广州南物综合楼生态改造中的通风与遮阳系统设计研究

陈雪婧

（广州珠江外资建筑设计院有限公司 广东广州 510000）

0 引言

夏热冬暖地区位于我国南部，该区建筑物必须充分满足夏季防热、通风要求。强烈的太阳辐射和丰沛的天然降雨综合形成高温高湿环境，使得生活其中的人难以获得舒适感，人们会利用遮阳与通风来消除高温高湿的不舒适感。适宜南方地区气候特征的技术手段融入到建筑设计中，既能起到节能效果，为人们提供健康、舒适、安全的居住、工作和活动的空间；又营造出丰富的立面形式，实现艺术与技术的完美结合。

1 设计背景

1.1 研究对象概况

研究对象位于广州，东经 112°57′～114°03′，北纬 22°26′～23°56′，北回归线从南部穿过，处在夏热冬暖地区。夏季漫长、冬季短暂；长年气温高、湿度大，太阳辐射强烈，建筑朝向与遮阳是考虑的重点。广州南物综合楼单体建筑，地上建筑面积约8万m2。建筑层数为六层，首层到四层为大型厂房仓库区[1]，大空间布局。五，六层为办公区，小空间布局，要求有良好的天然采光和自然通风。生态改造要求根据实际状况，在不改变现有建筑结构的基础上进行。综合运用气候适应性理论，针对岭南地区的气候特点，物流园区建筑的功能特点，以及商贸城综合楼的既有现状，做出适度回应。

1.2 现状问题及其对策

通过计算机软件模拟对仓库区的通风、采光、太阳辐射现状进行分析，并用SWOT分析法进行总结，试图提出合理的通风系统与遮阳系统对外围护结构进行再设计。

S：建筑的东南面有山坡，南面与东面接受到的太阳辐射量较少。

W：建筑朝向非正南北向，处理手法非常规。西向、北向立面接收到的太阳辐射过高，目前并未设置有效的遮阳措施。建筑沿东西展开，南北方向较长，风难以从南面被有效组织引入建筑深处，建筑平面摆放不利于通风。同时南面有山坡阻挡，使得室内南面进风风速小，建筑内部通风不足。

O：通过对外围护结构的改善可以构建出一套解决现有通风不足、太阳辐射高等问题的方案。

T：不同系统之间的协调。通风需要通透而遮阳需要遮挡，针对不同问题的解决方法之间可能是矛盾的，如何和谐统一是关键。

2 通风系统设计设计

2.1 Fluent模拟分析

广州主导风向为偏东南风，年平均风速为1.9m/s。将建筑南侧35m高山体纳入场地风环境模拟分析，可见其对吹向建筑单体的风向和风速产生直接影响。东侧风速1.8m/s、南侧风速0.8m/s，东侧有大量风斜向进入室内，在建筑中部产生较大涡流，南侧进风口受山丘影响很大。

2.2 通风策略

2.2.1 增大风速

南面与东面为建筑的进风面，南面因受山坡阻挡，进风量明显减弱，风速较小。提出通风策略的第一步为增加风速。现状建筑东南尖角对风的阻碍较大，需要补充这一位置的进风量。改进思路是对建筑形体的局部进行凹角处理，希望得到理想风速分布图，模拟效果可以看出室内风速得到了显著提升。

图1 通风策略：通过建筑形体的局部凹角来增加风速

2.2.2 引导风向

东面与风向夹角过小，风在室内穿行路径过长，进风方向不利于通风。建筑东西进深小，因此重点制造由东向西的通风路径。提出通风策略的第二步为引导风向。当风沿较短进深方向在建筑中穿行时，通风效果最佳。设计期望将吹向东面墙的东南风装化为垂直墙体进入室内的风向，考虑设置导风板。

在通风口旁边设置垂直于墙面的导风板，即导风板平行于引风方向，风沿导风板方向进入室内。导风板与开窗配合设置，一个柱跨内设置两块导风板，通过风向确定导风板长度。导风板背面会形成涡流，因此连接两块垂直板，减少风射向墙面的浪费，同时每个单元形成喇叭口状。几个单元为一组，两侧外墙向外突出，形成更大的汇聚风的喇叭口，同时在立面上形成凹凸的丰富变化。

图2 通风策略：通过立面设置导风板来引导风向

2.3 设计效果模拟

针对通风不足，设计采取了形体凹角退让的方式来增加风速，以及东、南两立面设置导风板的方式来引导风向。应用评价指标对通风效果进行评价。微风环境不仅有助于人体散热，而且能够从心理层面上使室内人员产生愉悦的心情，提高工作效率。舒适的室内空气流速区间为0.15-0.5m/s左右。在高于26℃的环境中，通过吹风对温度的补偿效应，可以使人产生舒适感[2]。模拟结果：室内风速分布较均匀，绝大部分的区域处在舒适的室内空气流速区间内。风向基本满足需求，结果可观。

3 遮阳系统设计研究

3.1 Ecotect模拟分析

广州地区夏季太阳辐射较高，人在室内会感到闷热不舒适。选取立夏日与夏至日进行太阳辐射量的模拟。立夏日，是夏天的开始，日平均气温稳定升达22℃以上；夏至日，太阳直射北回归线，接收到的太阳辐射接近夏季中的最大值。立夏日与夏至日分别是夏季的开端和极致，因此可以通过这两个节气的太阳辐射强度作为夏季太阳辐射量的一个范围。由建筑遮阳设置条件：①日平均气温＞29°C；②日辐射强度大于280Wh/m2，得出：在此建筑的西立面和北立面需要设置遮阳。

同一立面接受的太阳辐射会随时间变化，西立面接受的太阳辐射在14：00-17：00达到最高，因此，针对这个时间段的遮阳体系是最显效的。研究太阳轨迹即可发现，如果既能够遮挡住夏至日14：00的太阳光线，又能够遮挡住8月31日17：00的太阳光线时，这样的遮阳体系遮挡覆盖时间范围为：5月1日-8月31日，换而言之就是能够覆盖整个夏季。针对上述时间点，观察太阳高度角，得出这段时间的太阳光线入射角度范围是22°～63°，由此确定遮阳构件的形式。

图3 太阳辐射模拟

3.2 遮阳形式选择

由于22°～63°角属于比较低矮的光线入射角，如果采用水平遮阳，需要的遮阳板比较大，得到的效果也不理想。而竖直遮阳则能在较短的长度内解决问题，因此西立面与北立面的遮阳方式优先考虑使用竖直遮阳构件。

3.2.1 北立面遮阳设计

窗户与入射光线平行，使窗户在入射光线的法线方向上的有效面积为零。既避免了西面的太阳辐射，又扩大了有效的采光窗面积，保证一定的采光量。

3.2.2 西立面遮阳设计（见图4）

Step.1：垂直挡板虽阻挡了西面的太阳辐射，但也完全遮挡了光的进入以及人的视线，对于通风也有阻碍[3]。

Step.2：将挡板旋转一定角度，恰好能挡住前述时间段太阳光线，并且在其余时段光线有机会进入到室内。

Step.3：因西面为出风面，调整挡板的旋转方向，配合东西向通风路径。然而却令阳光毫无阻碍加热西面。

Step.4：当水平遮阳的长度和间距达到适当比例时，其效果相当于竖直遮阳。因此，加入水平遮阳解决问题，与竖直遮阳帮共同构成最终的遮阳构件[4]。

3.3 设计效果模拟

图4 立面遮阳板的设计推导

在北立面与西立面上，太阳辐射不均匀分布，因此在立面上的开窗设计也是不均匀的。在辐射量过高处尽量较少开窗甚至不开窗，开窗的节奏与太阳辐射变化量同趋势。模拟可见，采用该遮阳后对比没有设计遮阳前效果理想，在遮挡的地方辐射量均能低于280Wh/m2这一标准。

4 结语

通风遮阳措施多种多样，针对特定建筑项目地理位置、朝向、体量、功能布局的不同，不存在某一种构件普遍适用的情况。对既有建筑的生态改造，需要从实际情况入手进行具体分析，才能将通风与遮阳原理进行有针对性的设计运用。通风体系和遮阳体系的研究是建筑设计中的一个重要组成部分，对节约建筑能耗和改善室内热舒适度具有非常积极的作用，绿色生态的理念应贯穿建筑设计始终。一般而言遮阳板对于通风会有遮挡作用，两者在一定程度上是对立矛盾的。而本次设计中，通风体系需要从东面进风，西面出风，所以西立面的遮阳体系在满足遮阳的同时需要配合通风需求。选取合适的引风和遮阳形式，同时遮阳板与导风板的配合处理，不仅遮阳板不会对通风有阻碍作用，反而能起到一定的引导作用。本方案中基于通风体系的东、南立面的引风构件和基于遮阳体系的西、北立面的遮阳构件，正是在综合考虑下的设计成果。四个立面的构件设计，简洁明了，可操作性强，在统一中求变化，形成了美观的建筑立面以及丰富的光影效果。