重庆地区办公建筑外遮阳设计方法的探讨

杨李宁

（1中机中联工程有限公司，重庆 400039；2重庆大学 城市建设与环境工程学院，重庆 400030）

0 前言

20世纪初，赖特率先把太阳几何学引入了建筑设计领域。在他的成名作中，赖特根据当地春分、秋分等特定时间的太阳高度角以及各个房间对阳光的需求设计成了错落有致、深浅不一的挑檐，这些造型舒展的挑檐不仅成就了享誉世界的草原风格，而且创造了现代遮阳设计的先河[1]。

建筑外遮阳具有降低夏季室内空调负荷、减低冬季通过窗户的热损失缓解室内自然采光中的眩光问题和改善室内热环境舒适感的作用，因此，建筑外遮阳的设计与室内采光和通风效果紧密相关。

重庆属于夏热冬冷地区，其气候特点决定了建筑的遮阳与隔热的良好设计，对降低建筑夏季的运行能耗具有非常重要的作用。但因受建设周期、开发商意愿、建筑师设计理念等因素的制约，当建筑外遮阳设计与建筑美学、经济投入发生矛盾时，往往选择牺牲建筑外遮阳的功能性，这不但对降低建筑运行能耗不利，更影响建成后建筑的室内舒适性[2－4]。本文以重庆某办公建筑为例，探讨重庆地区公共建筑外遮阳设计的方法。

1 公共建筑外遮阳的设计思路

建筑外遮阳设计的目的是:夏季，有效遮挡进入室内的太阳辐射，降低空调能耗；过渡季节，能实现良好的自然通风；冬季，保证室内舒适性要求的自然采光，降低采暖能耗和照明能耗[3－5]。结合建筑美学与经济成本的要求，本文认为重庆地区建筑外遮阳的设计应充分利用仿真分析的技术手段，并按如下思路进行:

（1）基于建筑方案，对建筑各个朝向的典型位置在典型日（夏至日和冬至日）进行日晷图仿真模拟，确定需要设置建筑外遮阳的主要位置；

（2）结合工程设计经验，利用仿真模拟手段，分析不同外遮阳设计方案的遮阳效果；

（3）结合建筑美学与经济投入等因素，确定最优的建筑外遮阳设计方案。

2 重庆某办公建筑外遮阳设计的案例分析

2.1 项目简介

图1 项目设计效果图

该项目由摩托车研究大楼、汽车研究院和技术中心3部分组成，总建筑面积为90924.79m2。设计目标是获得“美国能源与环境设计先锋奖LEED”金奖和“中国绿色建筑三星奖”。由于项目所在地的主要交通干道的朝向等因素制约，建筑主朝向为东西向，这对建筑节能不利，同时对建筑外遮阳的设计提出了必要的要求。

2.2 确定建筑外遮阳的设定位置

2.2.1 建筑遮阳分析

根据建筑的构造，对建筑的整体进行夏季遮阳分析，如图2、图3所示。

图2 夏至日12点

图3 夏至日16点

根据太阳运行轨迹图以及建筑夏季典型日（夏至日）的遮阳分析，可知建筑的遮挡情况为:（1）东、西、南为主要受阳面，且西立面建筑结构较简单，楼层间的遮挡现象不明显，因此夏季受太阳辐射大；（2）北面受太阳辐射较弱，且建筑结构较复杂。

为准确得出建筑夏季遮阳和冬季采光情况，下面将对建筑的西立面进行夏季遮阳分析和冬季采光分析。

2.2.2 建筑各立面详细分析

根据上述对建筑冬夏季的太阳运行轨迹运行图和根据夏至日和冬至日的阴影图分析，结合建筑的构造以及朝向，将建筑的西立面进行遮阳和采光分析，见图4。该设计中以西向作为建筑的主朝向，且采用了大面积的玻璃幕墙，因此尤其应注重遮阳设施的选用，遮阳形式以建筑构件外遮阳为主（着重于垂直遮阳的设计），辅以内遮阳百叶、种植室内植物起到遮阳效果。

图4 建筑西立面遮阳设置分析图

2.3 确定建筑外遮阳的尺寸

根据仿真模拟结果，认为建筑西立面的遮挡情况是影响建筑室内能耗、采光等的主要立面，本文以西立面为例，说明建筑外遮阳尺寸确定的方法。

2.3.1 采用垂直遮阳的建筑模型

以center-4f的一面窗户为例，用ECOTECT软件模拟，如图5、图6。

图5 Ecotect中心建筑西立面垂直固定外遮阳建筑模型

图6 Ecotect中心建筑西立面垂直固定外遮阳局部详图

2.3.2 建筑西立面遮挡的仿真计算

建立模型分别模拟夏至日和冬至日，西立面在无遮挡和遮阳板挑出宽度为300mm、400mm、500mm、600mm 等5种情况下的太阳辐射遮挡情况，详见表1。

表1 太阳辐射遮挡情况表

2.3.3 建筑西立面窗户辐射热量的仿真计算

气象条件:CHN_Chongqing,Shabaping_CSWD。

计算时间段:夏至日（6月21日）12:00-18:00，西立面窗户的辐射热量累计值。

计算结果处理:外遮阳系数SD是建筑物玻璃幕墙有外遮阳设施时透入室内的辐射热量与在相同条件下无外遮阳设施时透入的室内辐射热量的比值。

以水平挑出宽度300mm为例，该外窗外遮阳系数仿真计算结果如图7。

根据仿真模拟计算结果可知，在水平挑出宽度分别为0mm、300mm、400mm、500mm、600mm 5种情况下，“西立面该外窗综合遮阳系数SC”如表2所示。

表2 建筑西面某外窗综合遮阳系数SC计算表

3 结论及建议

本文针对垂直固定外遮阳条件下，挑出长度分别为300mm、400mm、500mm和600mm时，对建筑西立面窗户夏至日、冬至日的遮阳情况进行了模拟分析。得出如下结论。

3.1 夏至日（6月21日）

遮挡效果:14:00-16:00，垂直固定遮阳板对窗户的遮挡率在15%～20%之间；16:30-19:00，垂直固定遮阳板对窗户的遮挡率在40%左右。可知:由于夏至日太阳方位角方向与建筑西立面法线近于平行，垂直固定遮阳板对窗户的遮挡率与遮阳板的挑出长度不具有相关性。

外遮阳系数:

图8 外遮阳系数SD随遮阳板挑出长度变化曲线

从图8可知，通过不同挑出长度外遮阳的辐射热量计算（选择最不利工况:夏至日，12:00-18:00）。可知:当挑出长度为300mm时，外遮阳系数为0.745；当挑出长度为400mm时，外遮阳系数为0.701。

3.2 冬至日（12月21日）

图9 遮挡率随遮阳板挑出长度的变化情况（冬至日）

如图9所示，在冬至日，建筑西立面窗户遮挡率100%（即被完全遮挡，无法接受到太阳直射）的累积时间，随遮阳板挑出长度的增加而增加。可知:建筑西侧房间的日照时间随遮阳板挑出长度的增加而减少，当挑出长度为300mm、400mm时，均能保证建筑西侧房间冬季2小时的日照时间。

3.3 外遮阳设置尺寸的确定

根据表2可知，在5种情况下，当水平挑出宽度为300mm、400mm和500mm时，建筑外遮阳的综合遮阳系数分别为0.22、0.21和0.20，均符合《重庆市公共建筑节能设计标准》中关于建筑外遮阳在夏季的综合遮阳系数小于0.26的要求。

但综合考虑冬季日照和夏季遮阳的效果，结合建筑外立面的美学要求，兼顾经济投入和外遮阳板生产厂家的建议，最终，项目选择了垂直固定遮阳板的挑出长度为300mm。

[1]李峥嵘，赵群，展磊.建筑遮阳与节能[M].北京:中国建筑工业出版社，2009.

[2]顾伟祖.建筑外遮阳节能改造效果比较研究[J].住宅产业，2013（6）.

[3]杨燕萍.建筑外遮阳软卷帘的节能效果分析[J].建设科技，2013（23）.

[4]何少剑，陆世登，唐昱.广西地区建筑外遮阳可行性设计方法研究[J].建筑节能，2012（6）.

[5]曾恒志，张祺飞，刘国伟.适宜地方气候的生态建筑节能设计——以重庆建筑节能示范中心为例[J].福建建筑，2012（2）.