建筑外遮陽(yáng)的設(shè)計(jì)方法研究

建筑外遮陽(yáng)的設(shè)計(jì)方法研究

0建筑外日照時(shí)數(shù)對(duì)建筑運(yùn)行能耗的影響20世紀(jì)初，萊特率先將太陽(yáng)幾何引入建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域。在他的成名作中,賴特根據(jù)當(dāng)?shù)卮悍?、秋分等特定時(shí)間的太陽(yáng)高度角以及各個(gè)房間對(duì)陽(yáng)光的需求設(shè)計(jì)成了錯(cuò)落有致、深淺不一的挑檐,這些造型舒展的挑檐不僅成就了享譽(yù)世界的草原風(fēng)格,而且創(chuàng)造了現(xiàn)代遮陽(yáng)設(shè)計(jì)的先河。建筑外遮陽(yáng)具有降低夏季室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷、減低冬季通過(guò)窗戶的熱損失緩解室內(nèi)自然采光中的眩光問(wèn)題和改善室內(nèi)熱環(huán)境舒適感的作用,因此,建筑外遮陽(yáng)的設(shè)計(jì)與室內(nèi)采光和通風(fēng)效果緊密相關(guān)。重慶屬于夏熱冬冷地區(qū),其氣候特點(diǎn)決定了建筑的遮陽(yáng)與隔熱的良好設(shè)計(jì),對(duì)降低建筑夏季的運(yùn)行能耗具有非常重要的作用。但因受建設(shè)周期、開發(fā)商意愿、建筑師設(shè)計(jì)理念等因素的制約,當(dāng)建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)與建筑美學(xué)、經(jīng)濟(jì)投入發(fā)生矛盾時(shí),往往選擇犧牲建筑外遮陽(yáng)的功能性,這不但對(duì)降低建筑運(yùn)行能耗不利,更影響建成后建筑的室內(nèi)舒適性。本文以重慶某辦公建筑為例,探討重慶地區(qū)公共建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)的方法。1建筑外日照時(shí)數(shù)的仿真模擬建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)的目的是:夏季,有效遮擋進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射,降低空調(diào)能耗;過(guò)渡季節(jié),能實(shí)現(xiàn)良好的自然通風(fēng);冬季,保證室內(nèi)舒適性要求的自然采光,降低采暖能耗和照明能耗。結(jié)合建筑美學(xué)與經(jīng)濟(jì)成本的要求,本文認(rèn)為重慶地區(qū)建筑外遮陽(yáng)的設(shè)計(jì)應(yīng)充分利用仿真分析的技術(shù)手段,并按如下思路進(jìn)行:(1)基于建筑方案,對(duì)建筑各個(gè)朝向的典型位置在典型日(夏至日和冬至日)進(jìn)行日晷圖仿真模擬,確定需要設(shè)置建筑外遮陽(yáng)的主要位置;(2)結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),利用仿真模擬手段,分析不同外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)方案的遮陽(yáng)效果;(3)結(jié)合建筑美學(xué)與經(jīng)濟(jì)投入等因素,確定最優(yōu)的建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)方案。2重慶雨棚設(shè)計(jì)的外裝飾案例分析2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)與目標(biāo)該項(xiàng)目由摩托車研究大樓、汽車研究院和技術(shù)中心3部分組成,總建筑面積為90924.79m2。設(shè)計(jì)目標(biāo)是獲得“美國(guó)能源與環(huán)境設(shè)計(jì)先鋒獎(jiǎng)LEED”金獎(jiǎng)和“中國(guó)綠色建筑三星獎(jiǎng)”。由于項(xiàng)目所在地的主要交通干道的朝向等因素制約,建筑主朝向?yàn)闁|西向,這對(duì)建筑節(jié)能不利,同時(shí)對(duì)建筑外遮陽(yáng)的設(shè)計(jì)提出了必要的要求。2.2確定建筑物外的防護(hù)配置位置2.2.1建筑遮遮分析根據(jù)建筑的構(gòu)造,對(duì)建筑的整體進(jìn)行夏季遮陽(yáng)分析,如圖2、圖3所示。根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)行軌跡圖以及建筑夏季典型日(夏至日)的遮陽(yáng)分析,可知建筑的遮擋情況為:(1)東、西、南為主要受陽(yáng)面,且西立面建筑結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,樓層間的遮擋現(xiàn)象不明顯,因此夏季受太陽(yáng)輻射大;(2)北面受太陽(yáng)輻射較弱,且建筑結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。為準(zhǔn)確得出建筑夏季遮陽(yáng)和冬季采光情況,下面將對(duì)建筑的西立面進(jìn)行夏季遮陽(yáng)分析和冬季采光分析。2.2.2建筑構(gòu)造分析根據(jù)上述對(duì)建筑冬夏季的太陽(yáng)運(yùn)行軌跡運(yùn)行圖和根據(jù)夏至日和冬至日的陰影圖分析,結(jié)合建筑的構(gòu)造以及朝向,將建筑的西立面進(jìn)行遮陽(yáng)和采光分析,見圖4。該設(shè)計(jì)中以西向作為建筑的主朝向,且采用了大面積的玻璃幕墻,因此尤其應(yīng)注重遮陽(yáng)設(shè)施的選用,遮陽(yáng)形式以建筑構(gòu)件外遮陽(yáng)為主(著重于垂直遮陽(yáng)的設(shè)計(jì)),輔以內(nèi)遮陽(yáng)百葉、種植室內(nèi)植物起到遮陽(yáng)效果。2.3面的遮能力的確定根據(jù)仿真模擬結(jié)果,認(rèn)為建筑西立面的遮擋情況是影響建筑室內(nèi)能耗、采光等的主要立面,本文以西立面為例,說(shuō)明建筑外遮陽(yáng)尺寸確定的方法。2.3.1采用垂直避陽(yáng)的建筑模型以center-4f的一面窗戶為例,用ECOTECT軟件模擬,如圖5、圖6。2.3.2遮陽(yáng)板及被遮陽(yáng)板的布置情況建立模型分別模擬夏至日和冬至日,西立面在無(wú)遮擋和遮陽(yáng)板挑出寬度為300mm、400mm、500mm、600mm等5種情況下的太陽(yáng)輻射遮擋情況,詳見表1。2.3.3外外墻遮濕性仿真計(jì)算時(shí)間段:夏至日(6月21日)12:00-18:00,西立面窗戶的輻射熱量累計(jì)值。計(jì)算結(jié)果處理:外遮陽(yáng)系數(shù)SD是建筑物玻璃幕墻有外遮陽(yáng)設(shè)施時(shí)透入室內(nèi)的輻射熱量與在相同條件下無(wú)外遮陽(yáng)設(shè)施時(shí)透入的室內(nèi)輻射熱量的比值。以水平挑出寬度300mm為例,該外窗外遮陽(yáng)系數(shù)仿真計(jì)算結(jié)果如圖7。根據(jù)仿真模擬計(jì)算結(jié)果可知,在水平挑出寬度分別為0mm、300mm、400mm、500mm、600mm5種情況下,“西立面該外窗綜合遮陽(yáng)系數(shù)SC”如表2所示。3建筑西立面戶日照時(shí)數(shù)本文針對(duì)垂直固定外遮陽(yáng)條件下,挑出長(zhǎng)度分別為300mm、400mm、500mm和600mm時(shí),對(duì)建筑西立面窗戶夏至日、冬至日的遮陽(yáng)情況進(jìn)行了模擬分析。得出如下結(jié)論。3.1板對(duì)戶的遮遮率遮擋效果:14:00-16:00,垂直固定遮陽(yáng)板對(duì)窗戶的遮擋率在15%~20%之間;16:30-19:00,垂直固定遮陽(yáng)板對(duì)窗戶的遮擋率在40%左右?？芍?由于夏至日太陽(yáng)方位角方向與建筑西立面法線近于平行,垂直固定遮陽(yáng)板對(duì)窗戶的遮擋率與遮陽(yáng)板的挑出長(zhǎng)度不具有相關(guān)性。外遮陽(yáng)系數(shù):從圖8可知,通過(guò)不同挑出長(zhǎng)度外遮陽(yáng)的輻射熱量計(jì)算(選擇最不利工況:夏至日,12:00-18:00)?？芍?當(dāng)挑出長(zhǎng)度為300mm時(shí),外遮陽(yáng)系數(shù)為0.745;當(dāng)挑出長(zhǎng)度為400mm時(shí),外遮陽(yáng)系數(shù)為0.701。3.2遮陽(yáng)板長(zhǎng)度對(duì)太陽(yáng)x射線衍射的影響如圖9所示,在冬至日,建筑西立面窗戶遮擋率100%(即被完全遮擋,無(wú)法接受到太陽(yáng)直射)的累積時(shí)間,隨遮陽(yáng)板挑出長(zhǎng)度的增加而增加?？芍?建筑西側(cè)房間的日照時(shí)間隨遮陽(yáng)板挑出長(zhǎng)度的增加而減少,當(dāng)挑出長(zhǎng)度為300mm、400mm時(shí),均能保證建筑西側(cè)房間冬季2小時(shí)的日照時(shí)間。3.3垂直固定遮陽(yáng)板的選擇根據(jù)表2可知,在5種情況下,當(dāng)水平挑出寬度為300mm、400mm和500mm時(shí),建筑外遮陽(yáng)的綜合遮陽(yáng)系數(shù)分別為0.22、0.21和0.20,均符合《重慶市公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于建筑外遮陽(yáng)在夏季的綜合遮陽(yáng)