基于能耗分析法对合肥地区办公建筑外遮阳形式及尺寸的研究

曹稳， 陈丽华， 张琴义， 吴伟东

（1.安徽科技学院，a.建筑学院；b.管理学院，安徽 蚌埠 233100；2.合肥工业大学建筑与艺术学院，合肥 230009）

0 引 言

到2020年我国建筑能耗将达到10.9亿t标煤[1]，占社会总能耗很大比重，建筑节能工作非常重要.目前，在我国节能计算也成为建筑设计工作中的必备环节[2].合理设置外遮阳可有效节约建筑能耗，在中高纬度区其已成为建筑节能的关键措施[3].

国外大多是从采光、自控等角度对外遮阳做系统的研究[4-5].国内有学者从建筑能耗的角度对外遮阳进行了研究，如李运江等[6]利用PKPM节能软件对武汉地区南向外遮阳的节能效果进行了研究.向俊米等[7]采用Ecotect软件对长沙地区居住建筑外遮阳进行了优化设计研究.肖先波等[8]对上海和湖州地区的外窗遮阳板深度做了研究.李雪等[9]采用Energyplus软件对长沙地区住宅建筑外窗遮阳系统进行了综合研究.陶求华等[10]对上海和厦门地区建筑的北向外窗遮阳设施进行了研究.陈丽华等[11]对合肥地区公共建筑外遮阳的形式做了定量的研究.

总体而言，现有研究大多是从采光、形式、倾角等方面对建筑外遮阳进行研究，很少从遮阳板尺寸的角度来定量研究其与建筑能耗的关系.基于此，文中以合肥为例，选取最基本的固定式外遮阳即水平式、垂直式、综合式、挡板式[12]分别研究.通过对不同尺寸遮阳板的能耗值进行计算，对比分析节能量，以期得到外遮阳板尺寸与建筑节能之间的关系.

1 模型信息

建立一个理想化的模拟计算模型 （图1），模型各方向功能、面积及窗墙比均相等，为便于对比研究，简化模型，仅保留主要办公空间.模型位于合肥地区（北纬 30°57′～32°32′，东经 116°41′～117°58′），点式建筑，纯框架结构，建筑层数为 3层，层高4.20 m，建筑面积3684.47 m2，体形系数为0.24，建筑体积为14839.37 m3，外表面积为3596.93 m2，窗墙面积比0.34，外窗尺寸均为4.8 m（宽）×2.7 m（高）.

图1 建筑模型平面

建筑外围护结构的主要构造做法及传热系数如下：

1）屋面：水泥砂浆保护层（20 mm）+SBS改性沥青卷材防水层（5 mm）+水泥砂浆找平层（20 mm）+石墨模塑聚苯板保温层（80 mm）+轻集料混凝土找坡层 （最薄处 30 mm）+钢筋混凝土结构层（100 mm）+水泥砂浆找平层（20 mm），传热系数0.44 W/m2K.

2）外墙：水泥砂浆保护层（20 mm）+石墨模塑聚苯板保温层 （30 mm）+煤矸石多孔砖结构层（200 mm）+石墨模塑聚苯板保温层 （20 mm）+水泥砂浆保护层（20 mm），传热系数0.64 W/m2K.

3）外窗：塑框Low-E中空节能玻璃（6 mm+12 A+6 mm)，传热系数2.00 W/m2K.

文献[13]中规定建筑物的东向、西向和南向外窗应采取遮阳措施，北回归线以南地区必要时对北向窗进行遮阳，而合肥地区位于北回归线以北.因此，下文在研究不同朝向外遮阳节能效果与尺寸的关系时，仅选择东、西、南三个方向.另外，为了使不同类型外遮阳的节能数据有较好的可比性，本研究对建筑模型做了二方面的设置：一是将不同形式和尺寸的遮阳板均设置为合肥地区最常用的金属材质[14]；二是在模拟计算时，仅研究影响建筑节能的主要尺寸参数，将其他次要参数尽量设置相同或设置为最常用数值.

2 模拟计算分析

文中利用节能计算软件PKPM对建筑模型进行能耗模拟，此软件已在全国多省市建筑节能领域应用，已成为评价建筑节能效果的主要依据.对不同尺寸遮阳板全年能耗值模拟计算后，从下面两方面进行对比分析：

1）同种遮阳形式下各朝向不同尺寸外遮阳节能量对比，分析建筑能耗与外遮阳板尺寸之间的关系，并研究外遮阳节能效率与尺寸的关系.

2）不同遮阳形式间节能量对比，分析不同朝向和不同形式遮阳板的节能效果对尺寸的敏感度.

文中采用以下两种方法来分析：①将设置不同朝向和尺寸外遮阳的建筑能耗值按遮阳形式分别列表，利于对比分析.②将不同尺寸外遮阳节能量以线状图形式分别绘制，便于直观的对比研究.

本次节能计算是以文献[15]为主要依据，有关参数如下：室内设计温度夏季为26℃，冬季为20℃，人均使用面积10 m2/人，电器设备功率为15 W/m2，空调新风量为30 m3/hp，照明功率为9 W/m2.建筑全年能耗包括空调和供暖耗电量两个方面，其计算公式[16]：

式（1）中：E 为全年供暖和空调总耗电量，（kW·h/m2）；EC为全年空调耗电量，（kW·h/m2）；EH为全年供暖耗电量，（kW·h/m2）.

另外，为了更直观的体现设置外遮阳的建筑节能效果，下文主要采用节能量这一指标来深入分析.

此处的节能量是以无外遮阳的全年能耗值为参照，将设置外遮阳的建筑能耗值与其对比，计算公式（2）：

式（2）中：WJ为全年总节能量，（kW·h/m2）；W 为无外遮阳全年总耗电量，（kW·h/m2）；WZ为设外遮阳全年总耗电量，（kW·h/m2）.

不同尺寸外遮阳建筑空调和供暖的全年能耗值见表1～表4，由公式(1)分析可知，无外遮阳建筑的全年能耗为142346.64 kW·h，而不同尺寸外遮阳的全年能耗均小于此值，故设置外遮阳可以节约建筑能耗.然而，不同尺寸遮阳板的节能效果不尽相同，对此下文将深入研究.

2.1 水平外遮阳

通过软件节能计算得到不同尺寸水平式外遮阳全年能耗值，见表1.

表1 不同尺寸水平式外遮阳建筑全年空调和供暖能耗

表1经过公式（1）和公式（2）计算可得不同朝向水平式外遮阳在不同尺寸时的建筑全年节能量，见图2.

图2 不同尺寸水平式外遮阳的建筑全年节能量

结合表1和图2可知，整体而言，合肥地区水平式遮阳板的节能量随尺寸的增大而变大.但南向遮阳板深度大于2.1 m时例外，其板深在2.1 m时，节能量为467.20 kW·h；板深2.4 m时，节能量为463.86 kW·h；板深 2.7 m 时，节能量为 446.68 kW·h，即南向遮阳板深度超过2.1 m后其节能量随尺寸的增大而变小.因此从节能的角度考虑，设置在南向的水平遮阳板深度不宜过大.进一步分析节能量随尺寸的变化图发现，节能量线型图的斜率不断变小，即建筑节能效率随着外遮阳板尺寸的增加而降低.另外，随尺寸的不断增加，不同朝向遮阳板节能量的增幅不同，即线状图的整体斜率不同，其中东向的增幅最大，西向和南向次之.

2.2 垂直外遮阳

经计算得到不同尺寸垂直式外遮阳全年能耗值，见表2.

表2由公式（1）和公式（2）计算可得不同朝向垂直式外遮阳在不同尺寸时的建筑全年节能量，见图3.

由图3可知，随外遮阳板尺寸的增大建筑总节能量也不断增大.当垂直遮阳板尺寸为2.7 m时，各个方向的节能量最大，分别为西向897.96 kW·h、东向943.38 kW·h、南向433.16 kW·h.进一步分析节能量随尺寸的变化发现，垂直式外遮阳节能量线型图与水平式的相似，其斜率均不断变小，说明建筑节能效率随着外遮阳板尺寸的增加而降低.另外，随尺寸的不断增加，不同朝向遮阳板节能量的增幅不同，即不同朝向遮阳板的节能效果对尺寸的敏感度不同，由大到小依次为：东向、西向、南向.

表2 不同尺寸垂直式外遮阳建筑全年空调和供暖能耗

图3 不同尺寸垂直式外遮阳的建筑全年节能量

2.3 综合外遮阳

通过软件节能计算得到不同尺寸综合式外遮阳全年能耗值，见表3.

表3 不同尺寸综合式外遮阳建筑全年空调和供暖能耗

表3经过公式（1）和公式（2）计算可得不同朝向综合式外遮阳在不同尺寸时的建筑全年节能量，见图4.

图4 不同尺寸综合式外遮阳的建筑全年节能量

由图4可知，综合式遮阳板的节能量随尺寸的增大而变大，当遮阳板尺寸为2.7 m时，各个方向的节能量最大，分别为西向2223.21 kW·h、东向2283.55 kW·h、南向 692.85 kW·h.对比图 2、图 3发现，综合式遮阳板的节能量比水平式、垂直式均大，说明综合式外遮阳更有利于建筑的节能.综合遮阳板节能量线状图与水平式、垂直式相似，随尺寸增大节能量线型图的斜率不断变小，即建筑节能效率随着外遮阳板尺寸的增加而降低；随尺寸的增加，不同朝向遮阳板节能量的增幅不同，其中东向的增幅最大，西向和南向次之，说明不同朝向遮阳板的节能效果对尺寸的敏感度不尽相同.

2.4 挡板外遮阳

经计算得到不同尺寸挡板式外遮阳全年能耗值，见表4.

表4 不同尺寸挡板式外遮阳建筑全年空调和供暖能耗

上表由公式（1）和公式（2）计算可得不同朝向垂直式外遮阳在不同尺寸时的建筑全年节能量，见图5.

图5 不同尺寸挡板式外遮阳的建筑全年节能量

由图5可知，挡板式遮阳板的节能量随尺寸的增大而变大，当遮阳板尺寸为2.7 m时，各个方向的节能量最大，分别为西向3800.98 kW·h、东向3751.59 kW·h、 南向836.29 kW·h.对比图2～图4发现，挡板式遮阳的节能量随尺寸变化的线状图其他遮阳形式有很大不同.首先，整体分析节能量线型图的斜率在变小，但变化幅度很小，即建筑节能效率随着外遮阳板尺寸的增加无明显降低.其次，不同朝向遮阳板节能量的增幅不同，其中东向和西向的增幅基本相同，南向最小.另外，线型图中有两个明显的拐点：一是东向遮阳板在0.3 m处，遮阳板在0.3 m内时其东向节能量线型图与南向基本一致，当遮阳板大于0.6 m后，其节能量线图与西向基本一致；二是南向遮阳板在2.4 m处，即遮阳板超过2.1 m时其节能量明显降低，在2.4 m处到最低点，之后回升.因此，就本模型而言东向挡板遮阳的尺寸不宜小于0.6 m，而南向挡板遮阳的尺寸不宜大于2.1 m.

2.5 不同形式外遮阳之间对比

综合以上分析发现：在外遮阳板参数相同的状况下，不同朝向遮阳板节能量线状图的整体斜率不同，其中东向最大，之后依次为西向、南向.节能量随尺寸变化线状图的整体斜率越大，则节能效果对尺寸越敏感，反之亦然.因此，不同朝向遮阳板的节能效果对尺寸的敏感度由大到小依次为：东向、西向、南向.

由图2～图5进一步研究发现不同遮阳形式节能量线状图的整体斜率也不尽相同.合肥是典型的夏热冬冷气候区城市，设置西向外遮阳可以节约建筑能耗，同时能改善室内热环境.因此，本文以西向外遮阳为例分析不同遮阳形式间的全年节能量随尺寸变化情况，见图6.

图6 不同形式外遮阳的建筑全年节能量

图6 显示合肥地区挡板式外遮阳节能量随尺寸变化图的整体斜率最大，之后依次为综合式、水平式、垂直式.故可得出：挡板外遮阳节能效果对尺寸变化最敏感，之后是综合外遮阳、水平外遮阳，而垂直外遮阳的节能对尺寸变化的敏感度最小.

3 结 论

利用节能软件PKPM对合肥地区无外遮阳建筑和各形式下不同尺寸的外遮阳建筑分别计算.通过对比不同尺寸外遮阳的总建筑节能量，最终得出几点结论：

1）合肥地区外遮阳板尺寸越大，越有利于建筑节能，但水平式南向遮阳板深度不宜过大，且挡板式遮阳板深度宜在一定的尺寸区间内.

2）在合肥地区随着遮阳板尺寸的增大，建筑节能的效率在降低.

3）不同朝向遮阳板的节能效果对尺寸的敏感度由大到小依次为：东向、西向、南向.

4）不同形式外遮阳节能效果对尺寸的敏感度不尽相同，由大到小依次为：挡板式、综合式、水平式、垂直式.

文中研究了合肥地区建筑节能效果与外遮阳板尺寸之间的关系，为建筑遮阳的节能研究提供一定的理论参考.然而，固定式外遮阳在影响建筑能耗的同时对采光、日照、通风等也有一定影响[17].对此，笔者将进一步的深入研究.