夏热冬冷地区建筑外遮阳节能效果对比研究

陈丽华,曹 稳

(合肥工业大学 建筑与艺术学院,安徽 合肥 230009)



夏热冬冷地区建筑外遮阳节能效果对比研究

陈丽华,曹 稳

(合肥工业大学 建筑与艺术学院,安徽 合肥 230009)

文章运用建筑节能软件,对夏热冬冷地区一栋理想化建筑模型的外遮阳节能效果进行计算,通过对比分析水平、垂直、综合、挡板和百叶5种外遮阳形式下的建筑节能数据,总结了各种遮阳形式在不同方向上的节能特点,并对比分析了不同遮阳形式的节能效果。结果表明,不同遮阳形式和朝向对节能率产生不同程度的影响。研究结果为在建筑设计实践中合理设置外遮阳的形式提供了一定的理论参考。

外遮阳;节能;能耗;遮阳形式;遮阳朝向

0 引 言

据住建部统计,我国建筑运行能耗约占全社会总能耗的1/3,做好建筑节能工作对人居环境的可持续发展至关重要[1]。因此,国家非常重视建筑节能工作,建筑节能设计已成为建筑设计工作中的必备环节[2]。发展建筑遮阳是节约建筑用能的需要,也是目前中国政府的一项重要节能举措[3]。遮阳技术是建筑节能技术的重要组成部分,是中高纬度地区建筑节能的关键措施[4]。然而此项技术措施在很多地区却未能得到足够的重视,以至于在设计实践中常沦为装饰性的构件,究其原因,主要有以下2点:① 国内外对外遮阳节能效果的定量研究相对较少,对建筑外遮阳的形式、方位等方面的节能效率缺少数据分析,致使设计者对外遮阳的节能作用认识不够充分;② 外遮阳设施的增加也为建筑造型的设计带来了一定的挑战。

根据我国的建筑气候分区,夏热冬冷地区涉及全国十几个省、市、自治区,而遍布其中的公共建筑更是能耗惊人,因此提高节能率将有助于降低该地区的整体能耗。基于此,本文以合肥地区公共建筑为研究对象,设计了一栋理想的建筑模型,选取最常用的5种外遮阳形式,即水平遮阳、垂直遮阳、综合遮阳、挡板遮阳和百叶遮阳,分别进行计算。利用PEBCA建筑节能软件计算建筑采用不同遮阳形式时的能耗情况,拟通过各组计算数据比较,深入分析不同形式外遮阳的节能效果,并研究其各自的节能特点,以期用具体数据提供建筑外遮阳的节能效率。

1 模型信息

本文建立一栋理想化的建筑模型,如图1所示,其基本信息如下:建筑位于合肥市(北纬31.87°,东经117.23°),属夏热冬冷气候区,建筑朝正南向,为点式3层框架结构,平面为边长36 m的正方形,柱间距均为6 m;建筑物高度为12.9 m,外窗尺寸为4.8 m(宽)×2.7 m(高),计算建筑面积为3 684.47 m2,建筑表面积为3 596.93 m2,建筑体积为14 839.37 m3,体形系数为0.24。

图1 建筑模型平面

本文对建筑模型的平面功能进行了简化,仅保留主要用房,其余辅助用房均省略;在东、南、西、北4个方向的建筑面积、功能及窗洞口面积全部相等;建筑外遮阳的材料均采用金属板,这样设计的目的主要是排除不确定因素,使4个方向的外遮阳节能效果有很好的可比性。

为使建筑模型具有代表性,围护结构的构造采用常用做法,具体材料由外到内依次如下所述:

(1) 外墙。聚合物抹面抗裂砂浆(4.0 mm)、膨胀玻化微珠保温砂浆(30.0 mm)、 煤矸石多孔砖(200.0 mm)、膨胀玻化微珠保温砂浆(20.0 mm)、石灰水泥砂浆(20.0 mm)。

(2) 屋面。水泥砂浆(20.0 mm)、SBS改性沥青防水卷材(5.0 mm)、水泥砂浆(20.0 mm)、憎水膨胀珍珠岩棉板(135.0 mm)、轻集料混凝土 (最薄30.0 mm)、钢筋混凝土板(100.0 mm)、石灰水泥砂浆(20.0 mm)。

(3) 外窗。塑框Low-E中空玻璃 (6+9A+6)。

模拟计算时同一遮阳形式各个方向遮阳板尺寸采用相同设计值,以便对比分析。① 水平遮阳,水平板深度0.9 m、与窗上口垂直距离0.1 m，水平板与墙身角度90°;② 垂直遮阳,垂直板深度0.9 m、与窗侧口水平距离0.1 m，垂直板与墙身角度90°;③ 挡板遮阳,挡板宽度5.0 m、挡板高度1.5 m、出挑长度0.9 m;④ 综合遮阳,水平板深度0.9 m、与窗上口垂直距离0.1 m，水平板与墙身角度90°,垂直板深度0.9 m、与窗水平距离0.1 m，垂直板角度90°;⑤ 水平百叶遮阳,水平百叶间距0.3 m、水平百叶深度0.3 m、满窗设置;⑥ 垂直百叶遮阳,垂直百叶间距0.3 m、垂直百叶深度0.3 m、满窗设置。

2 模拟计算与分析

下面对不同外遮阳形式下的建筑节能效果分别计算,依据计算数据从3个方面进行对比分析:① 无外遮阳与有外遮阳的建筑节能效果对比分析;② 各种遮阳形式在不同方向上的节能率分析;③ 不同遮阳形式下建筑节能效果分析。外遮阳的节能功效主要依据建筑全年能耗值和节能率2个指标来判定。

建筑节能计算的室内热环境控制指标以室内设计温度为准,一类办公条件下夏季室内计算温度为24 ℃,冬季室内计算温度为20 ℃[5]。按照文献[5]的要求,新建建筑节能率必须满足50%的标准。

由建筑节能率(I0)的定义可知,建筑设置保温隔热后的设计建筑能耗(W0)与未设保温隔热时的基准建筑能耗(WJ)存在差值,此差值与基准建筑能耗的比值即为建筑节能率。在PBECA建筑节能计算软件中未设置基准建筑能耗值这一参数,软件计算时所采用的参照建筑能耗(W)即为刚好达到基准能耗50%节能标准时的能耗值。依据以上分析可以推导出建筑节能率的计算公式。由I0=(WJ-W0)/WJ,W=WJ×50%,可得：

(1)

设计建筑全年能耗值(W0)[6]的计算公式为:

(2)

其中,WK为设计建筑空调耗能;WC为设计建筑采暖耗能。

不同外遮阳形式下建筑全年能耗见表1所列。计算数据表明:建筑设置外遮阳比无外遮阳时的全年能耗值均有所减少(4个方向均设挡板时除外);单向设置外遮阳时,东向的全年能耗值最小,西向次之,南向和北向的能耗值较大;就不同遮阳形式而言,设置百叶遮阳的建筑全年能耗值相对较小,特别是水平百叶在4个方向均设置时全年能耗值最小。

表1 不同外遮阳形式下建筑全年能耗量 kW·h

2.1 水平与垂直遮阳

水平与垂直遮阳设置在不同方向时的建筑节能率如图2所示。

图2 水平遮阳与垂直遮阳节能率分析

由图2可知：4个方向均设遮阳板时水平遮阳的节能率较大;单向设置遮阳时,水平遮阳除了在北向的节能率略低于垂直遮阳外,在其余各方向上节能率均大于垂直遮阳。因此,水平遮阳节能效果要优于垂直遮阳。

对水平遮阳而言,4个方向同时设外遮阳时建筑节能效果最好,节能率可达50.95%,而仅设东向外遮阳时的节能率为50.90%、西向为50.89%,但北向设置水平遮阳与无遮阳时的节能率相同,均为50.85%,即北向设水平遮阳对建筑节能率的提高不产生作用。通过权衡计算报告书可查得原因如下:北向设置水平遮阳板时,建筑的夏季空调能耗比无遮阳时要少,但冬季采暖耗能更多,故综合计算后其节能率基本没有变化。因此,在实践中若选择采用水平外遮阳板时可以在东西南3个方向同时设置,或在东向和西向单设,北向不宜设置水平外遮阳。

垂直遮阳在各个方向上的节能率变化情况类似于水平遮阳,但总体而言建筑节能率差值不大。4个方向全设遮阳板时节能率为50.90%,节能效果最好；单向设置时东向的节能率最高，达到50.88%,次之是西向的50.87%,最后是南北向，均为50.86%。但与水平遮阳不同的是,在北向设置垂直遮阳时建筑节能率略有提高。因此,应优先考虑在4个方向均设置垂直遮阳板,单向设置时应尽量设在东向和西向,北向也可设置。

2.2 综合与挡板遮阳

综合与挡板遮阳设置在不同方向时的建筑节能率如图3所示。

图3 综合遮阳与挡板遮阳节能率分析

由图3可以发现,每个方向上的综合外遮阳均有利于建筑的节能。综合遮阳在构造形式上可以看做是水平遮阳与垂直遮阳的叠加,其节能效果可以看做是水平与垂直遮阳的融合。综合遮阳在各方向上的节能率均大于无遮阳和挡板遮阳2种形式,但其在各方向上具体的节能率变化与水平和垂直遮阳相似,在4个方向同时设置遮阳板时节能率为50.99%,节能效果最好;其次是东向的50.92%、西向的50.91%。南北向做综合外遮阳节能效果较差。因此,建筑采用综合外遮阳时,应尽可能在4个方向同时设置;若只考虑单向设置综合遮阳时,可优先考虑设在东向或西向,这样可以最大限度地发挥遮阳的节能效果。

对比挡板遮阳与水平、垂直、综合3种遮阳形式的节能率计算数据,可以发现存在较大的差异,即在4个方向均设置挡板遮阳时节能率为50.61%,而无建筑遮阳的节能率为50.85%,这就意味着在4个方向同时设置挡板遮阳对建筑的节能是不利的。由权衡计算报告书的数据探究,得到原因为:在建筑4个方向同时设置挡板可以减少夏季空调的能耗,但是却大大增加了冬季采暖的能耗,综合考虑,其全年的总能耗反而增大很多。因此,在实际设计过程中,设计者应尽量避免4个方向同时设置挡板遮阳,可以考虑仅在东向或西向设置挡板,这样对建筑节能更有利。

以上4种传统的遮阳形式在各方向上的节能率对比显示:挡板遮阳在各个方向的节能率均较大,单向设置外遮阳时,挡板的形式更有利于建筑节能。

2.3 百叶遮阳

百叶遮阳设置在不同方向时的建筑节能率如图4所示。

图4 百叶遮阳节能率分析

分析显示:百叶遮阳设置于各方向时均有利于建筑节能;水平与垂直百叶遮阳节能率在各方向上的变化与传统遮阳形式相似,即4个方向均设百叶遮阳时节能率最大,单向设置遮阳时东向更有利于节能,其次是西向,之后是南向,北向稍差。综合分析图2～图4可以发现:不管是单向还是4个方向均设遮阳板时,百叶遮阳的节能率均最大,其中在4个方向上同时设置百叶遮阳时垂直百叶节能率为51.18%,水平百叶高达51.26%。

对比2种百叶遮阳形式之间的节能状况可知:在各项参数均相同的情况下,水平百叶遮阳在各方向上的节能率均大于垂直百叶遮阳,故水平百叶外遮阳的节能效果相对较好。

2.4 不同形式外遮阳节能对比

文献[7]要求建筑的东向、西向和南向外窗应采取遮阳措施。文献[8]规定夏热冬冷地区建筑的热工设计必须满足夏季防热要求,适当兼顾冬季保温。合肥是典型的夏热冬冷城市,建筑外遮阳可有效地减少夏季空调耗能,尤其是东西朝向外窗。西向的外遮阳不仅具有节约建筑能耗的作用,还可缓解西晒改善室内环境。依据表1中数据,对西向设置外遮阳与无遮阳时的能耗进行差值计算,得出不同形式外遮阳节能状况,如图5所示。

图5 不同形式西向外遮阳全年节约能耗量

由图5可知,建筑在西向设置水平百叶外遮阳时全年可节约能耗值最大,为1 394 kW·h,其次是垂直百叶,为1 063 kW·h,然后是挡板遮阳,为978 kW·h,而垂直外遮阳的节能值最小,仅为179 kW·h。因此,水平和垂直百叶外遮阳对建筑节能较为有利。

尽管不同遮阳形式构造及尺寸参数的设置方法不同,但本文的研究数据均为以最常用的外遮阳构造形式和尺寸参数为依据进行计算所得。因此,所得结果在实践中具有一定的参考价值。

3 结 论

总体而言,建筑物设置外遮阳有利于建筑节能;建筑物设置不同形式的外遮阳,其节能率不同,相对而言,百叶外遮阳节能效果最好;各外遮阳形式在4个方向同时设置遮阳时对节约能耗最为有利(挡板遮阳除外),且同一种形式的外遮阳板在不同方向的节能作用不一样,东向设置外遮阳的节能效果最好,西向次之,南向和北向稍差。

据统计,合理设置建筑遮阳设施可以节约空调用电25%左右[9],非常有利于建筑的节能。同时,外遮阳能够和建筑艺术融合在一起,显示出建筑美学的思想,建造出生动新奇的建筑造型[10];室内热舒适度与室内热环境密切相关[11],外遮阳可以改善室内热环境,从而提高室内热舒适度。随着人们对绿色城市、绿色建筑的认识不断提高,建筑节能已扮演着越来越重要的角色,因此,在实践中科学有效地设置外遮阳必将成为建筑设计的重要方面。

[1] 杨梅兰.民用建筑节能技术发展趋势探讨[J].建筑技术,2012(2):163-165.

[2] 陈丽华,陈科迪.基于建筑节能设计的室内热环境比较研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2013,36(7):831-835.

[3] 陈文杰.我国建筑遮阳推广应用政策简述[J].浙江建筑,2013(2):52-54.

[4] 刘翼,蒋荃.我国建筑外遮阳发展现状及其标准化进展[J].门窗,2011(2):24-28.

[5] 安徽省建筑设计研究院,合肥市城乡建设委员会.安徽省公共建筑节能设计标准:DB 34/1467—2011[S].[S.l.:s.n.],2011:8-11.

[6] 中国建筑科学研究院.公共建筑节能设计标准:GB 50189—2015 [S].北京:中国建筑工业出版社,2015:3-14.

[7] 北京中建建筑科学研究院有限公司,中国建筑业协会建筑节能分会.建筑遮阳工程技术规范:JGJ 237—2011[S].北京:中国建筑工业出版社,2011:4-6.

[8] 中华人民共和国建设部.民用建筑热工设计规范:GB 50176—1993[S].[S.l.:s.n.],1993:4-5.

[9] 段恺,齐新琦,赵文海,等.建筑遮阳标准体系在建筑节能中的作用[J].绿色建筑,2010(1):27-28.

[10] 梁毅彦.探析立面设计中建筑遮阳的应用[J].科技创新与应用,2014(18):234.

[11] 饶勇.自然条件下合肥地区住宅室内热舒适研究[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2010,33(12):1843-1846,1857.

(责任编辑 张淑艳)

Comparative study of energy saving efficiency of external shading in hot summer and cold winter zone

CHEN Lihua,CAO Wen

(School of Architecture and Art, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The energy saving effect of external shading of an ideal building model in hot summer and cold winter zone is calculated by using the building energy saving software. By the comparative analysis of the energy saving data of five kinds of external shading forms including the horizontal, vertical, integrated, baffle and blinds shading, the energy saving characteristics of each shading form in different directions is summarized and the energy saving effect of different shading forms is analyzed. The results show that different shading forms and directions have different effect on the saving efficiency. The research provides a theoretical reference for reasonably setting building external shading in the architectural practice.

external shading; energy saving; energy consumption; shading form; shading direction

2015-08-31；

2015-10-10

住房与城乡建设部科学技术研究资助项目(2013AHST0329)

陈丽华(1965-),女,浙江建德人,合肥工业大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.10.017

TU201.5

A

1003-5060(2016)10-1381-05