办公建筑南向窗遮阳尺寸模拟计算及优化设计

赵文春

（广西壮族自治区建筑科学研究设计院，广西 南宁）

办公建筑南向窗采取遮阳措施，能够减少夏季进入到室内的太阳光线，降低室内温度，减少建筑空调制冷所需的能耗。调查发现，很多办公建筑虽然采取了遮阳措施，但是遮阳构件的尺寸设计不合理，导致室内采光效果变差，不得不开启照明装置，反而增加了照明能耗。如何在遮阳和采光之间维持平衡，成为办公建筑遮阳构件设计中必须要考虑的问题。

1 确定模拟计算方案

1.1 模型的基本设定

本文使用专业的数值模拟分析软件Ecotect 设计建筑模型。模型参数如下：单间标准办公室的进深为5.4 m，开间4.2 m，层高4.0 m，采光系数最小值为2%，窗地比为1:5。南向窗的尺寸为高2.1 m、宽2.4 m，窗台高度0.9 m。

1.2 模拟计算参数设定

设定“热环境”和“光环境”作为模型分析计算指标。模拟计算参数设定如下：

（1）室内热环境方面，将南向窗接收的“太阳直射辐射量”作为评价指标，考虑到开窗面积、室外空气环境等因素可能会对太阳直射辐射量产生影响，为本文采用控制变量法，以南向窗的遮阳尺寸作为唯一变量，消除无关因素的干扰，探究有无遮阳情况下的太阳直射辐射量的变化。

（2）室内光环境方面，将“照度值”和“采光系数”作为评价指标，考虑到光透射比、反射系数等会对工作面的照度值、采光系数产生影响，在室内光环境分析计算时同样采取了控制变量法，以南向窗的遮阳尺寸作为唯一变量，探究有无遮阳情况下室内工作面照度值和采光系数的变化[1]。

1.3 模拟计算分析方法

基于Ecotect 软件的室内热环境分析，本质上是求解室内外各种扰动作用下对室内热工性能参数的影响。这里的外干扰主要有气温、湿度、气流速度等，可以通过导热、对流、辐射等方式对室内热环境产生影响；内干扰则是室内人员活动或设备运行等，也会在一定程度上影响室内热环境。这些参数可以在Ecotect 软件中设定。

基于Ecotect 软件的室内光环境分析，则是求解人工照明和自然采光的结果，并输出照度值和采光系数等数据信息。为了更加直观的对比有无遮阳情况下办公建筑室内的照度值和采光系数变化，本文使用Ecotect 软件中的CIE 全阴天分布计算模型，模拟全阴天环境下室内自然光照。

2 无遮阳模型分析计算

2.1 热环境分析计算

在办公建筑南向窗未采取遮阳措施的情况下，以2022 年本地气象数据资料作为输入量，对南向窗每个月接收的太阳直射辐射量进行模拟计算，分别统计一年之中各个月份的太阳辐射总量和太阳直射辐射量，所得结果如图1 所示。

图1 无遮阳时每月太阳辐射量变化曲线

由图1 可知，办公建筑南向窗在一年之中的4～9月份接收到的太阳辐射总量较多，均在70 000 wh 以上。在1、2、11、12 四个月份接收到的太阳辐射总量较少，均未达到60 000 wh，这一模拟结果符合北半球太阳运行规律。

在我国北方地区，夏季（6、7、8 月份）气温较高，个别天气下温度可能达到40 ℃，因此办公建筑在夏季必须要采取遮阳措施以降低外部太阳直射辐射，从而降低建筑空调能耗。冬季（1、2、12 月份）气温较低，多数时间在0 ℃以下，因此办公建筑在冬季必须要最大程度的让外界光照进入室内，以降低建筑采暖能耗[2]。

2.2 光环境分析计算

参照《建筑采光设计标准》(GB50033-2013)中的有关规定，将测量工作平面的高度设定为0.75 m，计算办公建筑在全阴天环境下、未采取遮阳措施下室内工作面的光照度和采光系数。在室内工作面上，分别选取3 个典型计算点，A 点在靠近窗户处，B 点位于正常活动区，C 点位于距离窗户较远处。计算3 个点的照度值和采光系数，结果如表1 所示。

表1 无遮阳状态下3 个典型计算点的照度值与采光系数

由表1 数据可知，在未采取遮阴措施的全阴天环境下，办公建筑室内靠窗位置的照度值为591lx，满足标准中规定的“全阴天时近窗口出工作面照度值不得低于100lx”的要求；室内正常活动区工作面照度为373lx，是比较舒适的照度值；在距离窗户较远的C 点，照度值仅为90lx，低于标准中要求的100lx，这是由于办公建筑室内进深太大导致的，这种情况下需要在C点使用照明灯具增加照度值。

为了进一步探明办公建筑室内整个工作面的采光情况，分别选取照度和采光系数的最低值、平均值、均匀度3 项指标展开对比，结果如表2 所示。

表2 无遮阳环境下办公建筑室内照度与采光系数对比

由表2 数据可知，办公建筑在未采取遮阳措施的情况下，工作面照度平均值为214.4lx，高于标准规定的100lx。

3 综合式遮阳尺寸优化计算

3.1 综合式遮阳尺寸计算

本文将“最大限度遮挡太阳直射辐射”作为评价标准，使用Ecotect 软件对办公建筑南向窗综合式这样在每个月所需的尺寸进行模拟计算，所得计算结果即为综合式遮阳构件的优化尺寸。综合式遮阳的外伸尺寸为：竖向高度2.2 m，水平宽度2.6 m，西翼外伸长度1.07 m，东翼外伸长度为0.96 m。模拟结果表明，在一年之中的不同月份，遮阳所需的外伸尺寸会随着太阳入射光线的不同而发生以年为单位的周期性变化。其中，对比气温较高的6、7、8 月份所需的遮阳尺寸，8 月份的遮阳尺寸能够满足全面遮挡太阳直射辐射的要求；在此基础上与气温较低的12 月和1月、2 月份所需的遮阳尺寸进行对比，8 月份的遮阳尺寸能够最大程度的允许冬季太阳直射辐射进入室内[3]。综上，8 月份计算得到的外部遮阳构件尺寸是最符合评价标准的。

3.2 综合式遮阳尺寸优化

3.2.1 基于热环境的优化分析

按照上文综合式遮阳尺寸计算结果，设置办公建筑南向窗外部遮阳构件，并通过仿真计算该窗户在一年之中每个月接收的太阳直射辐射量。对比遮阳前、后太阳辐射量，统计结果如图2 所示。

图2 采用综合式遮阳前后每月太阳辐射量变化曲线

根据图2 可知，在安装综合式遮阳构件以前，该办公建筑南向窗每年的太阳辐射量在7 926 wh～71 454 wh 之间，其中1 月份的太阳辐射量最低，5 月份的太阳辐射量最高。在安装综合式遮阳构件后，该办公建筑南向窗每年的太阳辐射量在0 wh～20 041 wh 之间，其中5、6、7、8 四个月份的太阳辐射量均为0,11 月份太阳辐射量最高。上述对比结果表明，本文设计的综合式遮阳构件尺寸能够起到“在炎热天气下最大程度遮挡太阳直射辐射、在寒冷天气下最大程度引入太阳直射辐射”的效果[4]。

3.2.2 基于光环境的优化分析

参照《建筑采光设计标准》(gb50033-2013)中的有关规定，将测量工作平面的高度设定为0.75 m，然后计算安装综合式遮阳构件后办公建筑室内工作面的采光照度。从室内选择3 个典型计算点，分别记为A、B、C，统计3 个点的照度值和采光系数，与未采取遮阳措施下的照度值、采光系数作对比，结果如表3 所示。

表3 典型计算点遮阳前后照度值和采光系数对比

根据表3 数据可知，在安装了综合式遮阳构件后，办公建筑室内靠近窗户处工作面（A 点）和正常活动区（B 点）的照度值有所降低，但是仍然满足自然采光临界照度要求（100lx）。对于距离窗户较远的位置（C点），照度值为90lx，低于自然采光临界照度要求，此处需要通过人工照明的方式增加亮度。同样的，在安装了综合式遮阳构件后，A 点和B 点的采光系数相比于未安装遮阳构件时有所降低，但是均满足室内工作面自然采光系数要求（2.0%）。由此可见，本文设计的综合式遮阳措施对室内自然采光的影响不明显，具有可靠性[5]。

分别选取照度和采光系数的最低值、平均值、均匀度3 项指标，对比办公建筑室内有遮阳和无遮阳下各项指标的变化，结果如表4 所示。

表4 有无外部遮阳状态下室内采光情况对比

由表4 数据可知，办公建筑采取综合式遮阳构件后，室内平均照度虽然比无遮阳时有所降低，但是仍然高于自然采光临界照度（100lx）；从照度均匀度方面来看，采取综合式遮阳构建后，均匀度从原来的18.3%上升到了38.4%，提升效果明显，说明室内自然光线的分布更加均匀，对提升办公建筑室内自然采光的舒适性有显著效果。

结束语

本文使用Ecotect 数值模拟分析软件，将遮阳构件的尺寸设计为竖向高度2.2 m、水平宽度2.6 m、西翼外伸长度1.07 m、东翼外伸长度为0.96 m。在夏季高温环境下，该遮阳构件可以将太阳辐射量降低至0，取得了理想的遮阳效果。同时，还能保证室内照度和采光系数符合标准要求，在白天不必使用人工光源辅助照明，取得了理想的建筑节能效益。