夏熱冬冷的皖西地區居住建筑外遮陽設計

孫海玲 陳健夫 熊 璨 賈如升

(皖西學院 建筑與土木工程學院， 安徽 六安 237012)

夏熱冬冷地區居住建筑的能耗主要源自夏季的空調能耗[1]。在通常條件下，采取外遮陽措施可以節省40%～60%的空調能耗[2]。如何采取合理的外遮陽方式以減少建筑得熱，從而降低空調能耗，是目前研究中需攻克的一項難題。在建筑外遮陽設計中，首先應該考慮所在地區的氣候及地域特色[3]。在此，將以夏熱冬冷的皖西地區為例，討論適應其氣侯特點的居住建筑外遮陽設計問題。

1 皖西地區居住建筑外遮陽現狀調查

皖西地區地處北緯31.77°、東經116.50°，主要氣候特征以六安市為代表。根據《民用建筑熱工設計規范》(GB 50176 — 2019)，皖西地區屬于夏熱冬冷3A氣候屬區[4]。在所有的被動式節能措施中，建筑遮陽措施的效果立竿見影[5]。在此，以皖西地區六安市內高速龍湖天地、發能海心沙、恒大御景灣、御龍灣等代表性居住建筑為調研對象，調查該地區居住建筑外遮陽的使用情況。

經調研發現，該地區居住建筑的外遮陽形式大多為固定式結構構件遮陽，少部分為玻璃遮陽、太陽能板遮陽。固定式結構構件遮陽，利用了建筑自身的凹凸格局，可將主要的采光窗都置于陰影之中。其優勢在于安裝簡單、成本低廉、維護方便；缺點在于不能適應變化的采光需求，在冬季有可能出現日照不足、室內照明度分布不均勻的現象。

調研發現，這些居住建筑外遮陽材料主要選用的是混凝土遮陽板、混凝土構架、玻璃。其中，所用玻璃大多為LOW-E玻璃，而LOW-E玻璃一般用于中置遮陽方式[5]，遮陽效果不如外遮陽方式明顯。同時，建筑遮陽材料較為單一，無法表現建筑外在的活躍性和生命力?；厩闆r歸納如下：

(1) 高速龍湖天地。南向對過渡空間進行了綜合遮陽，東西向采取垂直構件遮陽。但為了增加房間的利用率，在西向設計了飄窗，垂直構件的遮陽尺寸不合理，遮陽效果有限。

(2) 發能海心沙。南向采用開口式遮陽方式，西向采用雙層玻璃遮陽方式。

(3) 恒大御景灣。南向采用凹陽臺的自遮陽方式，陽臺采用頂板水平式遮陽方式，東西向采用內百葉遮陽方式。

(4) 御龍灣。南向采用嵌入式水平遮陽方式，東西向無遮陽設施。

2 居住建筑外遮陽設計

2.1 氣候條件分析

通常，皖西地區六安市內年均舒適溫度較短，具有夏熱冬冷的特點[6]。采用合理的外遮陽方式，可以降低夏季空調制冷能耗和冬季的采暖能耗,使室內的照度分布更加均勻。據氣象統計，六安市2011 — 2021年的各類天氣數據為：多云，1 443 d；雨天，1 426 d；晴天，465 d；陰天，296 d；雪天，84 d；其他天氣，43 d。合理的建筑外遮陽設施，不僅要能夠遮擋強烈的太陽輻射，而且要盡可能地引入自然光。

在不同的時段，日照情況發生相應變化，因此應根據太陽光的變化規律采取不同的遮陽方式。日照情況以每年的6月為例：從5：00日出一直到9：00，太陽光照射在東墻上；從9：00到15：00，太陽光一直照射在南墻和屋面上；從15：00到19：51日落，太陽光照射在西墻上。

在不同的太陽高度角條件下，遮陽構件產生的陰影也有很大不同，因此太陽光的變化規律是遮陽設計之中必須考慮的重要因素[7]。在此，運用式(1) — (3)計算六安市全年正午太陽高度角：

δ=90°-arcsin[sinφsin(180n/186)]，

n∈[0，186]

(1)

δ=90°+arcsin[sinφsin(n-186)]，

n∈(186，276]

(2)

δ=-arcsin[sinφcos90°(n-276)/89]，

n∈(276，365]

(3)

式中：δ—— 正午太陽高度角；

n—— 時間(天數);

φ—— 地理緯度。

經計算可知，該地區的正午太陽高度角在1月22日達到全年最小值(36°58′)，在7月22日達到全年最大值(83°12′)。

2.2 東西向外遮陽設計

根據不同朝向的太陽輻射強度變化規律，夏季南向的太陽高度角較大，因此南向窗口宜采用水平式遮陽[8]。東、西向窗口的遮陽問題較難處理，西向外窗遮陽系數對房間空調能耗的影響最大。對于東、西向窗口，采用擋板式或百葉遮陽方式可達到遮陽的目的(見圖1)，但存在遮擋視線、減少日照、不利于通風等問題[9]。在調研中發現，針對部分居住建筑的東、西向立面，有些采用了盡量少開窗戶的遮陽方法，還有一些只做了垂直、綜合遮陽措施。在實地項目中，受場地的限制，會出現以東、西向為主立面的情況，如凹形平面、L 形平面、回形平面等主立面，所以不能簡單地通過減少開窗的方法來解決遮陽問題[10]。

圖1 擋板式遮陽示意圖

結合皖西地區地域特色提取元素，調研了皖西民居。在調研中發現，皖西民居的房檐及檐下山墻，多以磚雕作為裝飾，表現為建筑花格的形式。建筑花格設計輕巧通透，對采光、換氣、遮陽等具有適用性，是一種重要的建筑設計造型。在外遮陽設計中將花格的裝飾與擋板遮陽結合起來，可實現功能性與裝飾性的整合。

3 建筑東、西向外遮陽模擬對比

3.1 無遮陽模擬

建立單個房間尺寸進深和開間是4.0 m×3.5 m的矩形房間模型(見圖2)。按照窗地比 1/5的條件開窗，模擬西向無遮陽的情況(見圖3)。在單個臥室房間中選擇a、b、c分析點進行模擬：a點為距離窗戶最近點；b點為活動區域點；c點為室內采光最低點。

圖2 單個房間模型

圖3 房間西向無遮陽面示意圖

應用Ecotect軟件分析a、b、c點采光照度的分布情況(見圖4)，得到各點的照度值。

圖4 全陰天無遮陽面采光分布

在全陰天無遮陽條件下，a點的照度值為510 lx，b點的照度值為215 lx，c點的照度值為170 lx。照度值的最低標準為150 lx，3個分析點的照度值均大于此最低標準。其中：距離窗戶最近的a點照度值最高；a點到b點的照度值變化明顯；從b點到c點靠近內墻的照度值變化不明顯。

3.2 建筑花格格柵遮陽模擬

建筑花格遮陽常采用花格格柵組合方法，一般分為單體組合和雙體組合。為了便于模擬，格柵材料選用了混凝土，格柵圖案采用單體滿排式花格(見圖5)。 根據前面計算出的最低太陽高度角(36°58′)，將花格格柵的位置設計于擋板下方(見圖6)，以滿足冬天采暖的需求。

圖5 花格格柵示例

圖6 花格格柵與擋板設計

模型中以A×B×C為一個格子單元，通過改變格子單元的尺寸(見圖7)，對a、b、c點的照度值和采光系數進行模擬分析。

圖7 格子單元的尺寸變化

設計4組格柵單元 —— Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ組，其尺寸(A×B×C)分別為340 mm×295 mm×80 mm、340 mm×295 mm×140 mm、495 mm×345 mm×80 mm、495 mm×345 mm×140 mm，采集全陰天條件下每組格柵中各分析點的照度值和采光系數(見表1)。其中，隨著格柵單元尺寸的變化，從Ⅰ組到Ⅲ組照度值變化明顯，從320 lx增大到418 lx；但是，從Ⅲ組到Ⅳ組a、b點的照度值反而有所降低，而采光系數變化和照度值基本一致。

表1 全陰天條件下各組格柵單元分析點的照度值和采光系數

根據照度值和采光系數分析：Ⅲ組格柵單元(尺寸495 mm×345 mm×80 mm)中，a點的照度值和采光系數最高，但是易產生炫光；Ⅱ組格柵單元(尺寸340 mm×295 mm×140 mm)中引入室內的光線也較多，而c點的采光系數為各組最高值。綜合分析認為，格柵單元設計中A、B、C的比例約為5 ∶4 ∶2時，a點的照度較均勻，c點的采光系數也能夠滿足遮陽要求。

4 結 語

在夏熱冬冷地區，居住建筑外遮陽的效果受當地太陽光照軌跡、建筑場地、建筑朝向、外窗結構等綜合因素的影響。進行外遮陽設計時，需將建筑功能與建筑形式高度結合起來，綜合考慮居住者對遮陽及節能效果的整體需求。本次研究以夏熱冬冷的皖西地區六安市為調研對象，主要分析和設計適應其氣候和環境特點的東、西向外窗遮陽，并推薦了外擋板與格柵遮陽形式。通過無遮陽和花格格柵遮陽的模擬分析，驗證了花格格柵外遮陽的效果。

根據調研結果，設計了擋板與花格格柵相結合的外遮陽形式。同時，設計了不同的格柵單元尺寸，通過照度值和采光系數對比，優選出照度和采光綜合效果最佳的格柵單元尺寸。