基于性能分析的节能视角下的正向建筑遮阳设计

（深圳市建筑设计研究总院有限公司合肥分院，安徽 合肥 230071）

1 建筑遮阳的正向设计过程

建筑遮阳构件作为建筑围护结构的一部分，同时影响到建筑的能耗、美学价值和造价。

按照《公共建筑节能标准》提供的简化公式进行遮阳设计可满足常规的遮阳设计要求。而建筑处于其他建筑的阴影区内不需要遮阳，按照标准全部覆盖遮阳构件，会产生额外的建设成本。在设计遮阳时，完全按照《公共建筑节能标准》进行构件选择很多时候无法满足建筑的美学要求，探讨能与造型元素相结合的遮阳元素设计，尽量减少遮阳对建筑美学的影响对新时代的建筑节能有很大的参考价值。

正向遮阳设计流程可以分为以下几个步骤：采暖和空调时段的确定，立面遮阳区域的划分及遮阳策略，匹配造型元素的遮阳设计要素优化和评估。

2 采暖和空调时段与遮阳的关系

目前国内建筑外窗多采用双层中空玻璃，遮阳系数在0.4～0.7之间。基于这种现状，从能耗角度看，寒冷的天气，阳光可以给室内加温，降低空调能耗；炎热的天气，阳光导致室内温度更高，进一步增加空调能耗。如果一个房间夏天太阳热辐射导致的空调能耗增加量大于冬天太阳热辐射带来的空调能耗节约量，则这个房间的窗户需要考虑遮阳措施；反之亦然，窗户不需遮阳，或设置仅遮挡空调时段辐射的遮阳。

采暖和空调时段对评估遮阳有很大的意义，当地方或国家标准有规定时，可直接参考标准中的空调和采暖时段。以合肥地区为例，根据安徽省《公共建筑节能设计标准》(DB34/T 5076-2017)，安徽地区空调期6月15日-8月31日，采暖期12月1日-次年2月28日共计90天。

当标准中没有明确说明时，可以根据气象数据中的温度进行估算，对合肥地区50人进行问卷调查后，在室内温度平均低于5℃时会开采暖升温，当室内温度平均高于30℃时开空调。合肥地区全年温度分布如图1所示。

图1 合肥地区全年温度分布图

不开空调感觉舒适的温度是5～30℃之间。合肥地区11月下旬～2月下旬温度较低，日照有利；6月中旬～9月上旬温度较高，日照不利。根据全年8760小时的逐时温度数据，可筛选出全年中温度较高的具体小时段（HOY），在Ladybug气象数据读取的基础上使用Grasshopper对全年采暖和空调时段进行筛选，逻辑如图2。

图2 全年空调和采暖时段和空调时段筛选逻辑

3 立面遮阳区域的划分及遮阳策略

在复杂的城市环境下，拟建建筑周边的现状建筑形成了天然的遮阳条件。若目标立面整个夏季都被周边建筑遮挡，则无需额外的遮阳措施；若夏季处于太阳直射范围内，冬季被周边建筑挡住了有利日照，则需设置遮阳减小夏季的太阳直射辐射。在设计立面时筛选夏季大部分时段被周边环境遮挡的立面区域适当减少遮阳，同时筛选出冬季被遮挡夏季被直射的立面区域进行重点遮阳设计，把有限的建材资源利用到更适当的区域。

3.1 立面遮阳区域划分依据

节约空调能耗是设置遮阳的目标，影响室内空调能耗的传热过程包括围护结构热传导、外窗的热辐射、设备和人员散热等，其中外窗的热辐射和遮阳相关。透过门窗到达室内的热辐射量按下式计算：Qs=r×g×Aw×G。式中：r——窗框比、玻璃清洁度等导致的衰减系数；g——玻璃太阳能透过率；G——时段内天空热辐射；Aw——窗户面积。可知窗户面积、玻璃选型和遮阳措施固定时，透过窗户的热辐射与天空热辐射正相关，可用建筑外立面的热辐射来衡量外窗得热结果。故把空调和采暖时段的立面热辐射差值作为划分立面遮阳区域的依据。

3.2 划分立面遮阳区域的过程

把建筑立面划分为多个小网格，对每个网格分别求解空调和采暖时段的辐射值，统计辐射差值反映到立面上，作为划分遮阳区域的参考。在Ladybug辐射计算的基础上使用Grasshopper统计空调和采暖时段立面各个区域热辐射的差值。分析逻辑如图3。

图3 立面空调时段和采暖时段的辐射差计算逻辑

3.3 不同立面区域的遮阳设计策略

根据空调和采暖时段的辐射差把立面分为两类遮阳区域。若立面区域的辐射差为正值（空调时段热辐射量远大于采暖时段热辐射量），则该区域适用几乎所有的遮阳措施。若辐射差为负值，设计遮阳时应避免挡住冬季有利热辐射的来源，重点遮挡夏季的热辐射来源方向。

以合肥某产业园改造为例，项目包括四栋6层厂房，改造后作为办公楼使用，南向窗墙比约为0.35，需设置遮阳措施来改善靠窗区域夏季舒适度，计算立面不同区域的空调与采暖时段的热辐射差值，结果如图4所示。

图4 立面空调和采暖时段辐射差分布图

可知：东南侧建筑的东南立面1～5层、西南侧建筑的南立面1～4层区域（图中红色区域）由于冬季被遮挡无日照得热，夏季长期受直射日照，夏季得热大于冬季得热，需重点设计遮阳，由于冬季被周边建筑遮挡没有日照辐射，所以遮阳元素无需顾忌冬季日照角度，所有遮阳元素都适用；项目西北角、东北角建筑的南立面，东南角建筑的西南侧立面，西南角建筑南立面的5～6层（图中绿色区域）冬季辐射得热增益大于夏季辐射不利因素，设计遮阳时需避让冬季日照轨迹，保留冬季日照辐射得热的优势，适用活动百叶遮阳、水平出挑遮阳板等措施。

4 匹配造型元素的遮阳设计要素优化

划分好立面遮阳的区域后，需要对立面遮阳元素进行设计。常见的遮阳元素包括百叶、穿孔板、水平出挑、垂直出挑、凸出的造型元素等。对造型元素进行正向的遮阳设计优化，可以在改善造型的同时获得一定的遮阳节能效果。

遮阳设计优化的重点在于挡住热辐射来源的方向，即寻找不利的热辐射方向并用造型元素遮挡热辐射的传播轨迹的过程。本文基于Sky Dome寻找不利辐射方向进行遮阳设计。

4.1 基于Sky Dome的遮阳设计优化方法

Sky Dome是三维的辐射分析模型，由水平角度刻度和半球形天空色块构成。水平方向的角度刻度线代表方向（0代表正北，平面上角度顺时针计算，90度就是正东，以此类推），半球形的天空网格模拟天空的不同方向。每个色块的色彩表示从天空这个朝向投射来的热辐射量。

图5 Sky Dome分析

Sky Dome是把天空划分为网格，求解每个网格辐射量的过程，故该模型也适用空调时段辐射-采暖时段辐射的计算逻辑。在Ladybug的Sky Dome分析的基础上，用Grasshopper计算空调和采暖时段各个朝向热辐射差的计算，并把结果分布到各个朝向上去。分析逻辑如图6。

图6 基于Sky Dome的各朝向辐射差分析逻辑

以合肥地区为例，采暖和空调时段各朝向的辐射差分布结果如下。观察辐射差的分布规律可知，辐射差最大的方向的分布规律和太阳移动轨迹相似。使用Grasshopper把Sunpath（太阳移动轨迹）叠加到辐射差分布的Sky Dome上，可以匹配出接近最不利辐射分布的轨迹。遮阳构造重点遮挡这个日照轨迹即可实现遮阳节能。

图7 接近最不利辐射分布的轨迹

4.2 基于Sky Dome的遮阳元素优化应用

以3.3节的产业园改造为例，项目中北侧两栋楼的南立面拟采用窗套作为造型元素，窗套的凸出部分具有遮阳的功能，可优化构件尺寸实现遮阳节能。

图8 立面窗套遮阳元素

根据3.3节的立面划分遮阳区域可知，项目北侧两栋楼的南立面设计遮阳时需要遮挡空调时段不利辐射同时尽量避免遮挡采暖季有利辐射。

提取合肥市不利辐射和有利辐射的分布趋势，简化为空调季不利辐射的方向轨迹和采暖季有利辐射的方向轨迹。设计窗套造型时，调节窗套的尺寸到完全遮挡住最不利辐射的来源方向，可以实现空调季有效的遮阳节能的效果；同时控制好窗套的尺寸，尽量不遮挡冬季有利辐射的来源方向，实现采暖季日照得热节能的效果。

图9 窗套凸出尺寸控制方式

为验证遮阳的节能效果，使用空调季辐射-采暖季辐射作为指标，选择一个房间对外窗窗套的遮阳效果进行评估。对比未遮阳和遮阳的辐射差，可知未设置遮阳时空调和采暖时段的辐射差接近-105kW·h/㎡，设置遮阳后窗户中间区域的辐射差降低到-150kW·h/㎡，进一步降低了夏季到达室内的热辐射，对全年节能有利。

图10 未设置遮阳（左图）和设置遮阳（右图）的空调时段和采暖时段辐射差

5 结语

本文从采暖和空调时段的确定、立面遮阳区域的划分、匹配造型元素的遮阳设计要素优化和评估三个方面简述了正向遮阳设计的过程。便于设计时将造型与遮阳节能结合起来，实现美观和节能的均衡。