大空間建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)及遮陽(yáng)效果實(shí)測(cè)分析以太原南鐵路客運(yùn)站為例

黃艷雁，王晶晶，張 輝

（1湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430068；2華中科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，湖北武漢 430074）

大空間建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)及遮陽(yáng)效果實(shí)測(cè)分析以太原南鐵路客運(yùn)站為例

黃艷雁1，2，王晶晶1，張 輝1，2

（1湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430068；2華中科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，湖北武漢 430074）

在建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)中，科學(xué)合理的采用遮陽(yáng)技術(shù)對(duì)于建筑的自然采光，控制太陽(yáng)輻射熱量和減少空調(diào)負(fù)荷具有積極意義。以太原南客運(yùn)站為例，結(jié)合區(qū)域氣候特征和建筑自身造型設(shè)計(jì)提出了建筑外遮陽(yáng)的思路與方法，并通過(guò)實(shí)測(cè)對(duì)遮陽(yáng)效果進(jìn)行了分析。

大空間建筑；遮陽(yáng)效果；實(shí)測(cè)

外遮陽(yáng)可以反射或吸收大部分的太陽(yáng)能，避免太陽(yáng)輻射熱直接進(jìn)入室內(nèi)，從而防止室內(nèi)溫度升高與波動(dòng)，降低空調(diào)設(shè)備的使用量，達(dá)到建筑節(jié)能的目的［1］。本文以太原南站為例，通過(guò)實(shí)測(cè)對(duì)遮陽(yáng)效果進(jìn)行了分析，為建筑的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)和節(jié)能設(shè)計(jì)提供更多參考和借鑒。

1 建筑遮陽(yáng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

1.1 建筑遮陽(yáng)的概念

以減少太陽(yáng)直接輻射熱進(jìn)入室內(nèi)為主要目的的隔熱、防熱措施稱為建筑遮陽(yáng)。通常提到建筑遮陽(yáng)嚴(yán)格地說(shuō)應(yīng)該稱為建筑遮陽(yáng)系統(tǒng)［2－3］。建筑遮陽(yáng)系統(tǒng)是與遮陽(yáng)有關(guān)的建筑構(gòu)件、配件以及建筑布局綠化等要素共同作用，相互補(bǔ)充的一個(gè)完整系統(tǒng)。

建筑遮陽(yáng)系統(tǒng)涉及范圍復(fù)雜，廣義上，建筑布局、朝向、風(fēng)向、氣象、日照、植被等一系列建筑外環(huán)境的設(shè)置，都蘊(yùn)藏著建筑遮陽(yáng)因素；建筑圍護(hù)構(gòu)件如墻體、屋面等也都有遮陽(yáng)效果。狹義上，遮陽(yáng)主要指采光口、建筑物出入口等外墻開(kāi)洞部分的隔熱、防熱設(shè)施。

1.2 建筑遮陽(yáng)方式的類型

現(xiàn)代建筑體型各異，材料多樣，技術(shù)先進(jìn)，所以能夠選用很多不同的建筑遮陽(yáng)方式，每種遮陽(yáng)方式都有其自身的特點(diǎn)，“橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同”。按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，建筑遮陽(yáng)方式就有不同的分類方法［4］，按遮陽(yáng)元素屬性可以分為以下四類。

1）建筑形體遮陽(yáng)方式。建筑的形體是多變的，也正是多變的建筑形體為建筑遮陽(yáng)提供了可能。建筑形體遮陽(yáng)是通過(guò)建筑群的緊密與建筑自身的凹凸關(guān)系產(chǎn)生陰影實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)的遮陽(yáng)方式，包括兩種類型：互遮陽(yáng)和自遮陽(yáng)。例如英國(guó)倫敦市政廳（圖1）就是采用自遮陽(yáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)效果的，它采用比較獨(dú)特的體型，建筑物斜著朝向南面，采用這種朝向可以在保證內(nèi)部空間自然通風(fēng)和換氣的同時(shí)，巧妙地使樓板成為重要的遮光裝置之一。

圖1 英國(guó)倫敦市政廳

2）建筑構(gòu)件兼顧遮陽(yáng)方式。一些建筑構(gòu)件往往在發(fā)揮自身功能的同時(shí)起到建筑遮陽(yáng)的作用，例如挑檐、騎樓、陽(yáng)臺(tái)、廊道等。在現(xiàn)代建筑中，結(jié)合建筑構(gòu)件進(jìn)行遮陽(yáng)的方式得以繼承和發(fā)展，如加大挑檐，設(shè)置百葉、挑檐、外廊、凹廊及旋窗等。這種遮陽(yáng)方式構(gòu)造合理，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，對(duì)建筑影響小，檐口出挑遮陽(yáng)、陽(yáng)臺(tái)遮陽(yáng)和廊道遮陽(yáng)是具有代表性的建筑構(gòu)件兼顧遮陽(yáng)方式。

3）專設(shè)構(gòu)件遮陽(yáng)方式。專設(shè)構(gòu)件是指以遮陽(yáng)為主要目的而增加在建筑上的各種建筑構(gòu)件，與以上的建筑形體遮陽(yáng)方式和建筑構(gòu)件兼顧遮陽(yáng)方式相比，它具有更大的方向性與靈活性，遮陽(yáng)效果也更為明顯。。例如華南理工大學(xué)逸夫人文館（圖2）就是典型的屋面遮陽(yáng)示范工程，在人文館頂樓天臺(tái)加裝了百葉天花遮陽(yáng)，百葉天花的角度是針對(duì)廣州的氣候特點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，冬天不會(huì)遮蔽陽(yáng)光，夏天又可以有效地?fù)踝∵^(guò)強(qiáng)的光線［5］。

1)與Normal(正態(tài)分布)函數(shù)相關(guān)系數(shù)的計(jì)算。生成3 180×1的正態(tài)分布矩陣數(shù)據(jù)，以z=corrcoef(A,B)指令計(jì)算相關(guān)系數(shù)，zNormal=0.008 9。

圖2 華南理工大學(xué)逸夫人文館

4）綠化遮陽(yáng)方式。綠化遮陽(yáng)方式是指通過(guò)在建筑周邊種植植物，利用綠色植物的特性達(dá)到遮陽(yáng)作用的經(jīng)濟(jì)有效的建筑措施。其方式主要包括種植喬木、墻體攀附植物、窗口前棚架綠化以及建造屋頂花園等。

2 太原南站遮陽(yáng)形式

在太原南站設(shè)計(jì)中，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用玻璃幕墻系統(tǒng)采光有利，但也會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入室內(nèi)的輻射熱增大對(duì)節(jié)能不利，東西廣場(chǎng)作為建筑的主要入口，由于東西曬的影響，建筑室內(nèi)熱環(huán)境尤其不利。設(shè)計(jì)師結(jié)合建筑造型，在東西向分別大屋檐出挑，不僅創(chuàng)造了過(guò)渡的“灰空間”，同時(shí)在東西向形成了自然的自我遮陽(yáng)設(shè)施（圖3）。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)生態(tài)設(shè)計(jì)軟件ECOTECT模擬分析了站房東西主立面屋檐對(duì)夏至日和冬至日各時(shí)間點(diǎn)建筑立面的太陽(yáng)輻射和遮陽(yáng)區(qū)域影響。由圖4a可知，在夏至日16∶00以后，太陽(yáng)光線才照射到西立面；由圖4b可知，在冬至日由于太陽(yáng)高度角的變化，對(duì)建筑立面的采光和輻射并未產(chǎn)生不利影響。合理的屋檐出挑長(zhǎng)度，既保證了站房主立面夏季高溫時(shí)段的自我遮陽(yáng)效果，又保證了冬季陽(yáng)光能夠直射到建筑室內(nèi)，從而有效的化解了站房主立面偏西向的不利條件。

圖3 太原南客運(yùn)站

圖4 太原南站陰影范圍

3 遮陽(yáng)實(shí)測(cè)及分析

太原南站采用的是建筑構(gòu)件兼顧遮陽(yáng)方式，為了研究太原南站的遮陽(yáng)效果，湖北工業(yè)大學(xué)·綠色建筑研究中心帶領(lǐng)部分研究生和本科生，于2013年8月3日～2013年8月6日四天對(duì)太原南站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

3.1 基本情況

山西省太原市屬于寒冷氣候區(qū)，寒冷氣候區(qū)的氣候特征是冬季寒冷（最冷月平均溫度0℃～－10℃，偶爾低于－10℃），建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受低溫和風(fēng)、雪的侵?jǐn)_；夏季炎熱，建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受高溫和太陽(yáng)輻射及雨水的侵?jǐn)_。因此建筑物在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足冬季保溫、防寒、防凍等要求，夏季則兼顧防潮、防熱、防暴風(fēng)雨等要求。另外，太原市最熱月日最高溫度達(dá)到34.2℃，所以太原市建筑采取遮陽(yáng)措施是有必要的。

本次實(shí)測(cè)對(duì)象為太原南站，占地面積45萬(wàn)m2，站房主體結(jié)構(gòu)為地上兩層地下一層，建筑面積約20.06萬(wàn)m2，其中主體建筑高度為35.6m，東西廣場(chǎng)檐口建筑高度為34.1m。本次實(shí)測(cè)選擇了西廣場(chǎng)具有代表性的五個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖5，圖6），各測(cè)點(diǎn)位置測(cè)量?jī)?nèi)容及所使用的儀器如表1所示，測(cè)量時(shí)間為9∶00－18∶00，由于8月3日的數(shù)據(jù)最為齊全，且最具典型性，所以選取這天的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖5 測(cè)點(diǎn)平面布置圖

圖6 測(cè)點(diǎn)立面布置圖

表1 各測(cè)點(diǎn)測(cè)量?jī)?nèi)容及所用儀器

3.2 測(cè)量結(jié)果分析

3.2.1 太陽(yáng)輻射測(cè)試結(jié)果與分析 圖7為太原南站西廣場(chǎng)的輻射熱流變化曲線圖。

圖7 測(cè)點(diǎn)1、2輻射熱流變化圖

由圖7可知，測(cè)點(diǎn)1的輻射熱流呈現(xiàn)U字形曲線，在14∶00后出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，變化幅度很大，這是因?yàn)樵撎幬挥陉?yáng)光直射下，受到太陽(yáng)輻射的影響；測(cè)點(diǎn)2的輻射熱流曲線變化很微弱，因?yàn)樵擖c(diǎn)位于大檐口下面，沒(méi)有受到太陽(yáng)輻射的影響。兩測(cè)點(diǎn)的輻射熱流在14∶00時(shí)都達(dá)到最大值，分別為951W／m2和98W／m2，在12∶00～15∶00時(shí)輻射熱流的平均值分別為894.25W／m2和92W／m2，輻射熱流相差數(shù)值大，這說(shuō)明太原南客運(yùn)站的設(shè)計(jì)能很好的遮擋太陽(yáng)輻射，設(shè)計(jì)較合理［6－8］。

3.2.2 空氣溫濕度測(cè)試結(jié)果與分析 不同測(cè)點(diǎn)上方空氣溫度分布如圖8所示，由于測(cè)點(diǎn)1、2和測(cè)點(diǎn)3、4的位置相隔不遠(yuǎn)，且溫度基本相吻合，所以選取在測(cè)點(diǎn)3、4位置測(cè)量溫濕度。由圖8可知，兩條曲線一直處于相互平行的趨勢(shì)，在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，測(cè)點(diǎn)3長(zhǎng)時(shí)間暴露在太陽(yáng)光照射下，缺少有效的遮陽(yáng)，不具備蒸發(fā)降溫條件，造成地表溫度顯著升高，并通過(guò)對(duì)流和輻射等方式加熱上方空氣，造成測(cè)點(diǎn)3上方空氣溫度始終高于測(cè)點(diǎn)4，測(cè)點(diǎn)4在大檐口下面，具有很好的遮陽(yáng)，空氣溫度相對(duì)低一些，兩測(cè)點(diǎn)在16∶00的時(shí)候溫度達(dá)到最大值，且最大值相差3.3℃?？梢?jiàn)，建筑遮陽(yáng)下空氣溫度小于陽(yáng)光下空氣溫度。

由圖7和圖8可知，太陽(yáng)輻射熱流在14∶00已經(jīng)達(dá)到最大值為951W／m2，而溫度在16∶00才達(dá)到最大值為32.3℃，在測(cè)試期間，太原南站西廣場(chǎng)周圍還在施工，由于施工影響和建筑的導(dǎo)熱型，才會(huì)出現(xiàn)時(shí)間差，可見(jiàn)，溫度受周圍環(huán)境的影響，且具有延時(shí)性。

圖8 測(cè)點(diǎn)3、4空氣溫度變化圖

圖9給出了測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)4空氣相對(duì)濕度的比較。

圖9 測(cè)點(diǎn)3、4相對(duì)濕度變化圖

由圖9可知，兩條曲線基本上一致，呈現(xiàn)很微弱的變化，太原南客運(yùn)站的檐口高度達(dá)到34.1m，這說(shuō)明大跨度的遮陽(yáng)技術(shù)并沒(méi)有影響自然通風(fēng)和人體的舒適度。可見(jiàn)，遮陽(yáng)主要是阻擋了太陽(yáng)輻射，對(duì)空氣相對(duì)濕度影響不大。

圖10為不同時(shí)間不同測(cè)點(diǎn)溫度對(duì)比柱狀圖，測(cè)點(diǎn)3位于陽(yáng)光直射下，測(cè)點(diǎn)4位于建筑檐口下，測(cè)點(diǎn)5位于建筑大廳內(nèi)。由圖10可知，三個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度都在逐漸升高，但測(cè)點(diǎn)5的溫度始終低于測(cè)點(diǎn)3，且差值越來(lái)越大，到16∶00的時(shí)候最大差值達(dá)到4.6℃，可見(jiàn)建筑遮陽(yáng)能有效地改善室內(nèi)熱環(huán)境，降低空調(diào)使用率，提高人體舒適度。

圖10 測(cè)點(diǎn)3、4、5溫度變化圖

4 結(jié)論

建筑遮陽(yáng)作為建筑節(jié)能的手段之一，越來(lái)越受到人們的重視，本文選擇太原南客運(yùn)站，通過(guò)實(shí)測(cè)與分析可以得到以下結(jié)論：

1）建筑外遮陽(yáng)能有效遮擋太陽(yáng)輻射，對(duì)空氣相對(duì)濕度影響并不大。太陽(yáng)輻射是空氣溫度上升的熱量來(lái)源，下墊面吸收的太陽(yáng)輻射越多，其表面溫度和上方空氣溫度上升越顯著，建筑外遮陽(yáng)是減低地面溫度和空氣溫度的有效措施。

2）在公共建筑遮陽(yáng)設(shè)計(jì)采用大檐口外遮陽(yáng)，較好地解決夏季遮陽(yáng)和冬季采光的矛盾。太原南站正是利用正午太陽(yáng)高度角夏季高，冬季低的特點(diǎn)，檐口的挑出寬度能有效的遮擋夏季日光而又不遮擋冬季日光進(jìn)入室內(nèi)。

3）良好的建筑外遮陽(yáng)能有效地改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境，在減少建筑能耗的同時(shí)也能很好地提高室內(nèi)熱舒適度。

4）太原南站位于太原市小店區(qū)，設(shè)計(jì)充分考慮當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境，主站房屋頂東西向懸挑形成良好的遮陽(yáng)效果，同時(shí)豐富建筑立面。這種造型與遮陽(yáng)相結(jié)合，綠色與藝術(shù)相結(jié)合［9］的做法值得建筑師學(xué)習(xí)。

［1］ 田慧峰，孫大明，朱慧賓.廣州地區(qū)建筑外遮陽(yáng)節(jié)能性能研究［J］.建筑節(jié)能，2007（10）：27－30.

［2］ 缺作者.歐洲建筑節(jié)能——遮陽(yáng)系統(tǒng)淺談［J］.世界建筑，2003（11）：89.

［3］ 權(quán)公恕.夏熱冬冷地區(qū)建筑外遮陽(yáng)與建筑整合設(shè)計(jì)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2008.

［4］ 崔澤鋒.建筑遮陽(yáng)方式研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008.

［5］ 任 俊.建筑遮陽(yáng)形式及若干應(yīng)用問(wèn)題研究［J］.廣州建筑，2012（05）：6－9.

［6］ 李 楠，李百戰(zhàn)，沈 艷.住宅建筑自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的影響［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（07）：736－742.

［7］ 李偉強(qiáng)，周孝清.廣州市單體建筑室外微氣候熱環(huán)境研究［J］.建筑科學(xué)，2009（06）：58－60.

［8］ 田智華，續(xù) 晨，王陳棟.深圳地區(qū)某公共建筑活動(dòng)外遮陽(yáng)自然采光效果分析［J］.建筑節(jié)能，2011（01）：41－43.

［9］ 郝睿敏.上海地區(qū)公共建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)探析［J］.山西建筑，2012（03）：211－212.

［責(zé)任編校：張巖芳］

Design and Analysis of Measured Shading Effects of Large Space Building Exterior Shading－A Case Study of Taiyuan South Railway Station

HUANG Yan-yan12，WANG Jing－jing1，ZHANG Hui12
（
1 School of Civil Engin.and Architecture，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 College of Architecture and Urban Planning，Huazhong Univ.of Sci.and Tech.，Wuhan 430074，China）

In the construction of energy-saving design，the scientific and reasonable use of shading technology is significant in using natural light for the building，reducing heat and solar radiation and air-conditioning load.This paper，taking Taiyuan South Railway Station as an example，presented the ideas and methods of building exterior shading combining regional climate characteristics with architectural modeling design.The shading effect was also analyzed through actual measurement.

large space building；shading effect；actual measurement

TU111.3

A

1003－4684（2014）02-0033-04

2014－02－13

湖北省教研項(xiàng)目（省2012272）

黃艷雁（1974－），女，湖北枝江市人，湖北工業(yè)大學(xué)副教授，華中科技大學(xué)博士研究生，研究方向?yàn)榻ㄖ墓?jié)能性設(shè)計(jì)，建筑的氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)