夏热冬暖地区外遮阳建筑节能设计探讨
摘要:佛山市地处南亚热带,属典型的亚热带季风海洋气候，夏季漫长，太阳辐射强烈，传统建筑普遍采用遮阳、通风等手段改善室内热环境。本文对建筑不同遮阳形式下的节能率分析，并提出了适用于夏热冬暖地区地区的外遮阳设计方法，同时探讨了与外遮阳相关的采光、通风等问题。
关键词:夏热冬暖地区，外遮阳，建筑节能
0引言
佛山地区经济普遍发达，近年来人们对居住环境舒适性的要求又在逐渐提高，在漫长的夏热季节普遍使用空调降温。然而近年来大量的民用建筑特别是住宅受到建筑简约主义思潮的影响，对于本来能够发挥巨大节能潜力的建筑遮阳技术的应用冲击甚重，片面地追求建筑的通透艺术和室内观景功能需要，无遮阳的大玻璃窗建筑立面比比皆是，屋面受到强烈日照导致防热防水保护层热裂、渗漏的现象层出不穷，该地区的民用建筑特别是住宅夏季室内温室效应加剧，热环境质量恶化，为降温而投入的空调能耗巨大。研究表明，该地区居住建筑空调能耗约为7.9kW•h/m2，每年空调期从5～9月约150d，空调普及率按面积算约占70%，空调用电约占住户用电的40%。外遮阳是建筑节能的有效途径，国内多位专家学者推崇在南方地区使用。良好的外遮阳设计既能节能，又能调节室内光线分布，还可以丰富建筑立面；外遮阳是夏季隔热最有效的措施，它反射和吸收了大部分的太阳热能，避免太阳辐射热直接进入室内空间，有利于防止室温升高和波动，达到节能目的。
我国颁布的建筑节能设计标准中，提供了外遮阳的遮阳系数计算方法，该方法所用参数是通过多次能耗分析结果拟合而来，该方法可以通过输入几种常见外遮阳形式的外形尺寸便捷地计算得到外遮阳系数，但使用该方法只能计算固定遮阳，且遮阳形式远远不能满足实际工程需要。中国建筑科学研究院开发的建筑外遮阳设计分析软件(ShadePlus)与国家标准图集相配合(其选形界面见图1所示)，实现了活动外遮阳的动态计算，并结合DOE-2进行能耗分析，同时提供了大量的外遮阳形式，是建筑师进行外遮阳的设计、节能分析的优秀软件工具。
1居住建筑外遮阳节能性能分析
选定一栋未采用外遮阳措施的佛山地区典型新建多层节能住宅建筑作为研究对象，对该建筑布置不同形式外遮阳并进行能耗分析，从而得出外遮阳形式对节能率的影响。住宅只是用来分析采用不同外遮阳形式下的节能率大小，建筑能耗的绝对值并不代表佛山地区的典型住宅能耗值。经过分析计算，该建筑满足《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》(JGJ75-2003)的要求，节能率为53.35%。
佛山地区住宅建筑能耗主要为空调制冷能耗，所以有必要了解围护结构全年冷负荷组成。使用ShadePlus的建筑负荷分析功能，可以方便地得到该建筑模型在没有采用外遮阳设施下的围护结构冷负荷分布（见图1）。分析结果表明，外窗热辐射占围护结构全年冷负荷一半以上。
分别对固定水平外遮阳、活动水平外遮阳、固定百叶外遮阳和活动百叶外遮阳进行能耗分析，分析结果见表1。其中，固定水平外遮阳挑出长度为0.6m，与墙体垂直。活动水平外遮阳在1月、2月和12月收起。固定百叶外遮阳倾角45°，布满外窗。智能百叶外遮阳在4～11月根据太阳高度角自动调节，可以遮挡全部太阳直射辐射；其余月份让全部太阳直射辐射进入室内，以满足自然采光要求。表格中的南向表示仅在南向布置外遮阳。
分析结果表明，采用固定水平外遮阳，节能率最高可达58.82%，南向遮阳效果最佳，仅南向布置遮阳节能率为57.15%；采用活动水平外遮阳，节能率最高可达59.20%，南向遮阳效果最佳，仅南向布置遮阳节能率为57.64%；采用固定百叶外遮阳，节能率最高可达66.40%，南向遮阳效果最佳，仅南向布置遮阳节能率为60.33%；采用活动百叶外遮阳最为节能，节能率最高可达72.67%，南向遮阳效果最佳，仅南向布置遮阳节能率为63.34%，其次为北向，仅北向布置遮阳节能率为60.38%。
2办公建筑外遮阳节能性能分析
选定一栋未采用外遮阳措施的小型新建办公建筑作为研究对象，对该建筑布置不同形式外遮阳并进行能耗分析，从而得出外遮阳形式对节能率的影响。办公建筑只是用来分析采用不同外遮阳形式下的节能率大小，建筑能耗的绝对值并不代表佛山地区的典型办公建筑能耗值。经过分析计算，该建筑满足《公共建筑节能设计标准》(GB50189-2005)的要求，节能率为51.66%。与住宅建筑相似，办公建筑的主要能耗亦为空调制冷能耗。使用ShadePlus分析得到该建筑模型在没有采用外遮阳设施下的围护结构冷负荷分布。分析结果表明，外窗辐射得热占围护结构全年冷负荷60%以上。采用与上述住宅建筑相同的分析方法，得到不同外遮阳形式下的能耗分析结果(见表2)。外遮阳尺寸、活动控制方式均同上述住宅建筑。
分析结果表明，采用固定水平外遮阳，节能率最高值为52.87%，南向遮阳效果最佳，仅南向布置遮阳节能率为52.49%；采用活动水平外遮阳，节能率最高值为53.22%，南向遮阳效果最佳，仅南向布置遮阳节能率为52.58%；采用固定百叶外遮阳，节能率最高值为54.24%，南向遮阳效果最佳，仅南向布置遮阳节能率为52.85%；采用活动百叶外遮阳最为节能，节能率最高可达57.26%，南向遮阳效果最佳，仅南向布置遮阳节能率为54.83%，其次为北向，仅北向布置遮阳节能率为53.38%。
3外遮阳设计方法
早期的建筑(20世纪50～80年代)分布比较普遍，建筑建设量和标准均比较低，但在设计和科研人员的共同努力下，仍然做出了很多适合佛山地区气候特征的建筑窗口遮阳防热设计的研究和应用，如各种遮阳构造、花格墙等遮阳手段，即有防雨防晒功能，又起到了一定的装饰效果。20世纪80年代以后，华南地区大量的民用建筑特别是住宅受到欧洲和北美等国家建筑简约主义思潮的影响，几乎全面取消了遮阳构造和花格墙。随着我国建筑节能事业的开展，佛山地区的遮阳设计重新得到建筑师的重视。新材料、新颖的外遮阳形式，与建筑造型完美地结合起来。利用阳台、雨棚作为水平遮阳构件是最常用的形式，结合百叶外遮阳、活动遮阳等组成综合遮阳系统，达到更好的节能效果，丰富建筑立面效果，如图2所示。而计算机技术的发展为遮阳设计提供了更加科学的依据。ShadePlus采用了见图3所示的设计步骤。该设计方法同样适用于佛山地区。
4外遮阳设计相关问题探讨
建筑外遮阳对于天然采光有两方面的影响：一方面，外遮阳措施会减低室内照度水平；另一方面，外遮阳可以阻挡直射阳光进入，或将其转化为比较柔和的漫射光，避免眩光直射工作面，从而满足人们对照明质量的要求，减少日间人工照明的能耗。因此，如何趋利避害是外遮阳设计要考虑的重要问题。通常，外遮阳对自然通风有一定的阻挡作用，如果设置不当，会使室内风速减弱22%～47%。而设计良好的外遮阳会对建筑通风起到一定的引导作用。外遮阳可能对视线造成遮挡，因此，一般来说应慎用单纯的挡板式遮阳。在外遮阳设计中考虑其对视线的遮挡，还需分析建筑物的功能要求、居住者的生活习惯等，以恰当地使用外遮阳技术。
5结论
(1)对原节能率为53.35%的多层居住建筑，采用固定水平外遮阳节能率为58.82%；采用活动水平外遮阳节能率为59.20%；采用固定百叶外遮阳节能率为66.40%；采用活动百叶外遮阳最为节能，节能率可达72.67%。南向采用外遮阳效果最佳。
(2)对原节能率为51.66%的小型办公建筑，采用固定水平外遮阳节能率为52.87%；采用活动水平外遮阳节能率为53.22%；采用固定百叶外遮阳节能率为54.24%；采用活动百叶外遮阳节能率可达57.26%。南向采用外遮阳效果最佳。
(3)外遮阳设计应该综合考虑节能、采光、通风、视线等因素。