夏热冬暖地区基于性能模拟的新型电动格栅构件遮阳效果研究

刘璇，杜宏武

（华南理工大学 建筑学院，广东广州 510641）

0 引言

建筑遮阳是建筑一体化设计中不可缺少的重要部分，对室内舒适度、建筑节能有良好的促进作用。处于湿热地区的广州光热充足，夏季漫长，建筑制冷耗能巨大，通过建筑遮阳的处理，减少夏季空调的使用，可节约能源并提升热舒适度[1]；同时也能使外部光线更加均匀地照入室内，减少眩光，良好的自然光照条件使得人工照明使用频率降低，进一步减少耗能。良好、有效的建筑遮阳对生态环境和社会可持续发展均有较大的贡献[2]，在我国得到了积极的推广运用。本文主要针对夏热冬暖地区基于性能模拟的新型电动格栅构件遮阳效果进行研究。

1 研究背景

根据《公共建筑节能设计标准》的相关规定，位于夏热冬暖地区的建筑物应针对各个朝向的外窗实施遮阳措施。具体而言，东西朝向的外窗宜设置活动外遮阳，南向外窗则更宜采用水平外遮阳。同时，在设置遮阳构件时，还应考虑到建筑的通风需求和冬季日照条件[3]。

1.1 基本的建筑遮阳

基于建筑遮阳构件安装的位置，遮阳类型可以分为外遮阳、内遮阳和中间遮阳。根据美观及功能需求，可以选择在适合位置安装遮阳构件。基于遮阳构件遮挡阳光的方向可以分为水平式、垂直式、综合式、挡板式四种方式[4]（图1）。从光线照入的角度看，水平式遮阳的遮阳综合效果优于垂直式；挡板式遮阳虽然效果好，但对于光线射入有较大影响。现代建筑多通过综合式的遮阳方式，来保证遮阳、光照、美观的多方面统一。

图1 建筑遮阳的基本形式[5]

图2 新型电动格栅构件不同形态示意图

图3 不同遮阳工况的Ecotect建模效果

图4 不同遮阳工况太阳入射辐射强度模拟图

图5 各工况建模效果

图6 各工况太阳辐射与区域理想负荷室外空气总制冷量折线图

许多学者围绕各类型基本遮阳构件的遮阳效果差异展开了研究。舒平等[2]对深圳地区水平和垂直遮阳构件的最佳尺寸间距做出研究，指导建筑外立面的深化设计；陈丽华等[6]对比分析夏热冬冷地区水平、垂直、综合、挡板和百叶5种外遮阳形式的建筑节能数据，认为百叶外遮阳节能效果最好。但是对于夏热冬暖地区新型建筑遮阳构件的性能研究还不够充分。

1.2 新型遮阳设施

随着建筑遮阳的普遍应用、技术的不断成熟和设计要求的提高，根据不同需要出现了许多新型的遮阳设施。智能遮阳控制系统通过太阳辐射、风速、温度等传感器收集的数据，对建筑物不同朝向和不同楼层的各类遮阳产品的状态进行统一调度和调整；中空百叶窗将百叶放置在中空玻璃的空气间层，可手动或电动调节百叶的开闭和旋转，达到遮阳的目的并节省使用空间；光电一体化遮阳将光伏电池组件集成到建筑的天窗、幕墙等构件上使用，实现太阳能光热和光电的综合利用，并达到遮阳的目的。

除此之外，还有许多新型遮阳设施不断涌现，以满足人们对舒适、节能和美观的需求，遮阳系统智能化也是今后的一大发展方向[7]。在这个领域中，新型电动格栅构件作为一种创新的遮阳解决方案引起广泛关注。该遮阳构件采用外遮阳，安装于玻璃窗之外，通过上下两个固定的滑轨，可以电动控制格栅的位置，以适应不同阶段的遮阳及视野需求。在夏季炎热且太阳照射强度较大时，可以将其全部关闭，以追求最好的遮阳效果；在遮阳需求较小时，可以将其全部打开，格栅收拢在墙的边界上，同时形成垂直遮阳构件，提供一定的遮阳效果。同时由于其格栅的形式，在立面上也有不错的视觉表现效果。

2 模型建立

广州地区夏季太阳高度角较高，对立面直射较强，需要考虑水平遮阳构件；新型遮阳构件可以灵活控制格栅的位置达到不同的遮阳效果。模拟选择广州地区4月1日中午12点的气候条件；同时对房间、门窗、遮阳构件的尺寸作出设定，具体情况如下：房间以广州某公共建筑的一个房间为原型——长6 m，宽4.5 m，层高3 m，有南向大窗1.8 m*4.5 m，北面有小窗；遮阳构件的格栅尺寸为30 mm，间隔70 mm。

基于常规遮阳方式以及新型电动格栅构件遮阳方式，通过包括无遮阳在内的10种工况来模拟计算，对比分析各种遮阳方式的效果。

表1 遮阳模拟工况表

3 建筑遮阳模拟分析

3.1 基于Ecotect的性能模拟

选取该设计空间作为模拟样本，使用Ecotect软件进行太阳入射辐射强度分析和采光系数分析，通过这两个指标来表现各个遮阳方式的遮阳效果。

3.1.1 太阳入射辐射强度计算分析

由模拟结果（表2）可知，在南向窗户没有加任何额外遮阳措施的情况下，太阳入射辐射平均值达到676230.06 Wh。增加普通遮阳构件，在南向窗增加1.0 m水平板之后，太阳入射辐射平均值降至388493.41 Wh，降低一半左右，说明水平板对太阳入射辐射影响十分显著；增加1.5 m垂直板后，太阳入射辐射值仅降低6.86%，降幅不明显，遮阳效果不显著；增加挡板后，太阳入射辐射值仅有169076.53 Wh，由于挡板将整个窗面完全遮盖，将大部分光照和太阳入射辐射阻挡在外部，虽然遮阳效果显著，但外部景观也被完全遮挡。

表2 太阳入射辐射强度计算表

使用电动格栅进行遮阳，当格栅全部关闭，太阳辐射降低161014.87 Wh，降幅明显，但遮阳效果差于水平板遮阳；关闭1/2时，稍有降低；当全部打开时，如同垂直遮阳，遮阳效果稍优于垂直板遮阳，但结果较为接近。

3.1.2 光照强度计算分析

由模拟结果（表3）分析可知，在南向窗户未加任何额外遮阳措施的情况下，采光系数为9.39%。增加普通遮阳构件，在南向窗增加1.0 m水平板之后，采光系数降至7.89%，降低约16%，证明水平板对采光系数有影响；增加1.5 m垂直板与增加的电动格栅全部打开的结果接近，差别依然不明显；使用综合式遮阳构件后，采光系数降低幅度较大，相比于单独的遮阳方式，对光照的影响更大。

表3 采光系数计算表

3.1.3 综合分析

将太阳入射辐射与光照强度进行叠加分析可知，采光系数与太阳入射辐射变化趋势也是基本一致的，当采用各种遮阳措施后，窗口的太阳入射辐射减少的同时，对应房间内的采光系数也会相应减少。整体上的遮阳效果：挡板遮阳＞综合式遮阳＞1.0 m水平板遮阳＞电动格栅遮阳＞1.5 m垂直板遮阳。

由于挡板遮阳的遮挡性极强，对于光照的引入和景观观赏有很大不利，可以应用于对遮阳需求强烈且对光照及造型要求不是很高的场所中。综合式遮阳主要借助水平板遮阳的强有力效果，同时电动格栅遮阳通过可以调节的方式满足不同场景下的需求，并且形成丰富的立面变化。采用垂直板虽然对房间的采光系数影响最小，但是对太阳入射辐射的减少量也最小，因此单独采用垂直板遮阳，综合效果没有水平板和综合式遮阳好。

3.2 基于Energyplus的性能模拟

建模借助SketchUp的插件Open Studio Plug-in，构建模拟运行所需要的几何模型。通过EnergyPlus软件进行区域理想负荷室外空气总制冷率分析，该指标可以反映通过遮阳降低能耗的程度。制冷需要的能量越多，耗能越大；降低程度越大，则减小耗能越成功。

由表4中的模拟结果分析可知，在南向窗户没有加任何额外遮阳措施的情况下，区域理想负荷室外空气总制冷量为8380.928 kW。增加普通遮阳构件，在南向窗增加1.0 m水平板之后，总制冷量仅降低5.78%，仅次于垂直板遮阳，表明水平板对建筑节能的促进作用不明显；1.5 m垂直板最低。由于设置水平板和垂直板之后，窗口整体依然处于一种开放状态，会使热空气向内渗透，室内冷空气外溢，故而节能效果不明显。

表4 区域理想负荷室外空气总制冷量计算表

设置格栅遮阳构件后，总制冷量大幅降低，格栅全部关闭时的效果在所有遮阳形式中最好，使总制冷量降低了30.41%。这是由于遮阳格栅在固定于窗户上的滑轨上移动，与窗面的距离较近，可以阻挡内外的冷热空气交换，使室内的冷空气更久地停留，从而使得总制冷量降低。使用水平板和遮阳格栅结合的综合式遮阳优于单个遮阳方式，使得区域理想负荷室外空气总制冷量降低效果更加明显，节能效果更好。

3.3 软件综合分析

从使用Ecotect模拟分析的太阳入射辐射和采光系数的结果图表可以看出，单一遮阳形式中水平板遮阳方式最为有效，可以大幅减少太阳入射辐射，当可以接受对采光的影响时，是一种最优的遮阳方式。从使用Energyplus模拟分析的区域理想负荷室外空气总制冷量结果图表可以看出，新型电动格栅遮阳构件对建筑节能的促进作用最为明显，可以使能耗大幅降低，但此时，水平遮阳的效果却不明显。综合两者共同模拟分析的结果，可以同时使用水平板与电动格栅，这种综合遮阳的方式在上述三个指标的模拟中都对实验结果有积极的作用，两者结合，可将遮阳节能的效果最大化。

4 结论与讨论

合理有效的遮阳方式不仅能节约大量能源，同时也给空间使用者带来更高的热舒适度和良好体验。本文通过软件模拟计算太阳入射辐射和采光系数来分析不同工况的遮阳效果、计算区域理想负荷室外空气总制冷分析其节能效果，研究结论如下：

1）针对南向窗户，在单一遮阳方式中：水平板对太阳入射辐射影响十分显著，同时对采光影响适中，但其在节能效果上表现较差；垂直板对采光影响最小，但其在遮阳和节能的效果上均劣于其他形式；挡板的遮阳和节能效果较好，但其对采光和景观的影响较大，同时在美观性上有所缺失；

2）单独使用电动格栅构件时，可以根据阳光变化和个人需要对格栅进行灵活调节，完全打开时效果接近垂直板遮阳，完全关闭时效果接近挡板遮阳，但有更佳的视觉效果；

3）使用水平板与新型电动格栅构件的综合形式进行遮阳，可以发挥水平板对太阳入射辐射的良好阻挡作用，同时通过控制电动格栅的展开程度，降低空气总制冷量，使得建筑遮阳效果和节能效果最大化。

实际效果依然需要大量设计研究和实证分析，不同的空间也会有不同的遮阳需求，可以根据具体情况合理选择。但通过本次模拟，希望能够为夏热冬暖地区的遮阳设计提供可行的方案，共同促进环境的可持续发展。