基于“夏氏遮阳”的广州地区高校教室南向外遮阳优化设计.pdf
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1、20GreenBuildingsJournalofBEENo.9 in 2023(Total Vol.51,No.391)绿色建筑2023年第9 期(总第51卷第3 9 1期)建筑节能(中英文)doi10.3969/j.issn.2096-9422.2023.09.004基于“夏氏遮阳”的广州地区高校教室南向外遮阳优化设计王扬,侯睿2,孙锡嘉”(1.华南理工大学建筑学院,广州510640;2.华南理工大学建筑设计研究院有限公司,广州510640;3.东南大学建筑学院,南京210096)摘要:“夏氏遮阳”是夏昌世教授在岭南地区设计的一系列建筑遮阳系统,对广州地区建筑遮阳设计影响深远。通过梳理“夏
2、氏遮阳”的南向窗口遮阳发展过程,总结其设计方法与特点。并以此为基础,选取华南理工大学慎思楼作为研究对象,展开高校教室南向外遮阳设计研究。以外遮阳系数与采光均匀度作为评价标准,运用性能模拟软件建立模型并进行仿真模拟,定量分析结果并进行评价。针对广州地区气候特点,从低技、适宜原则出发,对该遮阳系统进行水平遮阳与动态适应优化设计,以期更有效地提高遮阳效果,满足气候动态适应的需求。为广州地区高校教室的南向外遮阳设计提供一定参考。关键词:夏氏遮阳;夕外遮阳设计;高校教室;优化设计;广州地区中图分类号:TU24文献标志码:A文章编号:2096-9422(2023)09-0020-07Optimizatio
3、n Design of Southward Shading for University Classroom inGuangzhou based on“Xias ShadingWANG Yangl-2,HOU Ruil.2,SUN Xijia(1.School of Architecture,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China;2.Architectural Design and Research Institute of South China University of Technology Co.,Ltd
4、,Guangzhou510640,China;3.Department of Architecture,Southeast University,Nanjing 210096,China)Abstract:“Xia s Shading is a series of architectural shading systems designed by Professor XiaChang-shi in Lingnan,which has a profound influence in Guangzhou.By sorting out the southwardwindow shading deve
5、lopment process of“Xia s Shading,the design method and characteristics aresummarized.On this basis,Shensi Building of South China University of Technology was selected as theresearch object to carry out the study on the shading design of university classroom.External shadingcoeficient and lighting u
6、niformity were used as evaluation criterion.Simulation software was used toestablish a model and conduct simulation,the results were quantitatively analyzed.In view of the climatecharacteristics of Guangzhou,based on the principle of low technology and suitability,the optimizationdesign of overhangs
7、hading and climate dynamic adaptation was carried out to improve the shading effectmore effectively and meet the needs of climate dynamic adaptation.It provides reference for the southexterior shading design of university classroom in Guangzhou.Keywords:Xia s shading;exterior shading design;classroo
8、m on campus;optimization design;Guangzhou收稿日期:2 0 2 2-0 5-2 4;修回日期:2 0 2 3-0 9-1921王扬,等:基于“夏氏遮阳”的广州地区高校教室南向外遮阳优化设计0引言广州地区气候特征独特,气候适应性是当地建筑设计的重要原则。遮阳作为回应气候的被动式设计策略之一,能够显著降低太阳辐射、光照对室内环境的影响。在当前的“双碳”背景下,良好的遮阳设计无疑是减少建筑能耗的有效途径。夏昌世教授所提出的“夏氏遮阳”中,就形成了一套独特地应对岭南炎热气候的遮阳设计策略。1“夏氏遮阳”的南向外遮阳设计的发展与传承“夏氏遮阳”中的南向窗口遮阳技术
9、发展与特点20世纪50 年代,华南工学院的夏昌世教授针对岭南气候特征进行了一系列的针对于现代建筑防热相关问题的实践研究,并将屋顶隔热和窗口遮阳的研究成果进行实践 。“夏氏遮阳”涵盖了遮阳防晒、自然通风、隔热等气候适应性构造技术,本文仅研究其建筑南向窗口遮阳技术发展 2 。夏昌世针对当时的社会条件与经济状况,吸收传统遮阳方法来设计遮阳构件并应用在现代建筑上。在南向窗口遮阳探索上,经历了从现浇框架遮阳向预制百叶和遮阳板组成的“个体遮阳 的演变(见表1)3.4 在“夏氏遮阳”南向窗口遮阳的发展中,共经历了3次重要发展。第一次重要发展是综合遮阳(框架遮阳),夏昌世根据广州太阳方位角和高度角求出遮阳表1
10、夏昌世主要作品的南向遮阳实践演变Table 1 Xia Chang-shis main works of south shading practice evolution年代主要实践项目材料构件生产方式遮阳方式1953中山医学院生理生化楼混凝土现场制备综合遮阳(框架遮阳)1954中山医学院药物教学楼加建混凝土、砖现场制备综合遮阳(双重水平遮阳)1954鼎湖山休养所木质预制水平百叶遮阳1955中山医学院第一附属医院混凝土现浇预制结合水平百叶遮阳1957中山医学院病理解部楼混凝土预制个体综合式遮阳(单层水平百叶)1958华工电讯物理楼混凝土预制个体综合式遮阳(双层水平百叶)板宽度,达到高温时间遮蔽
11、太阳直射的效果。第二次重要发展是百叶遮阳板。在考虑到混凝土遮阳板的蓄热和散热问题后,夏昌世吸收了近代岭南建筑百叶窗等遮阳设计优点,加以创新而形成百叶遮阳板。与普通遮阳板相比,其优势如下:能标准化生产,减小施工难度与周期;减小了遮阳板尺寸以减轻自重;百叶之间的空隙有助于通风散热,提高换热效率。使其更加轻量、经济、高效。第三次重要发展一“个体综合式遮阳”是综合前两种遮阳方式后发展而来,作为对应单个窗户的综合遮阳形式,其“所获得的阴影面积和综合式的大小差不多”5。夏昌世灵活组合遮阳百叶与竖向遮阳板件,从而可以将这种遮阳方式随不同窗户尺寸与形式进行变化,应用到诸多建筑中。1.2慎思楼南向外遮阳设计的传
12、承演化华南理工大学作为华南工学院的延续,校园中的诸多建筑设计也相应传承了“夏氏遮阳”的理念。其中,慎思楼的遮阳设计是此理念清晰地延续与体现。慎思楼位于华南理工大学五山校区西湖旁,由何镜堂院士担任总建筑师进行设计,是由4 栋建筑串联所组成的教学楼群。其南向窗口的外遮阳设计形成了独特的立面效果。慎思楼南向外遮阳形式(见图1(a)主要为综合遮阳,两扇窗为一个遮阳单元,与建筑结构相结合,利用混凝土框架进行遮阳,在框架内部中间位置设计竖向构件进行垂直遮阳。窗户开启扇上方设置水平遮阳板进行横向遮阳。水平遮阳板设计为内侧格栅板与外侧铝板。下部为空调外机位,以水平混凝土板相分隔,外罩竖向百叶铝板。慎思楼南向外
13、遮阳设计沿用了“夏氏遮阳”的诸多理念-以框架遮阳为基础,综合灵活设置遮阳构一件。南向遮阳以现浇钢筋混凝土框架作为外立面,在起到遮阳效果的同时,巧妙地将梁、柱、板等建筑结构隐藏或结合起来,并在框架上预留了遮阳构件槽位。这继承了“夏氏遮阳”中框架遮阳的优点,且框架让建筑立面设计具有逻辑性,清晰划分出各遮阳单元。遮阳单元的设计思维蕴含了“个体综合式遮阳”的理念,可针对各单元,快速标准地生产单元内部的遮阳构件,并可根据房间开间大小进行调整。在单元内部的遮阳构件中,使用了与百叶遮阳异曲同工的预制铝板与格栅板遮阳。格栅板片间的空隙可以改善室内的通风情况与结构的蓄、散热问题,采用传热速度较快的铝合金材质,使
14、得积蓄的热量容易散发(见图1(b)。下部的空调机位出风口以混凝土板与窗户分隔,外罩的竖向百叶铝板板片向下倾斜,在遮雨的同时将空调外机的热风向外导出,使得热量不易积揽在遮阳单元22WANGYang,et al.Optimization Design of Southward Shading for UniversityClassroom in Guangzhou basedon“XiasShading”大部分热空气上升小部分热空气一室外风压进入室内室内室外空调热空气(a)南立面与构件照片(b)单元通风散热示意图(a)Photoofsouthfacade(b)Ventilation and hea
15、t dissipation图1慎思楼的南向遮阳构件分析Fig.1 Analysis of southward shading component of Shen Si Building内部。以上所述的慎思楼南向遮阳构件的种种特点,可以说是“夏氏遮阳”的延续与传承2慎思楼南向外遮阳设计分析2.1广州气候条件分析广州属南亚热带季风气候,雨水资源丰富,光热十分充足,以夏季长为特征 6 。全年高湿,年平均相对湿度7 8%,4 9 月为汛期,降水丰富。结合广州气象台数据,并通过软件对广州全年温度进行分析。广州全年平均气温在2 1.5 2 2.2 之间。5-10 月气温相对较高,最热月为7 月,月平均气温
16、达2 8.7;12月至次年2 月为低温月份,最冷月为1月,月平均气温为13 7 。因此,可以运用合理的遮阳手段,在高温的月份减少阳光射人,降低射人室内的太阳辐射量从而降低室内温度,提高室内舒适性。在冬季,使室内获得更多的太阳辐射,提升室内温度 8 O2.2模拟与分析2.2.1理想模型确立为了模拟计算的方便,减少不必要的计算量,对遮阳构件模型进行简化,选择慎思楼中3 3 号楼中间层标准房间作为分析模型,见图2:单间开间尺寸为11800mm162200mm,层净高3 9 0 0 mm,南向的遮阳系统框架进深8 0 0 mm,单面窗的尺寸为2 2 0 0 mm3500mm;内部格栅距窗16 0 mm
17、,距离下部窗台1500mm,每片格栅板间距为8 0 mm,共6 格,高100mm;外部水平铝板挑出50 0 mm,宽2 9 0 0 mm。并添加2 10 0 mm的走廊与距地面高为9 0 0 mm,且高2200mm、宽3 50 0 mm的北侧两扇窗户8001620011800350022003500390050022003.50021002900单位:mm单位:mm(a)标准房间理想模型(b)遮阳构件理想模型(a)Ideal model for standard room(b)Ideal model for shading element图2标准房间与遮阳构件的理想模型Fig.2 Ideal
18、model for standard rooms and shading element2.2.2南向窗口太阳辐射分析为更好地说明遮阳情况,采用模拟软件分别对没有遮阳的窗口和有遮阳的窗口的外遮阳系数进行计算。由于南向遮阳单元包含水平、垂直、百叶遮阳的复杂组合,无法使用我国现行规范进行准确的外遮阳系数计算 9.10 。根据华南理工大学赵立华教授在“夏氏遮阳”的遮阳效果分析中的研究论证:可根据当地太阳辐射数据,计算某朝向透过有遮阳外窗的太阳辐射得热量与透过无遮阳该窗的太阳辐射得热量,近似认为两者的比值是外遮阳系数,见公式(1);外遮阳系数(SD)=有遮阳外窗累计太阳辐射(W h)/无遮阳外窗累计太
19、阳辐射(Wh)(1)由计算公式(1)可知,当系数越小时,则该外窗累计太阳辐射相对越少,说明该遮阳构件遮阳能力越好。通过软件对慎思楼遮阳构件进行逐月的外遮阳系数计算(见表2),以此判断遮阳构件的有效性,并计算太阳直射辐射与散射辐射,进一步探究遮阳性能。经计算得知,全年平均可阻挡7 4%以上的总辐射,慎思楼南向遮阳构件阻挡太阳辐射效果明显。从太阳总辐射(见图3(a)计算中可以看出,在增加23王扬,等:基于“夏氏遮阳”的广州地区高校教室南向外遮阳优化设计表2慎思楼遮阳构件外遮阳系数逐月计算WhTable 2 Calculation of external shading coefficient of
20、 shading elements of Shen Si House by month(Wh)指标参数1月2月3月4月5月6月无遮阳板31 057 994.924 438 764.224 630 675.8429 853 463.73598240921 495 381.1总辐射有遮阳板9.925 868.167 360 341.126 393 116.168 170 709.769 494 812.88 063 930.88外遮阳系数0.320.300.260.270.260.38无遮阳板12.498 468.57.455 968.648017557.128 07321610 672.8710
21、直射辐射有遮阳板2.963 243.52989 262.72160 738.56000外遮阳系数0.240.130.020.000.00一指标参数7月8月9月10月11月12月无遮阳板38 011 271.0447.568 084.547 166 526.0851 679 843.243 614 190.0840 341 957.12总辐射有遮阳板9.958 705.928 719.009.929 775 975.6811 737 082.8811 749 271.0413 032 506.88外遮阳系数0.260.180.210.230.270.32无遮阳板11 465 112.9624.3
22、26484.521983644.825591605.1224149053.4422.859.971.2直射辐射有遮阳板00328 809.61 950 1924 447 059.846 474 165.12外遮阳系数0.000.000.010.080.180.28了遮阳构件之后,每月窗口接收的太阳辐射都远低于无遮阳状态。特别在8 10 月,气温相对较高,太阳辐射最多的月份,遮阳系数都维持了一个相对较低的水平,在气温较低的12 月至次年2 月,遮阳系数均在0.3以上,这使得更多的辐射可以进人室内,提高室内气温。从太阳直射辐射计算中可看出,遮阳构件对直射辐射的遮挡最为高效。广州17 月,天气多阴雨
23、,太阳直射辐射相对较少;8 12 月天气多晴朗,因此太阳直射较多。因为广州位于北回归线上,夏至日前后太阳转为照向北面,故6 月南向没有直射辐射,这也是总辐射图表中6 月前后遮阳系数较高的原因遮阳构件对于直射辐射遮挡是高效的,但对于散射辐射的阻挡月均值在6 5%左右 2 。在4 8 月,包含太阳高度角较大的原因,遮阳构件基本上可以将直射辐射全部阻挡在窗外9-10 月的直射遮阳系数也较小,这满足了在广州较热的510 月对于直射光的屏蔽,对室内气候有良好的降温作用(见图3(b);在温度最低的1月和12 月,外遮阳系数相对最大分别为0.2 4 与0.28,并对直射辐射遮挡最少,这样就可以让更多的阳光射
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