适宜性综合式遮阳策略在教学楼中的应用研究

樊夏玮 闫增峰 史培沛

摘要：遮阳作为建筑的组成部分对降低建筑能耗起到重要的作用。该文以西安某中学教学楼为研究对象，对其进行遮阳改造研究。文中通过合理分析得到适用于该项目遮阳设施的形式、安装位置、尺寸，以及一些细部的设计策略，并运用软件对分析研究的结果进行模拟得出遮阳前后能耗对比。进而提出适宜性综合式遮阳策略的理念，以期对建筑节能设计中遮阳部分提供帮助和借鉴。

关键词：节能 适宜性 综合式遮阳

Abstract： shade design， a part of architecture， take a important role in building energy-saving design. Taking a teaching building in Xi'an as research object， This article make shade reconstruction design for the building. The article get suitable form， installation size， and some details of the shade construction through reasonable analysis and compare the energy consumption between shading before and after by using software.Then we put forward the idea of suitable Integrated shade strategy to provide help and reference for the shading design in building energy saving.

Keyword： energy efficiency digital technology integrated shade

引言

二十一世纪可持续发展已成为人们的共识。对建筑业来说，实施节能设计是实现可持续发展的重要任务。而建筑遮阳是建筑被动式节能有效措施之一， 其节能率可以达到10-24% ，造价却仅占总造价的2-5%[1]。

据资料表明，目前教学楼遮阳多数采取建筑内遮阳，外遮阳较少，中间层遮阳几乎没有，还有部分教学楼为植物遮阳以及建筑自遮阳。大部分教学楼遮阳设施过于简易且与建筑本身需求不相匹配，一定程度上影响了建筑内部的采光要求。西安地区夏季太阳辐射强烈，适宜采用遮阳来降低室内热辐射强度。综上本文目的是以西安某中学一教学楼的遮阳改造为例，提出并分析研究以能耗为基准，并兼顾采光的适宜性综合式建筑遮阳策略。

1.遮阳改造设计前提条件分析

1.1教学楼现状

经过调研得知，西安市某中学教学楼为围合形空间，南北向，南边为四层教学空间，东西两侧四层高为办公室，北面为三层教室。教学楼节能措施较少，室内热舒适度主要通过空调和风扇来满足。遮阳措施只采用了内遮阳，如图1。

1.2西安气候特征以及其对建筑设计的影响

西安位于寒冷地区，属于暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，夏季太阳辐射较为严重，冬季较为严寒[2]。由于毗邻寒冷地区与夏热冬冷地区的分界线，所以西安一年中处于适宜热舒适区的时间较少，夏季太阳辐射问题突出，所以应考虑夏季遮阳防晒措施，同时要考虑冬天太阳辐射采暖以及室内采光。

1.3 教学楼物理环境分析

根据调研得到资料，对教学楼现状和环境进行简要模拟还原，如图2。使用软件对其立面做模拟求出南、西、北三个方向室内直接太阳入射辐射量（东立面无开窗且有建筑遮挡不需做遮阳），如图3，可以得到南、西面教室在无遮阳的情况下一年内大部分月份室内直接太阳入射辐射在120—200 w/㎡，室内直接太阳辐射较严重情况占据了一年多数时间，故需做遮阳设计。北立面的日平均接受太阳入射辐射较小，可以不做遮阳设计。

2.教学楼适宜性遮阳改造的策略

针对上文对教学楼自身情况及所处地区的分析，欲采取适宜性综合式遮阳策略对其进行遮阳改造，适宜性综合式遮阳策略是指根据地域环境、技术和经济状况等因素对建筑采取合理不过量的被动式遮阳措施来阻挡太阳辐射，并兼顾考虑室内自然采光的一种策略。这种策略先针对气候环境分析适宜遮阳形式，进而对安装位置、尺寸及细部进行推敲，最后绘制改造后的教学楼模型并使用软件对遮阳改造前后模型做节能评价。

2.1教学楼遮阳形式的选择与分析

建筑遮阳设施按照安装位置分为内遮阳、外遮阳和中间层遮阳[3]，根据三种遮阳方式的特性以及建筑对遮阳的要求选择外遮阳，因为外遮阳可降低能耗65%，对采光的影响较小，且经济成本相对较低。

建筑外遮阳设施有以下四种：水平式、垂直式、综合式、外窗百叶式遮阳。模拟分析不同遮阳形式与能耗、采光之间的关系得出对于本教学楼遮阳改造来说，南向适宜设置水平遮阳和垂直遮阳相结合。西向多受到平行或者角度较小的太阳光辐射，适合使用垂直遮阳。

2.2遮阳构件尺寸的设计

遮阳构件设计中水平遮阳板的挑出长度计算公式为： L =H×ctghs×cosγs，w

公式中 L为水平板挑出的长度（m）；H为窗台至水平板下沿高度（m）；hs为太阳高度角；rs，w为太阳方位角与墙面外法线方位角之差；

以上为传统遮阳板尺寸设计的方法，其选择夏至日为计算时间参考点，忽视了建筑全年遮阳与总体能耗关系[4]。为提高准确性，利用軟件模拟获得适宜出挑系数。选择标准层南向一间教室为例，模拟分析出挑系数F从0.1—2.0时与能耗变化的关系。得出F大于0.8后建筑总能耗最低，并趋近于一个常数。计算出适合西安地区正南或者接近于正南向的外窗遮阳水平遮阳板出挑系数为0.8-0.9较为合理。同理分析得出西向垂直式遮阳板的出挑系数为0.6—0.7较为合理。

2.3遮阳设施的细部设计

2.3.1遮阳构造形式的设计

遮阳板的安装位置及形式对防热和通风的有一定影响。遮阳板受热后加热周围空气，热空气进入室内会增加室内的热负荷，板面离开墙面一定距离可以克服这个缺点，如图4。水平式遮阳设施一般会降低室内照度53%-—73%[5]，为减少遮阳构件对采光的影响，可以降低水平遮阳板，将自然光反射到室内墙面上。根据遮阳板光线反射路径计算得到，将遮阳板降低200mm可使得光线从窗上口进入室内，如图5。

2.3.2遮阳构造材料和色彩的设计

从遮阳设施自重荷载，以及风力荷载角度考虑，遮阳构件宜采用轻质、坚固材料为宜。经研究关于遮阳构件的颜色对隔热效果的影响，暗色、中间色和白色的对太阳辐射热透过的百分比分别为：86%、74%、62%[6]。综上，可以选择相对质轻、坚固、经济、可持续的木材和竹材为主要遮阳设施材料。

通过前文对于遮阳设施的形式、安装位置、尺寸、材料、色彩等分析，结合建筑原有立面的形式和使用的材料颜色，以及教学楼遮阳改造后的整体要求，对遮阳设施进行综合的调整，使其与原有建筑形成有机的统一体。最终教学楼遮阳改造效果如图6。

3.教学楼改造后的节能模拟评价

以教学楼标准层为例，使用软件对遮阳改造前后模型进行模拟分析，模拟成果如图7可看出教学楼南向和西向窗口的热辐射色块颜色明显向低辐射色块变化，室内总体热辐射平均降低约10000kwh。图8为遮阳后南、西向室内直接太阳入射辐射分析图，和前文教学楼遮阳前南、西向的室内直接太阳入射辐射对比分析可以得出看出遮阳后室内太阳得热约降低50%。对南向和西向的教室做遮阳前后的逐月能耗模拟对比如图9、10，可得到教室在遮阳后的南向平均每个教室平均能耗从138kwh降低到了120kwh，降低了约13%。西向平均每个教室能耗从145kwh降低到了130kwh，总体降低了约10.3%。

对教学楼进行遮阳前后室内的采光照度模拟，因西安地区属于光气候分区IV区，因此采用13500lx作为采光模拟计算室外照度。从图11图12可以看出，教室内的采光比以前平均只减少18%，远小于普通遮阳对采光的降低室内照度53%-—73%，教学楼主要空间中45%的面积采光系数大于3.3%，需要结合人工照明才可满足标准要求。

结语

本文对教学楼的遮阳改造设计根据西安地区气候条件和所处的环境因地制宜，对遮阳形式、构造及细部进行分析，使用软件模拟设计参数分析得到的建筑遮阳前后关于室内热环境、能耗、自然采光的数据对比，由数据分析结果表明遮阳后能耗降低了13%、室内自然采光比以前平均只减少18%，远小于普通遮阳对采光的降低室内照度53%-—73%，比远小于普通遮阳对采光的影响，得出以全年能耗为基准，并兼顾通风和采光的复合式建筑遮阳设计策略是能够有效的减少遮阳设施对自然采光影响的设计方法。希望通过本文的阐述，能为教学楼的遮阳节能改造设计以及新建建筑提供借鑒的意义。

注：文中图片均为作者自绘和自摄

参考文献

[1] 马京涛. 广州地区窗口外遮阳构造透光率分析 [D]. 广州，华南理工大学，2003

[2] 闫增峰，王江丽，武舒韵.陕西省居住建筑节能设计标准研究及推广应用[J]. 建设科技， 2014（21）：33-35.

[3] 丁勇，连大旗，李百战， 等. 外窗内遮阳对室内环境影响的测试分析[J]. 土木建筑与环境工程， 2011（05）：108-113.

[4] 柳孝图主编.建筑物理（第二版）[M].中国建筑工业出版社.2000，06

[5] 朱燕燕，杨坤丽，韦延年 浅析建筑构件遮阳系数确定中存在的问题[J].四川建筑科学研究， 2007， 33（2）： 143-145

[6] 肖先波，曹毅然，李德荣等.夏热冬冷地区水平遮阳板深度与建筑能耗之间的关系[J]. 工业建筑， 2014（04）：49-51