季保温、防寒、防冻等要求，夏季则兼顾防潮、防热、防暴风雨等要求。另外，太原市最热月日最高温度达到34.2℃，所以太原市建筑采取遮阳措施是有必要的。

本次实测对象为太原南站，占地面积45万m2，站房主体结构为地上两层地下一层，建筑面积约20.06万m2，其中主体建筑高度为35.6m，东西广场檐口建筑高度为34.1m。本次实测选择了西广场具有代表性的五个测点（图5，图6），各测点位置测量内容及所使用的仪器如表1所示，测量时间为9∶00－18∶00，由于8月3日的数据最为齐全，且最具典型性，所以选取这天的数据进行分析。

图5 测点平面布置图

图6 测点立面布置图

表1 各测点测量内容及所用仪器

3.2 测量结果分析

3.2.1 太阳辐射测试结果与分析 图7为太原南站西广场的辐射热流变化曲线图。

图7 测点1、2辐射热流变化图

由图7可知，测点1的辐射热流呈现U字形曲线，在14∶00后出现明显的下降趋势，变化幅度很大，这是因为该处位于阳光直射下，受到太阳辐射的影响；测点2的辐射热流曲线变化很微弱，因为该点位于大檐口下面，没有受到太阳辐射的影响。两测点的辐射热流在14∶00时都达到最大值，分别为951W／m2和98W／m2，在12∶00～15∶00时辐射热流的平均值分别为894.25W／m2和92W／m2，辐射热流相差数值大，这说明太原南客运站的设计能很好的遮挡太阳辐射，设计较合理［6－8］。

3.2.2 空气温湿度测试结果与分析 不同测点上方空气温度分布如图8所示，由于测点1、2和测点3、4的位置相隔不远，且温度基本相吻合，所以选取在测点3、4位置测量温湿度。由图8可知，两条曲线一直处于相互平行的趋势，在测试时间段内，测点3长时间暴露在太阳光照射下，缺少有效的遮阳，不具备蒸发降温条件，造成地表温度显著升高，并通过对流和辐射等方式加热上方空气，造成测点3上方空气温度始终高于测点4，测点4在大檐口下面，具有很好的遮阳，空气温度相对低一些，两测点在16∶00的时候温度达到最大值，且最大值相差3.3℃。可见，建筑遮阳下空气温度小于阳光下空气温度。

由图7和图8可知，太阳辐射热流在14∶00已经达到最大值为951W／m2，而温度在16∶00才达到最大值为32.3℃，在测试期间，太原南站西广场周围还在施工，由于施工影响和建筑的导热型，才会出现时间差，可见，温度受周围环境的影响，且具有延时性。

图8 测点3、4空气温度变化图

图9给出了测点3和测点4空气相对湿度的比较。

图9 测点3、4相对湿度变化图

由图9可知，两条曲线基本上一致，呈现很微弱的变化，太原南客运站的檐口高度达到34.1m，这说明大跨度的遮阳技术并没有影响自然通风和人体的舒适度。可见，遮阳主要是阻挡了太阳辐射，对空气相对湿度影响不大。

图10为不同时间不同测点温度对比柱状图，测点3位于阳光直射下，测点4位于建筑檐口下，测点5位于建筑大厅内。由图10可知，三个测点的温度都在逐渐升高，但测点5的温度始终低于测点3，且差值越来越大，到16∶00的时候最大差值达到4.6℃，可见建筑遮阳能有效地改善室内热环境，降低空调使用率，提高人体舒适度。

图10 测点3、4、5温度变化图

4 结论

建筑遮阳作为建筑节能的手段之一，越来越受到人们的重视，本文选择太原南客运站，通过实测与分析可以得到以下结论：

1）建筑外遮阳能有效遮挡太阳辐射，对空气相对湿度影响并不大。太阳辐射是空气温度上升的热量来源，下垫面吸收的太阳辐射越多，其表面温度和上方空气温度上升越显著，建筑外遮阳是减低地面温度和空气温度的有效措施。

2）在公共建筑遮阳设计采用大檐口外遮阳，较好地解决夏季遮阳和冬季采光的矛盾。太原南站正是利用正午太阳高度角夏季高，冬季低的特点，檐口的挑出宽度能有效的遮挡夏季日光而又不遮挡冬季日光进入室内。

3）良好的建筑外遮阳能有效地改善建筑室内热环境，在减少建筑能耗的同时也能很好地提高室内热舒适度。

4）太原南站位于太原市小店区，设计充分考虑当地气候环境，主站房屋顶东西向悬挑形成良好的遮阳效果，同时丰富建筑立面。这种造型与遮阳相结合，绿色与艺术相结合［9］的做法值得建筑师学习。

［1］ 田慧峰，孙大明，朱慧宾.广州地区建筑外遮阳节能性能研究［J］.建筑节能，2007（10）：27－30.

［2］ 缺作者.欧洲建筑节能——遮阳系统浅谈［J］.世界建筑，2003（11）：89.

［3］ 权公恕.夏热冬冷地区建筑外遮阳与建筑整合设计研究［D］.杭州：浙江大学，2008.

［4］ 崔泽锋.建筑遮阳方式研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

［5］ 任 俊.建筑遮阳形式及若干应用问题研究［J］.广州建筑，2012（05）：6－9.

［6］ 李 楠，李百战，沈 艳.住宅建筑自然通风对室内热环境的影响［J］.重庆大学学报，2009（07）：736－742.

［7］ 李伟强，周孝清.广州市单体建筑室外微气候热环境研究［J］.建筑科学，2009（06）：58－60.

［8］ 田智华，续 晨，王陈栋.深圳地区某公共建筑活动外遮阳自然采光效果分析［J］.建筑节能，2011（01）：41－43.

［9］ 郝睿敏.上海地区公共建筑外遮阳设计探析［J］.山西建筑，2012（03）：211－212.

［责任编校：张岩芳］

Design and Analysis of Measured Shading Effects of Large Space Building Exterior Shading－A Case Study of Taiyuan South Railway Station

HUANG Yan-yan12，WANG Jing－jing1，ZHANG Hui12
（
1 School of Civil Engin.and Architecture，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 College of Architecture and Urban Planning，Huazhong Univ.of Sci.and Tech.，Wuhan 430074，China）

In the construction of energy-saving design，the scientific and reasonable use of shading technology is significant in using natural light for the building，reducing heat and solar radiation and air-conditioning load.This paper，taking Taiyuan South Railway Station as an example，presented the ideas and methods of building exterior shading combining regional climate characteristics with architectural modeling design.The shading effect was also analyzed through actual measurement.

large space building；shading effect；actual measurement

TU111.3

A

1003－4684（2014）02-0033-04

2014－02－13

湖北省教研项目（省2012272）

黄艳雁（1974－），女，湖北枝江市人，湖北工业大学副教授，华中科技大学博士研究生，研究方向为建筑的节能性设计，建筑的气候适应性设计