夏熱冬暖地區(qū)變電站建筑外遮陽(yáng)的雙目標(biāo)優(yōu)化

李令令，孟慶林，張磊，孟慶偉,潘靜麗

(1.華南理工大學(xué) 建筑學(xué)院;亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2.梅河口市阜康酒精有限責(zé)任公司，吉林 梅河口135000;3.佛山電力設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 佛山 528200)

面對(duì)世界能源的緊缺，作為能耗大戶的建筑業(yè)，節(jié)能是其發(fā)展的必然要求和趨勢(shì)。根據(jù)研究，建筑遮陽(yáng)可以有效遮擋太陽(yáng)輻射熱，降低室內(nèi)溫度，減少建筑能耗，是重要的節(jié)能措施[1-4]。建筑遮陽(yáng)技術(shù)中，外遮陽(yáng)是在外窗室外側(cè)安裝固定或者可調(diào)節(jié)的水泥混凝土板或金屬板，在豐富建筑物的立面藝術(shù)效果的同時(shí)，直接把太陽(yáng)輻射遮擋在室外。然而，建筑外遮陽(yáng)在遮擋陽(yáng)光的同時(shí)，不可避免地降低了室內(nèi)照度，這對(duì)于室內(nèi)自然采光非常不利，尤其是在陰雨天。現(xiàn)階段關(guān)于辦公建筑外遮陽(yáng)的節(jié)能和采光效果的研究較多，但是，關(guān)于工業(yè)建筑的研究較少。Hien等[5]分析了6種不同形式的外遮陽(yáng)下室內(nèi)采光情況，得出不同形式的外遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)采光均有削弱作用。Athienitis等[6]對(duì)遮陽(yáng)百葉的傾角進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在百葉傾角為78°，太陽(yáng)能高度角為15°時(shí)，室內(nèi)透光率最大。當(dāng)室內(nèi)采光不好時(shí)，建筑的照明能耗會(huì)大大增加，從而導(dǎo)致總的建筑能耗增加[7-8]。Mirza等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，合理地利用自然光可以為挪威和瑞典兩個(gè)國(guó)家分別節(jié)約至少1%的電能。Chen等[10]對(duì)工業(yè)建筑大空間內(nèi)的自然采光和節(jié)能潛力做了實(shí)驗(yàn)和模擬研究，采用自然采光可以節(jié)約能耗41.5%。Huang等[11]設(shè)計(jì)了一種新型動(dòng)態(tài)遮陽(yáng)系統(tǒng)，不僅降低了建筑制冷能耗，而且，提高了自然光的使用。Manzan等[12]通過(guò)軟件模擬，對(duì)某辦公建筑的固定遮陽(yáng)裝置進(jìn)行了遮陽(yáng)和采光性能的優(yōu)化。周荃等[13]模擬分析不同尺寸的水平外遮陽(yáng)和垂直外遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)自然采光環(huán)境的影響，當(dāng)遮陽(yáng)尺寸超過(guò)一定范圍后再增加外遮陽(yáng)的尺寸，對(duì)室內(nèi)采光效果的影響不明顯。

從以上分析可以看出，如何合理設(shè)計(jì)建筑的外遮陽(yáng)，對(duì)于平衡建筑遮陽(yáng)節(jié)能和室內(nèi)的采光效果很重要。工業(yè)建筑與辦公建筑的功能和采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值要求不同[14]，尤其是變電站類建筑的主控通信樓，不僅要滿足精密設(shè)備的運(yùn)行要求，還要滿足人員工作使用要求。此外，現(xiàn)有研究中對(duì)于室內(nèi)采光效果的評(píng)價(jià)大多以室內(nèi)照度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，但是，在全年和全天里，室內(nèi)照度不斷變化，在確定室內(nèi)的天然光照度水平時(shí)，無(wú)法只將室內(nèi)的照度水平作為同一標(biāo)準(zhǔn)。

本文以夏熱冬暖地區(qū)某典型變電站建筑的主控通信樓為例，以建筑節(jié)能率和采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究建筑的遮陽(yáng)設(shè)施在滿足節(jié)能與自然采光的雙目標(biāo)要求時(shí)，其適宜的尺寸設(shè)計(jì)，進(jìn)而為該地區(qū)此類建筑外遮陽(yáng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方法和案例參考。

1 建筑概況及外遮陽(yáng)形式的選擇

1.1 建筑概況

某變電站的主控通信樓位于廣東省陽(yáng)江市，總建筑面積745 m2，分為上下兩層。1層主要為附屬房間，層高3.3 m；2層為主控室和通信室，層高4.15 m。平面布置均為矩形房間。窗高1.8 m，窗寬2.4 m，2層窗戶頂端距離挑檐底面為0.5 m。

1.2 外遮陽(yáng)形式的選擇

建筑外遮陽(yáng)的形式一般分為：水平式遮陽(yáng)、垂直式遮陽(yáng)、擋板式遮陽(yáng)和綜合式遮陽(yáng)，其中，綜合式遮陽(yáng)是前3種遮陽(yáng)形式的組合形式，如圖1所示。建筑外遮陽(yáng)的遮陽(yáng)效果常用外遮陽(yáng)系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，而且外遮陽(yáng)系數(shù)的計(jì)算方法有多種[15]，但是，工業(yè)建筑種類較多、行業(yè)性質(zhì)差別較大，目前沒(méi)有統(tǒng)一的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，所以本文按照文獻(xiàn)[16]中建筑外遮陽(yáng)系數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

圖1 遮陽(yáng)形式

通過(guò)變化外遮陽(yáng)構(gòu)件的尺寸，分別計(jì)算不同遮陽(yáng)構(gòu)件不同遮陽(yáng)特征值x時(shí)，建筑東、南、西、北4個(gè)方向的外遮陽(yáng)系數(shù)SD值，初步判斷不同遮陽(yáng)形式在該地區(qū)建筑各朝向的適用性，為該建筑遮陽(yáng)形式的選擇提供依據(jù)。

根據(jù)計(jì)算，該地區(qū)水平遮陽(yáng)在東、南向遮陽(yáng)效果較好，如圖2所示，水平遮陽(yáng)在建筑的東向外遮陽(yáng)系數(shù)最小，為0.66，南向次之，北向最大；垂直遮陽(yáng)在南向遮陽(yáng)效果較好。圖3中，垂直遮陽(yáng)在建筑的南向外遮陽(yáng)系數(shù)最小，為0.66，東、西向次之，北向最大；圖4中擋板式外遮陽(yáng)在建筑的東、西向外遮陽(yáng)系數(shù)最小，為0.04，北向次之，南向最大；可見(jiàn)，擋板式遮陽(yáng)在東、西向遮陽(yáng)效果較好。綜合式遮陽(yáng)由于是其他遮陽(yáng)形式的組合，所以與上述幾種遮陽(yáng)形式的規(guī)律特性一致，對(duì)遮擋高度角中等的、從窗前斜射下來(lái)的陽(yáng)光比較有效，而且，遮陽(yáng)效果比較均勻。

圖2 水平外遮陽(yáng)Fig.2 Horizontal shade

圖3 垂直外遮陽(yáng)Fig.3 Vertical shade

圖4 擋板式外遮陽(yáng)

金屬穿孔板擋板式遮陽(yáng)在特征值為1時(shí)，其遮陽(yáng)系數(shù)隨穿孔率增大而增大，如圖5所示。在工程應(yīng)用中，遮陽(yáng)板的設(shè)計(jì)需要考慮建筑的采光、通風(fēng)要求。該地區(qū)的氣候受海陸風(fēng)影響，在采用金屬穿孔板擋板式遮陽(yáng)時(shí)，可選擇穿孔率為0.4～0.6。

圖5 金屬穿孔板擋板式遮陽(yáng)Fig.5 Metal perforated plate baffle shad

對(duì)于該地區(qū)，水平遮陽(yáng)在東、南向遮陽(yáng)效果較好；金屬穿孔板擋板式遮陽(yáng)在東、西向遮陽(yáng)效果較好，適宜的穿孔率范圍為0.4～0.6；綜合式遮陽(yáng)可以較好地彌補(bǔ)采用一種遮陽(yáng)方式的缺點(diǎn)，遮陽(yáng)效果更好。因此，本文主要模擬該建筑在采用水平遮陽(yáng)、金屬穿孔板擋板式遮陽(yáng)二者綜合應(yīng)用時(shí)，建筑的能耗和室內(nèi)自然采光情況。

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬軟件設(shè)置

建筑能耗模擬軟件采用清華大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的DeST-C(Design by Simulation Toolkit)軟件。該軟件經(jīng)過(guò)對(duì)比和驗(yàn)證，在計(jì)算能耗方面得到了認(rèn)可，其模擬計(jì)算結(jié)果具有可靠性[17]。

模型設(shè)置如圖6、圖7所示。

圖6 DeST一層建筑模型圖Fig.6 DeST model of first floor

圖7 DeST二層建筑模型圖Fig.7 DeST model of second floo

建筑采光軟件采用Autodesk Ecotect Analysis 2011(生態(tài)建筑大師)。該軟件計(jì)算原理為光線追蹤法，計(jì)算模型選用CIE全陰天模型，其模擬計(jì)算快速直觀，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到研究和實(shí)踐之中。模型設(shè)置如圖8所示。

圖8 Ecotect建筑模型圖

2.2 模擬參數(shù)設(shè)置

1)氣象參數(shù)為廣東省陽(yáng)江市的氣象參數(shù)[18]。

2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置表Table1 Enclosure parameter setting

3)室內(nèi)參數(shù)設(shè)置 夏熱冬暖地區(qū)全年只考慮空調(diào)，不考慮采暖。計(jì)算機(jī)及通信室溫度設(shè)置為26 ℃，空調(diào)性能系數(shù)設(shè)置為3.2。本文主要分析建筑外遮陽(yáng)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的影響，為了減小熱擾對(duì)于分析結(jié)果的影響，室內(nèi)人員、燈光和設(shè)備等穩(wěn)定熱擾均設(shè)為0[19]。

4)采光模擬設(shè)置 根據(jù)采光規(guī)范[14]，陽(yáng)江屬于Ⅳ類光氣候區(qū)，考慮最不利條件下，采光系數(shù)模擬使用的是全陰天模型，室外天然光臨界照度應(yīng)設(shè)為13 500 lx。此類建筑為工業(yè)建筑，測(cè)量照度的參考平面高度設(shè)置為1 m。主控通信樓的功能房間主控室和通信室位于2層，所以，在模擬時(shí)主要模擬建筑2層有無(wú)遮陽(yáng)設(shè)施時(shí)的采光系數(shù)。

5)模擬工況設(shè)置 通過(guò)設(shè)置3類工況，量化該建筑外遮陽(yáng)與采光、節(jié)能效益的關(guān)系，如表2所示。

類型1：無(wú)遮陽(yáng)措施。

類型2：有水平遮陽(yáng)措施。

類型3：有綜合遮陽(yáng)措施。

水平遮陽(yáng)措施為挑檐水平遮陽(yáng)，即工況1～6，其挑出長(zhǎng)度在0.6～1.6 m范圍內(nèi)按照0.2 m依次變化。綜合遮陽(yáng)措施為在挑檐水平遮陽(yáng)的基礎(chǔ)上相應(yīng)增加金屬穿孔板擋板式遮陽(yáng)，其穿孔率為0.5，按照擋板式遮陽(yáng)的遮陽(yáng)板寬度不同分為12個(gè)工況，其中，擋板寬度為0.72 m即窗戶遮擋比例為0.3的工況為7～12；擋板寬度為1.2 m即窗戶遮擋比例是0.5的工況為13～18。

表2 不同遮陽(yáng)形式的建筑空調(diào)能耗Table 2 building energy consumption of different shade

3 外遮陽(yáng)對(duì)建筑能耗和室內(nèi)采光的影響與分析

3.1 相關(guān)參數(shù)計(jì)算

1)建筑節(jié)能率是指設(shè)計(jì)建筑采用遮陽(yáng)設(shè)施前后，建筑能耗的降低百分比，計(jì)算式為

(1)

式中：η為建筑節(jié)能率；Q0為建筑無(wú)遮陽(yáng)時(shí)的全年空調(diào)能耗，kW·h；Q為建筑采用遮陽(yáng)措施后的全年空調(diào)能耗,kW·h。

2)采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值[14]是在規(guī)定的室外天然光設(shè)計(jì)照度下，滿足視覺(jué)功能要求時(shí)的采光系數(shù)值，是參考平面上的平均值，在采用側(cè)面采光時(shí)要按式(2)計(jì)算。此外，工業(yè)建筑的主控制室，側(cè)面采光時(shí)要求該值大于4%。

(2)

式中：Ac為窗洞口面積，m2；Az為室內(nèi)表面總面積，m2；ρj為室內(nèi)各表面反射比的加權(quán)平均值；τ為窗的總透射比；θ為從窗中心點(diǎn)計(jì)算的垂直可見(jiàn)天空的角度值。

3.2 建筑能耗模擬結(jié)果分析

根據(jù)能耗模擬計(jì)算結(jié)果，如圖9所示，綜合式遮陽(yáng)相比水平遮陽(yáng)節(jié)能效果顯著，在工況7中平板遮陽(yáng)挑出長(zhǎng)度為0.6 m，擋板式遮陽(yáng)遮擋比例為0.3，其節(jié)能率可達(dá)到13.93%。然而，相同挑出長(zhǎng)度的水平遮陽(yáng)工況1，其節(jié)能率僅為4.98%；水平遮陽(yáng)工況6挑出長(zhǎng)度為1.6 m，其節(jié)能率達(dá)到11.91%，但仍低于綜合遮陽(yáng)。

圖9 不同遮陽(yáng)形式的節(jié)能率Fig.9 Energy saving rate of different shad

采用綜合遮陽(yáng)，建筑節(jié)能率最大達(dá)到20.03%，隨著挑檐特征值的增加，節(jié)能率的增加幅度降低，當(dāng)水平特征值大于0.61，節(jié)能率的增長(zhǎng)趨于平緩，繼續(xù)增大特征值，對(duì)于能耗的降低作用較小。

由綜合遮陽(yáng)工況7～12和工況13～18的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在擋板遮陽(yáng)的特征值一定的情況下，當(dāng)擋板遮擋窗戶的比例在0.5以內(nèi)變化時(shí)，建筑節(jié)能率的變化幅度不大，所以，從能耗的角度來(lái)看，此類建筑宜采用綜合式遮陽(yáng)，其水平挑檐特征值適宜范圍為0.35～0.61，金屬穿孔板遮擋窗口比例適宜，為0.3。

3.3 建筑室內(nèi)采光分析

根據(jù)室內(nèi)采光系數(shù)模擬結(jié)果，如圖11所示，可以直觀地看出,水平遮陽(yáng)和綜合遮陽(yáng)都有效的降低了室內(nèi)采光系數(shù)大于10%的比例，降低了室內(nèi)出現(xiàn)眩光的可能，在滿足采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，對(duì)改善室內(nèi)光環(huán)境有利。

圖10 不同遮陽(yáng)形式的采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值Fig.10 Standard value of lighting factor of

根據(jù)采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn),建筑采用遮陽(yáng)設(shè)施后，其采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的降低幅度很大；但是,采用兩種不同的遮陽(yáng)設(shè)施，其采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值變化幅度相對(duì)較小，而且,穿孔率為0.5的金屬穿孔板擋板式遮陽(yáng)，相比水平遮陽(yáng)對(duì)室內(nèi)采光系數(shù)的影響較小。由綜合遮陽(yáng)工況7～12和工況13～18的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在擋板遮陽(yáng)特征值一定的情況下，當(dāng)擋板遮擋窗戶的比例在0.5以內(nèi)變化時(shí)，采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的變化很小，這與建筑能耗的模擬規(guī)律一致，所以,該類建筑金屬穿孔板遮擋窗口比例選擇0.3即可。

圖11 室內(nèi)空間采光系數(shù)分布Fig.11 Lighting factor distributio

采用水平遮陽(yáng)的建筑采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值隨水平挑檐特征值的增加而降低，而采用綜合遮陽(yáng)的建筑采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值隨特征值的增加先升高再降低，當(dāng)特征值是0.35,即水平挑檐挑出長(zhǎng)度為0.8 m時(shí)，采光系數(shù)取得最大值。采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值大于4%的臨界工況為水平遮陽(yáng)工況4和綜合遮陽(yáng)工況10、工況16，其挑檐特征值均為0.52,即出挑長(zhǎng)度是1.2 m，所以從采光的角度來(lái)看，在水平挑檐特征值0.26～0.52范圍內(nèi)，該類建筑選擇水平遮陽(yáng)或綜合式遮陽(yáng)均可以滿足采光要求。

根據(jù)能耗模擬得出的遮陽(yáng)設(shè)施尺寸適宜范圍與采光模擬的不同。所以，在科學(xué)評(píng)價(jià)遮陽(yáng)效果，準(zhǔn)確選擇遮陽(yáng)設(shè)計(jì)尺寸時(shí)，應(yīng)取能耗和自然采光模擬得到適宜設(shè)計(jì)范圍的交集。本文中主控通信樓適宜采用綜合遮陽(yáng)，在尺寸設(shè)計(jì)時(shí)，其水平挑檐特征值范圍適宜為0.35～0.52；金屬穿孔板穿孔率宜為0.4～0.6，遮擋窗口比例適宜為0.3；在該條件下，建筑的節(jié)能率為14.96%～16.52%，采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為4.01%～4.13%，可以同時(shí)滿足節(jié)能和采光的要求。

4 結(jié)論

變電站建筑的主控通信樓不僅要滿足精密設(shè)備的運(yùn)行要求，還要滿足人員的工作使用要求，合理的建筑外遮陽(yáng)設(shè)計(jì)對(duì)于平衡夏熱冬暖地區(qū)此類建筑外遮陽(yáng)的節(jié)能和室內(nèi)采光效果很重要。通過(guò)軟件模擬分析建筑外遮陽(yáng)對(duì)建筑能耗和室內(nèi)采光影響，明確建筑外遮陽(yáng)的尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)采用節(jié)能與自然采光雙目標(biāo)優(yōu)化的方法，取能耗和自然采光模擬得到的適宜尺寸設(shè)計(jì)范圍的交集，改變以外遮陽(yáng)系數(shù)為單一評(píng)價(jià)參數(shù)的情況。

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