基于太阳辐射模拟的外遮阳优化设计

杨晓龙

(浙江科技学院建筑工程学院，浙江杭州 310023)

出于外观效果的考虑，当前的很多建筑设计有较大的窗墙比，在获得良好外观和景观效果的同时也增加了夏季的室内得热，因此很多此类建筑采用了遮挡阳光的外遮阳系统。可调节外遮阳由于可以自由调节，实现在不同需求情况下对阳光的合理利用和分配，逐渐得到建筑师的青睐，但是由于经济上的因素，对其使用还是要避免盲目性，应根据实际需求合理调配。

1 项目概况

华中地区某高层办公楼建筑由一座圆柱形主楼和四周五座与主楼脱开的三层裙房组成，主楼与裙房之间由位于二层的连廊连接，如图1所示。这些连廊均采用了清透澄澈的全玻璃立面。建筑地处中纬度地区，太阳辐射季节性差别大，光照充足，年平均日照达到1 843 h，夏季酷热，因此业主方提出玻璃连廊不利于节能，建议加装外遮阳系统。设计单位提出了固定外遮阳的设计方案，遮阳设计公司提出了全可调节外遮阳的设计方案，业主方认为按照项目经验固定外遮阳适应度差，综合效果不佳，但连廊朝向不一，无需全部采用可调节外遮阳，提出南向部分外立面采用可调节外遮阳，其余连廊外立面采用固定外遮阳。综合各方面意见，认为均不完善，全部使用固定或可调节外遮阳固然从效果或经济性上有所不妥，但连廊存在主楼主体、主楼上部悬挑的装饰性构件和裙房的日照自遮阳效果，且连廊本身随裙房位置布置，无一处于正朝向，再者当地东西侧日照也很强烈，不能简单判定仅建筑南侧立面需要安装可调节外遮阳，最终决定采用模拟分析空调季太阳辐射得热量，来确定遮阳方案。

2 太阳辐射得热模拟分析

为了获得连廊立面遮阳系统的最优方案，计划分别模拟不设置遮阳系统和设置固定外遮阳条件工况下的立面表面太阳辐射得热情况，用以分析采用固定外遮阳的遮阳率，对于固定外遮阳不能满足遮阳要求的立面采用可调节外遮阳。

为方便表述，将连廊各立面编号如图1所示。使用模拟软件夏季外表面太阳得热量进行模拟分析。

2.1 无遮阳系统

图1 连廊平面图

图2 不设置遮阳系统的工况下的太阳辐射模拟

在不设置遮阳系统的工况下，各立面的夏季太阳辐射平均量自40 022 Wh/m2～88 529 Wh/m2不等，最高量在52 358 Wh/m2～101 081 Wh/m2不等，如图2所示。由于建筑体型复杂，主楼南侧又有悬挑很大的装饰性构件，自遮挡情况很难准确判断。和事先估计的完全不同，太阳辐射总量较大的为立面1，2，5，6，8这几个接近东西向的立面，而非南向的立面。

2.2 固定外遮阳系统1

在了解各立面夏季太阳辐射量的基础上，继续模拟采用固定外遮阳条件下的夏季太阳辐射量，分析固定外遮阳的遮阳效果。出于立面效果的考虑，采用了挑出立面300 mm的铝质遮阳板，垂直间距600 mm。经模拟发现综合遮阳率较低，夏季太阳辐射平均量仍有22 578 Wh/m2～51 346 Wh/m2不等，最高量在44 115 Wh/m2～89 194 Wh/m2不等，遮阳率大多在40%左右。遮阳率最高的立面8为56%，但是立面8的夏季太阳辐射平均量基础值较大，即使遮阳率较高，仍不能满足遮阳要求。遮阳率最低的立面9仅有27%，立面4为31%，这是由于这两个立面偏北，本身得到的夏季太阳辐射已经是在太阳高度角较低的情况下获得的，这种垂直密度的固定外遮阳对其起不到太大的遮挡作用。综合来看，采用这一遮阳方式的整体遮阳效果不佳，究其原因是由于遮阳板垂直间距过大，而建筑处于中纬度地区，夏季太阳高度角并不很大，因此较为稀疏的遮阳板不能有效遮挡阳光。

2.3 固定外遮阳系统2

事实证明，仅从立面效果角度出发设置遮阳板不能满足实际需要，因此随后又模拟了采用挑出立面300 mm垂直间距300 mm的遮阳板的情况，这样的遮阳形式与立面其他构件的模数关系一致，不破坏立面效果，同时能够达到更为有效的遮阳效果，是各方面都能够接受的遮阳形式。经过模拟分析，采用垂直间距300 mm的遮阳板后，各立面夏季太阳辐射平均量在18 720 Wh/m2～40 449 Wh/m2之间，最高量在36 243 Wh/m2～80 919 Wh/m2之间，遮阳率大多在50%左右。遮阳率最高的立面8达到67%，使其夏季太阳辐射量平均量从采用垂直间距600 mm的遮阳板时的31 177 Wh/m2降低到23 331 Wh/m2，已经处于可接受的范围内。立面4和立面9的遮阳率仍然明显低于其他立面，但是也有较大提高，且立面4和立面9的夏季太阳辐射平均量基础值本身较低，在采用了垂直间距300 mm的遮阳板后得热量已经较低，能够满足节能的要求，如图3所示。

图3 立面9在采用不同间距的固定外遮阳板情况下的表面太阳辐射模拟

3 外遮阳方案优化

经过模拟，证明原设计构思中采用挑出立面300 mm垂直间距600 mm的遮阳板不能满足遮阳的需要，采用挑出立面300 mm垂直间距300 mm的遮阳板后遮阳率有明显提升，因此固定外遮阳采用后一种方案。

其中立面3，4，9，10在不设置遮阳系统的情况下夏季太阳辐射量平均量在40 000 Wh/m2左右，设置固定遮阳后立面3，4的遮阳效率在50%左右，立面10的遮阳率达到59%，夏季太阳辐射量平均量降低到20 000 Wh/m2左右，立面9虽然遮阳率较低，但是夏季太阳辐射量平均量约22 000 Wh/m2，属于可接受范围，以上立面确定采用固定外遮阳。立面7，8在不设置遮阳系统的情况下夏季太阳辐射量平均量分别为56 547 Wh/m2和70 859 Wh/m2，但是固定外遮阳的遮阳率达到60%和67%，夏季太阳辐射量平均量降低到23 000 Wh/m2左右，遮阳效果较好，因此也拟采用固定外遮阳。

立面1，2，5，6的固定外遮阳遮阳率均在50%左右，不设置遮阳系统的情况下夏季太阳辐射量平均量均较高，最少的立面2也有68 298 Wh/m2，立面6甚至接近90 000 Wh/m2，设固定外遮阳后的夏季太阳辐射量平均量还有约30 000 Wh/m2～40 000 Wh/m2，因此立面1，2，5，6建议采用可调节外遮阳提高遮挡效果，以进一步减少室内夏季太阳辐射得热(见表1)。

表1 不同工况下的夏季太阳辐射量 Wh/m2

4 结语

在该建筑体型和朝向条件复杂的情况下，建筑外遮阳的遮阳效果很难进行直观判断，在设计中，通过夏季太阳辐射量模拟来分析不同遮阳形式的遮阳效果从而确定遮阳方案，既保证了节能效果，又将费用从超过400万元压缩到180万元左右，避免了资金的盲目投入和浪费，兼顾了节能率和经济性。由此可见，太阳辐射模拟是复杂条件下建筑外遮阳优化设计的得力工具。

［1］曹毅然，张小松，金 星，等.透过遮阳系统的室内太阳辐射得热量实验研究［J］.东南大学学报(自然科学版)，2009，39(6)：1169-1173.

［2］郝睿敏.上海地区公共建筑外遮阳设计探析［J］.山西建筑，2012，38(8)：211-212.

［3］LI Yunjiang，FAN Bo，TANG Xiaohu.Application of ecological simulation technology in the stage of architectural planning and design［J］.International Journal on Architectural Science，2011，8(4)：89-97.