夏熱冬暖地區(qū)變電站建筑外遮陽的雙目標優(yōu)化

李令令 孟慶林 張磊 孟慶偉

摘要：變電站建筑不僅要滿足精密設(shè)備的運行要求，還要滿足人員的工作使用要求，其外遮陽的設(shè)計需要兼顧節(jié)能和室內(nèi)自然采光的要求。以夏熱冬暖地區(qū)某典型變電站建筑的主控通信樓為例，采用相關(guān)能耗和采光模擬軟件，模擬分析該建筑在不同遮陽設(shè)施工況下建筑能耗和室內(nèi)采光的變化，以建筑節(jié)能率和采光系數(shù)標準值為評價指標，得出其尺寸設(shè)計的適宜范圍，明確此類建筑外遮陽的尺寸設(shè)計應采用節(jié)能與自然采光雙目標優(yōu)化的方法，改變以外遮陽系數(shù)為單一評價參數(shù)的方式。

關(guān)鍵詞：變電站；建筑外遮陽；節(jié)能；自然采光

中圖分類號：TU113.4 文獻標志碼：A文章編號：16744764（2018）02013207

收稿日期：20170709

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0700205）

作者簡介：李令令（1990），女，博士生，主要從事建筑節(jié)能、室外熱環(huán)境研究，Email：huananlilingling@163.com。

孟慶林（通信作者），男，教授，博士生導師，Email：arqlmeng@scut.edu.cn。

Received：20170709

Foundation item：National Program on Key Research Project of China （No. 2016YFC0700205）

Author brief：Li Lingling（1990）， PhD candidate，main research interests：building energy saving and outdoor thermal environment，Email：huananlilingling@163.com.

Meng Qinglin（corresponding author），professor，doctoral supervisor，Email： arqlmeng@scut.edu.cn.Double objective optimization analysis of external sunshade of

asubstationin hotsummer and warmwinter area

Li Lingling1，Meng Qinglin1， Zhang Lei1，Meng Qingwei1

（1.School of Architecture，State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，

Guangzhou 510640，P. R. China； 2.Meihekou Fukang Alcohol Co.Ltd，Meihekou 135000， Jilin， P. R. China）

Abstract：The main control building of the substation is not only to meet the operational requirements of precision equipment， but also to meet the working requirements of personnel. The design of external shading should take into account the requirements of energy saving and indoor natural lighting. In this study， a typical substation building as an example in the hotsummer and warmwinter area was chosen. The change of indoor light environment and energy consumption of this building in different shading facilities were simulated and analyzed by using energy and lighting simulation software. And the suitable range of size of the shading facilities were obtained by taking the building energy efficiency and lighting coefficient standard value as evaluation index. Finally， it is clear that the size design of the external shading of this kind of building should adopt the method of double goals optimization of energy saving and natural lighting， to change the way that outside shading coefficient as a single evaluation parameter.

Keywords：substation building；externalsunshade；energy saving；natural daylighting

面對世界能源的緊缺，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。根據(jù)研究，建筑遮陽可以有效遮擋太陽輻射熱，降低室內(nèi)溫度，減少建筑能耗，是重要的節(jié)能措施[14]。建筑遮陽技術(shù)中，外遮陽是在外窗室外側(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，直接把太陽輻射遮擋在室外。然而，建筑外遮陽在遮擋陽光的同時，不可避免地降低了室內(nèi)照度，這對于室內(nèi)自然采光是非常不利的，尤其是在陰雨天?，F(xiàn)階段關(guān)于辦公建筑外遮陽的節(jié)能和采光效果研究的很多，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下室內(nèi)采光情況，得出不同形式的外遮陽對室內(nèi)采光均有削弱作用。Athienitis等[6]對遮陽百葉的傾角進行了實驗研究，在百葉傾角為78°，太陽能高度角為15°時，室內(nèi)透光率最大。當室內(nèi)采光不好時，建筑的照明能耗會大大增加，從而導致總的建筑能耗增加[78]。Mirza等[9]通過實驗證明，合理地利用自然光可以為挪威和瑞典兩個國家分別節(jié)約至少1%的電能。Chen等[10]對工業(yè)建筑大空間內(nèi)的自然采光和節(jié)能潛力做了實驗和模擬研究，采用自然采光可以節(jié)約能耗41.5%。Huang等[11]設(shè)計了一種新型動態(tài)遮陽系統(tǒng)，不僅降低了建筑制冷能耗，而且，提高了自然采光的使用。Manzan等[12]通過軟件模擬，對某辦公建筑的固定遮陽裝置進行了遮陽和采光性能的優(yōu)化。周荃等[13]模擬分析不同尺寸的水平外遮陽和垂直外遮陽對室內(nèi)自然采光環(huán)境的影響，當遮陽尺寸超過一定范圍后再增加外遮陽的尺寸，對室內(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)計建筑的外遮陽，對于平衡建筑遮陽節(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)標準值要求不同[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)備的運行要求，還要滿足人員工作使用要求。此外，現(xiàn)有研究中對于室內(nèi)采光效果的評價大多以室內(nèi)照度為評價指標，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，無法只將室內(nèi)的照度水平作為同一標準。

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)標準值作為評價指標，研究建筑的遮陽設(shè)施在滿足節(jié)能與自然采光的雙目標要求時，其適宜的尺寸設(shè)計，進而為該地區(qū)此類建筑外遮陽的優(yōu)化設(shè)計提供方法和案例參考。

1建筑概況及外遮陽形式的選擇

第2期 李令令，等：夏熱冬暖地區(qū)變電站建筑外遮陽的雙目標優(yōu)化1.1典型建筑概況

典型建筑為某變電站的主控通信樓，位于廣東省陽江市，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外遮陽形式的選擇

建筑外遮陽的形式一般分為：水平式遮陽、垂直式遮陽、擋板式遮陽和綜合式遮陽，其中，綜合式遮陽是前3種遮陽形式的組合形式，如圖1所示。建筑外遮陽的遮陽效果常用外遮陽系數(shù)作為評價指標，而且，外遮陽系數(shù)的計算方法有多種[15]，但是，工業(yè)建筑種類較多、行業(yè)性質(zhì)差別較大，目前，沒有統(tǒng)一的節(jié)能設(shè)計標準，所以，本文按照規(guī)范[16]中建筑外遮陽系數(shù)的計算方法進行計算。

圖1遮陽形式

Fig.1Shade form通過變化外遮陽構(gòu)件的尺寸，分別計算不同遮陽構(gòu)件不同遮陽特征值x時，建筑東、南、西、北4個方向的外遮陽系數(shù)SD值，初步判斷不同遮陽形式在該地區(qū)建筑各朝向的適用性，為該建筑遮陽形式的選擇提供依據(jù)。

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

圖2水平外遮陽

Fig.2Horizontal shade圖3垂直外遮陽

Fig.3Vertical shade圖4擋板式外遮陽

Fig.4Baffle shade金屬穿孔板擋板式遮陽在特征值為1時，其遮陽系數(shù)隨穿孔率增大而增大，如圖5所示。在工程應用中，遮陽板的設(shè)計需要考慮建筑的采光、通風要求。該地區(qū)的氣候受海陸風影響，在采用金屬穿孔板擋板式遮陽時，可選擇穿孔率為0.4～0.6。

圖5金屬穿孔板擋板式遮陽

Fig.5Metal perforated plate baffle shade對于該地區(qū)，水平遮陽在東、南向遮陽效果較好；金屬穿孔板擋板式遮陽在東、西向遮陽效果較好，適宜的穿孔率范圍為0.4～0.6；綜合式遮陽可以較好地彌補采用一種遮陽方式的缺點，遮陽效果更好。因此，本文主要模擬該建筑在采用水平遮陽、金屬穿孔板擋板式遮陽二者綜合應用時，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自主開發(fā)的DeSTC（Design by Simulation Toolkit）軟件。該軟件經(jīng)過對比和驗證，在計算能耗方面得到了認可，其模擬計算結(jié)果具有可靠性[17]。

模型設(shè)置如圖6、圖7所示。

圖6DeST一層建筑模型圖

Fig.6圖7DeST二層建筑模型圖

Fig.7建筑采光軟件采用Autodesk Ecotect Analysis 2011（生態(tài)建筑大師）。該軟件計算原理為光線追蹤法，計算模型選用CIE全陰天模型，其模擬計算快速直觀，已經(jīng)被廣泛應用到研究和實踐之中。模型設(shè)置如圖8所示。

圖8Ecotect建筑模型圖

Fig.8Ecotect model2.2模擬參數(shù)設(shè)置

1）氣象參數(shù)為廣東省陽江市的氣象參數(shù)[18]。

2）圍護結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)置如表1所示。表1圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置表

Table1Enclosure parameter setting類型傳熱系數(shù)/

（W·（m2·K）-1）反射系數(shù)透過率屋面0.740.702地面1.50.404外墻1.490.604玻璃3.20.6110.43

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。計算機及通信室溫度設(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對圍護結(jié)構(gòu)傳熱的影響，為了減小熱擾對于分析結(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設(shè)為13 500 lux。此類建筑為工業(yè)建筑，測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，在模擬時主要模擬建筑2層有無遮陽設(shè)施時的采光系數(shù)。

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

類型1：無遮陽措施；

類型2：有水平遮陽措施；

類型3：有綜合遮陽措施。

水平遮陽措施為挑檐水平遮陽，即工況1～6，其挑出長度在0.6～1.6 m范圍內(nèi)按照0.2 m依次變化。綜合遮陽措施為在挑檐水平遮陽的基礎(chǔ)上相應增加金屬穿孔板擋板式遮陽，其穿孔率為0.5，按照擋板式遮陽的遮陽板寬度不同分為12個工況，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不同遮陽形式的建筑空調(diào)能耗

Table 2building energy consumption of different shade遮陽措施工況遮陽板尺寸/m特征值全年空調(diào)能耗/

（kW·h）無遮陽0008 075.64水平

遮陽1水平挑出長度0.6水平0.267 673.842水平挑出長度0.8水平0.357 554.673水平挑出長度1.0水平0.437 432.764水平挑出長度1.2水平0.527 317.885水平挑出長度1.4水平0.617 213.486水平挑出長度1.6水平0.707 113.67綜合

遮陽7水平0.6；擋板寬0.72，高4.0水平0.26；擋板16 950.868水平0.8；擋板寬0.72，高4.0水平0.35；擋板16 867.389水平1.0；擋板寬0.72，高4.0水平0.43；擋板16 804.4510水平1.2；擋板寬0.72，高4.0水平0.52；擋板16 741.3111水平1.4；擋板寬0.72，高4.0水平0.61；擋板16 715.9612水平1.6；擋板寬0.72，高4.0水平0.70；擋板16 684.0913水平0.6；擋板寬1.2，高4.0水平0.26；擋板16 707.6614水平0.8；擋板寬1.2，高4.0水平0.35；擋板16 646.6415水平1.0；擋板寬1.2，高4.0水平0.43；擋板16 583.0816水平1.2；擋板寬1.2，高4.0水平0.52；擋板16 522.2417水平1.4；擋板寬1.2，高4.0水平0.61；擋板16 492.9618水平1.6；擋板寬1.2，高4.0水平0.70；擋板16 457.70

3外遮陽對建筑能耗和室內(nèi)采光的影

響與分析3.1相關(guān)參數(shù)計算

1）建筑節(jié)能率是指設(shè)計建筑采用遮陽設(shè)施前后，建筑能耗的降低百分比，計算式為η=1-QQ0×100%（1）式中：η為建筑節(jié)能率；Q0為建筑無遮陽時的全年空調(diào)能耗，kW·h；Q為建筑采用遮陽措施后的全年空調(diào)能耗，kW·h。

2）采光系數(shù)標準值[14]是在規(guī)定的室外天然光設(shè)計照度下，滿足視覺功能要求時的采光系數(shù)值，是參考平面上的平均值，在采用側(cè)面采光時要按式（2）計算。此外，工業(yè)建筑的主控制室，側(cè)面采光時要求該值大于4%。Caυ=ACτθAz（1-ρj）2（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為從窗中心點計算的垂直可見天空的角度值。

3.2建筑能耗模擬結(jié)果分析

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

圖9不同遮陽形式的節(jié)能率

Fig.9Energy saving rate of different shade采用綜合遮陽，建筑節(jié)能率最大達到20.03%，隨著挑檐特征值的增加，節(jié)能率的增加幅度降低，當水平特征值大于0.61，節(jié)能率的增長趨于平緩，繼續(xù)增大特征值，對于能耗的降低作用較小。

由綜合遮陽工況7～12和工況13～18的對比可以發(fā)現(xiàn)，在擋板遮陽的特征值一定的情況下，當擋板遮擋窗戶的比例在0.5以內(nèi)變化時，建筑節(jié)能率的變化幅度不大，所以，從能耗的角度來看，此類建筑宜采用綜合式遮陽，其水平挑檐特征值適宜范圍為035～0.61，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10所示，可以直觀地看出，水平遮陽和綜合遮陽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)標準的前提下，對改善室內(nèi)光環(huán)境是有利的。

圖9室內(nèi)空間采光系數(shù)分布

Fig.9Lighting factor distribution根據(jù)采光系數(shù)標準值的統(tǒng)計結(jié)果，如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)，建筑采用遮陽設(shè)施后，其采光系數(shù)標準值的降低幅度很大；但是，采用兩種不同的遮陽設(shè)施，其采光系數(shù)標準值變化幅度相對較小，而且，穿孔率為0.5的金屬穿孔板擋板式遮陽，相比水平遮陽對室內(nèi)采光系數(shù)的影響較小。由綜合遮陽工況7～12和工況13～18的對比可以發(fā)現(xiàn)，在擋板遮陽特征值一定的情況下，當擋板遮擋窗戶的比例在0.5以內(nèi)變化時，采光系數(shù)標準值的變化很小，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10不同遮陽形式的采光系數(shù)標準值

Fig.10Standard value of lighting factor of different shade采用水平遮陽的建筑采光系數(shù)標準值隨水平挑檐特征值的增加而降低，而采用綜合遮陽的建筑采光系數(shù)標準值隨特征值的增加先升高再降低，當特征值是0.35，即水平挑檐挑出長度為0.8 m時，采光系數(shù)取得最大值。采光系數(shù)標準值大于4%的臨界工況為水平遮陽工況4和綜合遮陽工況10、工況16，其挑檐特征值均為0.52，即出挑長度是1.2 m，所以從采光的角度來看，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或綜合式遮陽均可以滿足采光要求。

根據(jù)能耗模擬得出的遮陽設(shè)施尺寸適宜范圍與采光模擬的不同。所以，在科學評價遮陽效果，準確選擇遮陽設(shè)計尺寸時，應取能耗和自然采光模擬得到適宜設(shè)計范圍的交集。本文中主控通信樓適宜采用綜合遮陽，在尺寸設(shè)計時，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)標準值為401%～4.13%，可以同時滿足節(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)備的運行要求，還要滿足人員的工作使用要求，合理的建筑外遮陽設(shè)計對于平衡夏熱冬暖地區(qū)此類建筑外遮陽的節(jié)能和室內(nèi)采光效果很重要。通過軟件模擬分析建筑外遮陽對建筑能耗和室內(nèi)采光影響，明確建筑外遮陽的尺寸設(shè)計應采用節(jié)能與自然采光雙目標優(yōu)化的方法，取能耗和自然采光模擬得到的適宜尺寸設(shè)計范圍的交集，改變以外遮陽系數(shù)為單一評價參數(shù)的情況。

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