广州地铁设计研究院股份有限公司
摘要:随着能源消耗的快速增长，化石燃料和煤炭储备量无法长久满足人们的需求。众所周知，暖通空调 系统能耗占建筑能耗最大部分，约为65%。因此，建筑被动式设计的研究可以有效地降低辐射得热，从而减少空调能耗。
项目主要采用建筑性能模拟分析软件IES VE（Virtual Environment）对对外遮阳装置的性能进行了评估。试验通过对建筑外遮阳设置高度、延伸宽度的不同带来的不同的降温效果和采光条件进行了模拟。除此之外，为了响应气候分析和生物气候策略，视觉效果参数和热舒适评价指标综合考量外遮阳最佳设置情况和其对能耗的影响。
试验通过模拟输出了包括太阳辐射得热、空调冷负荷、日光系数、室内工作面照度、日光眩光指数（DGI）和统一眩光等级（UGR）的数据分析报告。模拟结果表明，外遮阳设置在外窗1.25m处且20度的OOA（设置高度与外遮阳延伸宽度之比）能保证热舒适、无眩光、工作平面照度舒适等因素的前提下，更有效地降低辐射得热，进一步降低空调能耗。
关键词：外遮阳、太阳辐射得热、空调能耗、热舒适、照度、眩光
引言
近年来，随着人们生活水平的提高，能源的供需关系矛盾越发凸显，因此建筑可持续性和建筑节能引起了大众的关注。根据研究表明，建筑能耗已被确定为全球能源消耗占比很大的部分，尤其是办公建筑能耗。相比于其他原因，玻璃幕墙的广泛使用为主要原因。Chan SA的研究表明，热带地区及亚热带地区的办公建筑64%的建筑能耗用于空调系统，其余36%的建筑能耗用于一般设备和照明，分别为24%和12%[1]。
通过玻璃窗或玻璃幕墙的太阳辐射得热,是空调冷负荷的主要来源。据报道,在香港地区,太阳辐射得热占整个建筑空调负荷的比例通常超过50%，珠江三角洲的状况应该与香港相近。由此可见，太阳辐射得热值在很大程度上影响着建筑的热能平衡。降低太阳辐射得热的措施主要是建筑物外遮阳和内遮阳，通过内外遮阳从而降低空调冷负荷。根据Kuhn TE和其他研究人员的研究结果，一年中照射在水平面上的太阳辐射强度为1000W/m2，照射在东、西向的垂直墙面上的太阳辐射强度为850W/m2[2][3]。为了减少太阳辐射的影响，建筑物最好采用南、北朝向窗户的方向，特别是在热带地区和亚热带地区。因此，采用外遮阳装置可有效地减少太阳辐射得热。然而，外遮阳阻挡太阳辐射得热的同时也影响着室内光照指标。为了解决这个问题，中置遮阳是一种外置遮阳装置，它既能隔离太阳辐射，上表面的反光材料又能将可见光反射到室内天花进行漫反射增强室内光照。
本模拟实验以广州某地铁车辆段办公楼为研究对象，探讨外遮阳装置对热舒适性和视觉性能的影响。此外，外遮阳安装位置和外伸宽度也作为研究对象来达到最优工作场所性能和较低空调能耗。
研究描述
研究对象概述
研究对象为一座位于广州的六层办公建筑，室外采用全玻璃幕墙形式。建筑物一楼有一些零售店，二楼有一个餐厅，其余均为办公室和会议室。由于其全玻璃幕墙设计，空调系统能耗占建筑能耗的60%左右。因此，通过设置外遮阳的方式对其进行改造，用以降低空调能耗。同时，外遮阳的设置应保证热舒适性和视觉效果。
气候描述
广州地处赤道附近，是典型的亚热带季风气候，全年雨量充沛，气温高而均匀，湿度大。该地区累计日照时数内接收至少120瓦/平方米的直接辐照度。由于广州的地理位置，一年中白天时长相对较长，日照时数也比其他城市长，因此该地区建筑物相较于其他地区建筑物所接受更多的太阳辐射。
模拟实验假设
1） 建筑物模型简化
模型每层建筑平面图为60m×27m，每层高为3.5m（模型忽略楼板高度）。首层零售店和二层餐厅采用全玻璃幕墙的形式，三层及以上办公用房和会议室设置外窗，外窗高度统一为1.5m×2.5m。图1为本次模拟实验建筑模型。
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图1建筑模型
为了简化模拟实验条件和降低周边情况对结果的影响，假设研究对象周边无其他遮挡。
为了保证对外遮阳的研究，建筑围护结构热工性能在模拟实验中保护一致性。由于实际材料参数获取限制，模拟建筑构造的热工性能采取《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）中要求设置。表1为建筑围护结构热工性能。
表1建筑围护结构热工性能
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外遮阳装置分别设置在距离窗户底部的1.5m、1.25m、1m、0.75m四个不同高度。被水平悬挑阻挡的天空部分（延伸宽度）用悬挑障碍角度（OOA）来描述，如图2所示。角度是从外窗底部开始测量的，即从天顶（正上方）到遮光装置的外缘。
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Hw— 空间窗口的高度
P— 水平悬挑阻挡的天空部分（延伸宽度）
下图描述了从底部窗台测量悬挑障碍物角度：
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图2悬挑障碍角度（OOA）图示
参考新加坡Green Mark NRB标准中的OOA要求，遮光装置的长度过长不太合理。因此，实际案例研究中使用的OOA值在0度到30度之间，区间跨度为10度。表2显示了OOA之后阴影设备的长度。
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表2不同OOA下的外遮阳延伸宽度
这座建筑模型设置坐北朝南，与原建筑保持一致。根据研究成果，北立面或南立面实验效果较好。在这种情况下，假定北立面上没有外部遮阳，通过对南立面设置外遮阳来观察实验效果。
如上所述，建筑物窗墙比和玻璃的宽高比是一致的。首先，通过对“外遮阳”（方案1）和“无遮阳”（方案2）两个方案来评估遮阳设置的效果。针对方案1中立面外遮阳方案的尺寸设置多个选择(以下简称“OP”)，如下图所示。
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图3方案1外遮阳尺寸选择
2） 室内相关参数设置
1. 室内使用及设计情况
办公室使用时间为周一至周五上午8:00至下午6:00。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）要求，舒适性空调的室内设计干球温度应在26度至28度之间，相对湿度应为70%以下。
2. 与人员相关得热
按目前人均占用空间计算，一个开放空间的办公室约有50人。居住者的活动定义为久坐，代谢通量等于135 W，其中显热部分为75W，潜热部分为60 W。服装的单位热阻全年为0.5 clo（如轻便的夏季长裤和轻便的长袖衬衫）。考虑到居住者的健康，应保证足够的新风量，本实验按照每人30m3/h考虑。
3. 设备得热
室内光功率密度为12W/m2，荧光灯安装在天花板上。除照明热外，与电气设备有关的内部热增量是量化的，考虑到50台计算机、一台激光打印机和一台复印机，在使用期间平均功率不变。
实验方法
Suncast
Suncast在设计过程的任何阶段都可通过生成的图像和动画对遮阳效果和光照情况进行展示。根据当地气象条件数据，可以模拟太阳路径图（图4）和计算遮阳。同时，通过对室内外遮阳装置的测试，可以评估建筑外遮阳对光照的影响。它还执行遮阳计算，以便与Apache动态模拟应用程序一起使用。
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图4广州日轨图
Apache& Vista Pro
Apache是一个动态模拟工具，通过使用基础数据计算来评估对人体舒适度和能耗参数。在运行Apache之前，应该根据实际的建筑类型和当地的要求设置热模板，并将其分配给目标建筑中的特定房间。预设完成后，Suncast程序结果应链接到Apache的模拟过程。
经过计算，Vista pro是一个综合应用程序可根据需要以表格和图标来呈现和输出实验结果。
Radiance
Radianc是一种预测照明空间可见光辐射分布的研究工具，也可用于计算照明水平、日光系数或日光和/或人工照明的眩光。模拟结果数据可以呈现在模型查看器中的工作平面上。
通常，默认的天空条件是晴天和标准CIE阴天。亮度（Luminance）可用于描述晴天工况下从室内到室外的眩光状况；照度（Illuminance）通过lux水平或日光系数描述阴天工况下工作区域内的视觉表现。除了天气条件外，材料性能或周围环境导致视觉冲突也很重要，因此材料和周围环境的设置也需重点考虑。为了保证结果的准确性，需要考虑两个视图位置：眼睛视图位置和焦点视图位置。
实验结果分析
外部遮阳装置通过控制通过玻璃进入的太阳辐射，进而影响太阳辐射得热和照度需求。实验结果将太阳辐射得热和照度作为两个主要参数来评估可移动遮阳装置最佳位置，。另外，眩光效果也作为效果的评估参数。
1） 太阳辐射得热&空调能耗分析
太阳辐射得热到达地面可分为入射辐射和漫射辐射。辐射通过外窗传输进室内部分是导致室内热量增加主要来源。
如图所示，大部分入射辐射通过窗户传播进室内，从而增加了室内热量，进而增加了空调冷负荷。为了解决这个问题，外遮阳的目的是隔离或减少入射的太阳辐射，以减少太阳辐射进入使用空间。
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图5太阳辐射通过外窗传输情况示意图
当可移动遮阳装置安装在外窗时，太阳直接辐射和漫射辐射的热量将根据遮阳位置的变化和材料特性而变化。在本案例研究中，外遮阳不仅达到了遮光效果，而且遮阳上表面能将日光反射到室内工作区。
为了分析外遮阳位置变化的影响，材料的反射率将保持不变。在这一节中，太阳辐射得热和空调冷负荷变化来评估热舒适性。图6显示了全年的太阳辐射得热（单位：MWh）。
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图6办公室302太阳辐射得热
如折线图所示，不同立面外遮阳方案之间的变化趋势几乎相同。在九月，进入建筑物的太阳辐射得热是最少的。太阳增热最多的月份是12月和1月。其原因可能与太阳位置效应和云层影响有关。
室内太阳辐射得热计算了入射太阳辐射和散射太阳辐射的影响。最上面的蓝线为基础方案的数据，该方案是没有外遮阳装置情况下的太阳辐射得热量。与基准情况相比，遮阳装置可以有效地降低太阳辐射得热，进一步降低空调系统能耗。
OP1和OP4的模拟结果相差不大。当角度为10度时，最佳设置高度为1.5m，这是由于遮光装置延伸宽度较长，达到了更好的遮阳效果。根据结果显示，遮阳装置设置高度比延伸宽度有更好的遮阳效果。在相同设置高度的情况下，外遮阳延伸宽度越长，遮阳效果越好。但是，与1米高，OOA为30度情况相比，遮阳板设置为1.5米高，OOA为20度情况下，通过窗户进入工作区域的太阳辐射得热较少。
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图7办公室302空调冷负荷
以办公室302为例，从最低到最高的能耗顺序与太阳辐射得热的顺序相似。这意味着遮阳装置可以通过减少通过外窗传递到空调区域的太阳辐射得热，进而有效地降低空调能耗。
综上所述，外遮阳的1.5m和1.25m设置高度上，OOA取30度和20度，即OP5、OP6、OP8和OP9相对来讲，空调能耗较低。但外遮阳在起到遮阳降温效果的同时，会对办公室工作区域的照度有不利的影响。
2） 工作区域照度分析
工作面照度是指适合于办公室空间中特定点的特定任务的照度值[4][5]。由于房间中的不同点对于某项任务具有不同的照度标准，因此它是日光评价的参数之一。
《建筑照明设计标准》（GB50034-2013）要求普通办公室0.75m工作水平面上照度标准值为300lux。参考国际标准，可认为100lux到300lux之间的照度适用于计算机工作，而书写工作的首选工作面照度范围为300lux到500lux。
建筑物内主要工作活动为使用计算机活动，本次模拟条件设置在阴天多云条件下，无人工光源影响下进行，模拟结果以工作平面超过100lux工作区域面积比例作为评价指标，结果如下图所示：
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图8超过100lux工作区域面积百分比
通过模拟结果可知，上表面反射率为70%的外遮阳可隔离入射的太阳辐射并反射可见光，通过办公室屋面漫射光增强室内照度。因此，与OP5和OP8相比，OP6(Hw:1.25m，OOA：30°)和OP9（Hw:1.50m，OOA：30°）虽然对空调能耗都有明显的降低，但不能较好地满足工作面照度要求。虽然的遮阳效果最好，但工作场所的视觉效果并不好。
照明能耗的使用取决于自然条件下工作平面照度是否满足要求。当自然光照不足时，人工照明可用于提高照度，满足视觉舒适性。采光系数表示工作面上的照度水平，是室内平均照度与室外平均照度的比值，如下式所示：
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[6]
式中：DF=日光系数，II=室内照度，EI=室外照度
除了工作面上的照度外，采光系数还描述了室内采光与自然采光的对比度，能够更加准确预测遮阳装置的效果。根据相关要求，办公室的采光系数应至少为5%-10%。然而，模拟OP1~OP9的日光系数模拟结果显示，日光系数变化趋势相同。
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图9工作区域光照系数
（横坐标：由外窗到内部的深度；纵坐标：日光系数）
结果表明，日光系数由外窗7.5米进深处降至0，这代表该房间7.5m进深处无法获取自然光。因此，大量人工照明能耗主要用于距外窗7.5m以及更远直至内分隔墙的区域。为了降低能耗，房间进深设置的合理性可有助于降低照明能耗。
3） 眩光分析
眩光增加了在明亮的光线（如直射或反射的阳光）或人造光（如夜间的汽车前照灯）存在时的视觉难度。眩光是由任务和眩光源之间的亮度的强度对比引起的。眩光有两种，不适眩光和失能眩光。
不适眩光会导致人们想把目光从明亮的光源移开，或者本能地看不到任务。对于计算，不适眩光取决于灯具的亮度、观察者的适应水平、灯具位置、眩光源的大小和数量以及其他重要但通常不包括在模型中的因素。
失能眩光是由于眼球内光线的内部反射，使任务与眩光源之间的对比度降低到无法区分任务的程度，这种眩光会损害物体的视觉，但不一定会引起不适。通常可接受的失能眩光指标是一个亮度测量值—等效遮光亮度Lseq，该亮度值相当于一个人由于光线通过眼睛的散射而经历的光的遮光。
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- C— 眩光对比度
- Lbackground — 背景亮度
- Lobject¬— 目标亮度
- Lseq — 等效遮光亮度
-
为了量化眩光，建议使用统一眩光等级（UGR）和日光眩光指数（DGI）。统一眩光等级是一种计算灯具、穿过窗户的光线和明亮光源的眩光的方法，有助于评估眩光可能对居住者造成的不适。UGR的计算公式如下：
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- L — 背景亮度
-
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— 每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成立体角
-
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— 灯具在观察者眼睛方向的亮度
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图10 统一眩光值（UGR）
该图显示了在人工光源使用条件下，工作平面（0.75m）处的统一眩光等级。办公室的最大允许UGR为19级。OP5(Hw:1.25m，OOA：20°)统一眩光值均在20以下，而OP8(Hw:1.50m，OOA：20°)则远远大于20。其原因可归结为外遮阳装置降低了背景的亮度，增加了背景和光源之间的对比度。从眩光角度考虑，OP5(Hw:1.25m，OOA：20°)比OP8(Hw:1.50m，OOA：20°)更加舒适。
对于亮度不均匀的光源，日光眩光指数是评价日光不适眩光的主要指标。眩光感知不适程度由以下方程式描述的眩光指数表示：
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- Ls — 光源亮度，cd/m2
- Lb— 平均背景亮度，cd/m2
-
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— 视觉范围立体角度
-
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— 位置修正系数
DGI结果如下图所示：
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图11 日光眩光指数（DGI）
根据DGI值将指标分为舒适区和不舒适区。
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图12 眩光评价标准
根据表中所示的眩光评估指标，视觉舒适度的DGI应在22左右。由图11所示结果可知，大多数外遮阳方案都能满足视觉性能的要求。此外，DGI越低，视觉感知越好。OP5（Hw：1.25m，OOA：20°）的DGI指标均位于17.5左右，属于所有方案选择中最低，则该选择视觉感知效果最佳，与UGR结果相同。
综上所述，OP5（Hw：1.25m，OOA：20°）是眩光考虑的合适方案，该方案可以有效地保证良好的视觉性能，避免由眩光引起的不适。
4） ETTV分析
ETTV代表围护结构的热传递量，该值考虑了通过建筑物外墙和窗户的三个基本得热形式。主要包括：1.通过不透明墙壁的热传导；2.通过玻璃窗的热传导；3.透过玻璃窗的太阳辐射。
ETTV公式如下：
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- ETTV — 外围护结构传热量，W/m2
- WWR — 窗墙比
- Uw— 不透明墙体传热系数
- Uf— 外窗传热系数
- CF — 通过外窗进入的太阳得热修正系数
- SC —遮阳系数
下表列明了OP5（Hw：1.25m，OOA：20°）的ETTV：
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注：ETTV计算结果详见附录。
由上述结果可知，设置外遮阳的南侧外立面比未设置这样情况下的ETTV降低了3%。这也进一步说明通过设置外遮阳，降低了外窗的遮阳系数，有效地降低太阳辐射得热通过外窗进入室内，从而达到降低空调冷负荷，降低制冷能耗的效果。
总结
外遮阳作为一种建筑被动式设计，用于隔绝入射的太阳辐射得热，从而减小空调冷负荷，降低制冷能耗。然而，不恰当外遮阳选择可能会导致工作平面照度过低，不满足使用要求的现象。除此之外，由于外遮阳的设置，背景亮度降低，也会引起眩光。因此，外遮阳的设置合理性应考虑三个因素：太阳辐射得热、工作面照度和眩光。
通过使用IES-VE模拟软件对外遮阳9种方案选择进行模拟结果表明，OP4（Hw：12.5m，OOA：10°）、OP5（Hw：1.25m，OOA：20°）和OP6（Hw：12.5m，OOA：30°）能更加有效地降低太阳辐射得热。通过对工作平面照度模拟，为满足计算机工作对照度的要求（100lux~300lux），OP3（Hw：1.00m，OOA：30°）、OP5（Hw：1.25m，OOA：20°）和OP8（Hw：1.50m，OOA：20°）能够保证办公室的视觉效果最好。考虑到不适眩光的影响，采用UGR和DGI作为评价室内外眩光的标准。对比方案选择模拟的结果，OP5（Hw：1.25m，OOA：20°）是优先选择，可为工作场所提供足够的照度，也可以有效地避免眩光带来的不适感。
综上所述，OP5（Hw：1.25m，OOA：20°）是最适合的外遮阳设置选择，其形式又可被称为“中置遮阳”。该遮阳方式能够有效地降低车辆段空调能耗和照明能耗，还能够保证办公区域有良好的天然采光的同时，避免眩光效果。
参考文献
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3. Sa’id ENA, Dodo YA, Khandar MZ, Ahmad MH. correlat- ing visual comfort with green building index in an open plan office space. Life Science Journal. 2014; 11(10).
4. Darula S, Kundracik F, Kocifaj M, Kittler R. Tubular light guides: Estimation of indoor illuminance levels. Leukos. 2010; 6(3):241–52.
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M.Z.Kandar, P.S.Nimlyat, M.G.Abdullahi, Y.A.Dodo. A field study of thermal and visual performance of self-shading energy commission diamond building, Putrajaya, Malaysia, 2016.
附录
Thermal model
Solar heat gain of office 302
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Unit: MWh
Cooling and dehumidified load of office 302
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Unit: MWh
Illuminance on working plane
Baseline
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Option 1
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Option 2
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Option 3
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Option 4
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Option 5
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Option 6
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Option 7
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Option 8
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Option 9
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Daylight factor
Baseline
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Option 1
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Option 2
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Option 3
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Option 4
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Option 5
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Option 6
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Option 7
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Option 8
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Option 9
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Glare
Baseline
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Option 1
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Option 2
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Option 3
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Option 4
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Option 5
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Option 6
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Option 7
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Option 8
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Option 9
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UGR data
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DGI data
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ETTV
Baseline
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Option 5
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Energy consumption
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Unit: MWh