浙江省居住建筑外遮阳整合设计

岳 淼（浙江建设职业技术学院， 浙江 杭州 310018）

1 研究背景

在世界资源日益匮乏的当今社会，建筑设计师应通过合理的建筑设计以降低建筑业的能耗。根据 Luis 等人[1]的统计，很多国家建筑业的能源消耗占比甚至可以超过 40%。西方发达国家大规模开展建筑节能已持续了三十多年[2]。如法国从 1974 年起分三步走用法律形式正式规定了采暖居住建筑的节能指标，1990 年法国建筑能耗占社会总能耗的占比已从 1984 年的 42%～45% 降低到 28%。虽自 1974年以来法国住宅面积增加了约 14%，但建筑能耗几乎无增长，法国的建筑节能成就巨大[3-4]。夏季建筑接受太阳辐射热是造成夏季空调负荷的主要原因。Ralegaonkar 等人[5]的研究阐述了建筑应根据气候加以设计，可设置合适的窗遮阳。Raman 等人[6]通过设计被动太阳能系统，使建筑能够适应全年复杂的气候。建筑外遮阳产品可减少 80% 的太阳辐射热量。Kapur 的遮阳设计注重与建筑立面设计相协调，并在美国亚利桑那州立大学的太阳能实验室设置实验装置测试遮阳对辐射传热的作用。吉瓦尼[7]在研究中提到DHC，表征了透过窗户的太阳辐射与室内热环境的关系。将来人们会更加关注遮阳设施是否能够减少更多的能源消耗或 CO2排放。

夏季建筑接受太阳辐射热是造成夏季空调负荷的主要原因。对于普通居住建筑而言，建筑外窗既是阻挡室内外热量交换的薄弱部位，又是接受太阳辐射入射热的主要构件，对于建筑节能意义重大。广州地区无外遮阳情况下节能居住建筑全年冷负荷构成如图 1 所示[8]。设置合理的建筑外窗遮阳系统对降低建筑夏季空调能耗有着重大作用，夏热冬冷地区不同城市、不同类型建筑的活动外遮阳节能贡献率如表 1 所示[9]。

图 1 节能居住建筑全年冷负荷构成

表 1 夏热冬冷地区不同城市高层住宅的活动外遮阳节能贡献率

浙江省处于我国夏热冬冷地区，外窗接受太阳辐射较多，而外遮阳对阻挡过多太阳辐射热有较好的效果。本文以浙江省杭州市居住建筑外窗外遮阳为研究对象，通过模拟计算等方法，综合考虑了人体舒适度、太阳辐射量、建筑采光和建筑设计等因素，定量分析了浙江省适宜的外窗遮阳板形式和尺寸。

2 遮阳设计依据

2.1 建立模型

本文选取浙江省某住宅卧室为基本单元模型。模型开间3.9 m、进深 4.8 m、层高 2.9 m。开窗大小为宽度 1.5 m、高度 1.5 m，窗下墙 0.9 m，窗墙比约 1/5 (0.199)，窗地比约 1/8 (0.12)。基本模型示意如图 2 所示，尺寸如表 2 所示，房间具体材料如表 3 所示。本研究以无遮阳构件模型为基本参照，不同遮阳构件形式与无遮阳模型相对照，得出遮阳效果参数。

图 2 模型平面图和效果示意图

表 2 模型尺寸

表 3 模型围护结构材料

2.2 浙江省相关气象条件

2.2.1 浙江省气象条件

浙江省处于我国建筑气候分区中的夏热冬冷地区，夏季气候炎热、湿润，冬季寒冷、干燥。

2.2.2 人体舒适条件

（1）人体舒适度指数分级描述。人体舒适度指数是为了从气象角度来评价在不同气候条件下人体的舒适感，根据人类机体与大气环境之间的热交换而制定的生物气象指标，分级如表 4 所示。

表 4 人体舒适度指数分级描述

（2）人体舒适度指数的计算方法。在影响人体舒适度的几个气象参数中，影响最大的是气温，其次是大气相对湿度和风。根据由 Tom 提出的温湿指数[10]和气象局采用的人体舒适度指数计算公式来计算人体舒适度指数对应的气象条件。人体舒适度指数计算公式如下。

式中：Dl—人体舒适指数；

T—摄氏温度；

F—华氏温度；

U—空气相对湿度，%。

浙江省下辖 11 个省辖市，气象条件不尽相同。本文选取省会杭州市气象参数作为参考数据进行研究。浙江省杭州市各月平均相对湿度如表 5 所示。

表 5 浙江省杭州市各月平均相对湿度

依据人体舒适度指数分级描述，本文取人体舒适指数DI=75～80 为遮阳效果模拟区间。根据表 5 中浙江省杭州市各月平均空气相对湿度，由式（1）、式（2）计算得到杭州市设置遮阳气温建议值，详见表 6。

表 6 杭州市设置遮阳气温建议值

2.2.3 设置遮阳时间

根据典型气象年数据资料，得到杭州市 5～9 月典型气象日白天时段气温。根据杭州市设置遮阳气温建议值，整理出窗口遮阳时间如表 7 所示。

表 7 杭州市窗口遮阳时间

3 遮阳构件设计

本文考虑浙江省居住建筑遮阳一体化设计，规定遮阳构件水平板下表面距所遮阳外窗上边缘 200 mm，即距窗台 1 700 mm，垂直板紧靠窗洞侧边缘。

根据本设计一体化条件和不同朝向日照特点，经试验多种遮阳形式，将南向遮阳构件抽象为水平式遮阳板，将北向遮阳构件抽象为综合式遮阳板，设置遮阳的模型示意如图 3所示。在遮阳构件距窗距离一定的情况下，挑出尺寸影响遮阳效果。

图 3 遮阳模拟分析模型

本文采用软件模拟法对遮阳构件尺寸进行推敲。模拟对象为 3 900 mm（开间）× 4 800 mm（进深）× 2 900 mm（层高）的抽象住宅房间模型，外窗依次为南向或北向，且为模型中唯一采光构件。模拟软件采用 Autodesk 公司Ecotect Analysis 2011，分析中进行室内阴影、天然采光、太阳辐射量的模拟计算分析。

3.1 设定遮阳构件尺寸

为满足遮阳时间段要求，经阴影模拟分析（构件尺寸以 10 mm 为步幅），在保证需遮阳时间段内室内无太阳直射的情况下，得到分别满足DI=75 和DI=80 的临界条件下南向水平式遮阳板尺寸及北向综合式遮阳板尺寸表，分别见表8、表 9。

表 8 临界条件下南向水平式遮阳板尺寸 mm

表 9 临界条件下北向综合式遮阳板尺寸 mm

3.2 天然采光和太阳辐射量模拟分析

本文对全年室内天然采光系数和 5～9 月累积窗口外侧太阳辐射量两项指标进行了一系列的模拟计算。

3.2.1 南向外窗模拟分析

以无遮阳时的所得数据为基准，依次对满足DI=75～80之间的水平式遮阳板尺寸进行模拟计算。将模拟数据整理，并与无遮阳时的基准数据做比较，得到南向主要水平遮阳板尺寸与采光系数和太阳辐射量的关系，具体如表 10 所示。

表 10 南向主要水平遮阳板尺寸与采光系数和太阳辐射量的关系

3.2.2 北向外窗模拟分析

以无遮阳时的所得数据为基准，依次对满足DI=75～80之间的综合式遮阳板尺寸进行模拟计算.将模拟数据整理，并与无遮阳时的基准数据做比较，得到北向主要水平遮阳板尺寸与采光系数和太阳辐射量的关系，具体如表 11 所示。

表 11 北向主要水平遮阳板尺寸与采光系数和太阳辐射量的关系

3.3 遮阳构件尺寸分析

3.3.1 南向外窗遮阳构件尺寸分析

由表 10 南向主要水平遮阳板尺寸与采光系数和太阳辐射量的关系中数据整理采光系数值折线图和太阳辐射量比值折线图，分别如图 4 和图 5 所示。

图 4 采光系数值折线图

图 5 太阳辐射量比值折线图

根据图 4 中采光系数值折线，可知，水平式遮阳板在510 mm、550 mm、610 mm、660 mm、710 mm几个挑出尺寸时，采光系数为减小的变化状态。

根据图 5 中太阳辐射量比值折线和固定斜率参照线，可知水平式遮阳板挑出尺寸 520 mm、580 mm 和 680 mm分别为折线的 3 个较明显拐点，太阳辐射量减小的趋势依次递减。

根据以上分析，建议设置水平式遮阳板尺寸为 3 300 mm× 660 mm 或 3 300 mm × 680 mm：遮阳板长度 3 300 mm，其中两翼向东挑出 700 mm，向西挑出 1 100 mm；遮阳板外挑宽度 660 mm 或 680 mm；遮阳板下表面距外窗上边缘 200 mm。

3.3.2 北向外窗遮阳构件尺寸分析

根据表 11 北向主要水平遮阳板尺寸与采光系数和太阳辐射量的关系中数据，北向综合式遮阳构件的挑出尺寸在540～560 mm之间时，采光系数无变化，太阳辐射量的变化很小。

根据以上分析，建议设置综合式遮阳构件尺寸为水平方向1 660 mm × 540 mm～1 600 mm × 560 mm，垂直方向1 700 mm × 540 mm～1 700 mm × 560 mm，水平方向板下表面距外窗上边缘 200 mm。

4 外遮阳构件与建筑一体化设计

本文考虑浙江省居住建筑遮阳一体化设计，拟采用空调悬挑板与遮阳构件一体化，同时考虑以下几个因素。

（1）常规空调板尺寸如表 12 所示，考虑遮阳构件中水平板预留空调放置空间最小为 1 050 mm（宽） × 500 mm（深） × 700 mm（高）。

（2）根据墙体防水构造要求，遮阳板以上墙体应设150～200 mm 泛水，考虑结合楼板设置。

（3）钢筋混凝土水平板构造尺寸厚度为 60～80 mm。

根据以上 3 个条件和建筑一体化设计，在模拟中得出的遮阳构件建议尺寸适用。

表 12 空调板尺寸

根据遮阳构件尺寸分析中得出的建议尺寸，南向水平式遮阳板长度 3 300 mm，其中两翼向东挑出 700 mm，向西挑出 1 100 mm，向外挑出深度 660 mm或 680 mm，可承担 2～3 个空调室外机放置。北向综合式遮阳水平方向板长度1 660 mm，垂直方向板长度 1 700 mm，向外挑出深度 540～560 mm，可承担 1 个空调室外机放置。通过这样的一体化设计，既达到了遮阳的效果，又解决了空调室外机摆放凌乱的问题，美化了建筑外观。

5 结 语

本文关注建筑中的节能设计问题。在浙江省居住建筑外窗外遮阳方面做了一定的分析研究，利用软件模拟计算分析，综合考虑人体舒适度、太阳辐射量和建筑采光等因素，定量分析了外窗遮阳构件设计尺寸，并结合建筑遮阳一体化设计，根据居住建筑特点和建筑立面设计，提出建筑遮阳设计一体化建议。希望本文能够对建筑师进行节能设计时有借鉴意义，在世界资源日益匮乏的当下走好建筑可持续发展之路。