武漢地區(qū)居住建筑設(shè)計中臨時遮陽的應(yīng)用

1積極調(diào)節(jié)和建筑立面形式總之，居住建筑的遮陽有兩個主要意義：一是也是主要意義，是控制室內(nèi)熱量或選擇性調(diào)節(jié)室內(nèi)熱量，以減少熱量的影響，并在低熱周期通過室外。其次，作為建筑自身的立面元素，它起到了豐富立面形狀的作用。其基本形式可分為兩大類:臨時性遮陽和永久性遮陽。臨時性遮陽包括遮棚、綠化遮陽等。永久性遮陽包括水平式、垂直式、綜合式、擋板式等。2武漢地區(qū)新設(shè)熱計劃設(shè)計中各朝共建主體結(jié)構(gòu)方案方案2筆者于2003年對武漢地區(qū)居住建筑的遮陽狀況進(jìn)行了調(diào)查,共調(diào)查265棟建筑,調(diào)查結(jié)果示于表1,2,其中新建住宅小區(qū)均為1999年后建成的。由表1,2可見,目前武漢地區(qū)居住建筑設(shè)永久性遮陽的不多(新建住宅小區(qū)比老式居住建筑有增多趨勢,但比例仍較小),即建筑設(shè)計時較少考慮遮陽問題;半數(shù)以上未設(shè)永久性遮陽的建筑在房間窗戶上設(shè)置了臨時性遮陽,新建住宅小區(qū)設(shè)置臨時性遮陽比例略小于老式居住建筑(與部分新建住宅小區(qū)要求外觀統(tǒng)一有關(guān));各朝向設(shè)臨時性遮陽比例差別不大。說明許多居民重視窗戶的隔熱問題,也說明武漢地區(qū)夏季應(yīng)設(shè)遮陽。在遮陽的型式方面,調(diào)查發(fā)現(xiàn)永久性遮陽幾乎均為水平式,外形有長方形、弧形、坡形。遮陽板挑出長度一般為200～300mm,兩翼挑出長度一般為200～450mm,遮陽板距窗戶上緣距離一般為0～200mm。臨時性遮陽一般也為水平式,遮陽板挑出長度一般為500～600mm,兩翼挑出長度一般為100～450mm,遮陽板距窗戶上緣距離一般為0～200mm。這些尺寸是否合理,將在下面予以分析。3計算陰陽組件的尺寸3.1約束制作原則夏季需遮陽,冬季需日照,理想的遮陽應(yīng)盡量同時滿足冬夏季的要求。按夏季有滿窗遮陽、冬季有滿窗日照為原則進(jìn)行遮陽構(gòu)件尺寸計算。假設(shè)建筑為正南朝向,且前方房屋不影響冬夏日照(見圖1)。3.1.1水平避陽板的長度3.1.1.遮陽板最佳生長時間的確定根據(jù)文獻(xiàn)中武漢市最近10年室外氣象參數(shù),選月平均溫度最高的3個月(6,7,8月)作為夏季計算,月平均溫度最低的3個月(12,1,2月)作為冬季計算。逐日赤緯用PeterJ.Iumde等人建議的公式粗略計算。δ=23.45sin360(N?80)370(1)δ=23.45sin360(Ν-80)370(1)式中δ為赤緯;N為從1月1日開始計算的天數(shù)。由上式可算出夏季和冬季始末日的赤緯值。6月1日:δ=22.04°8月31日:δ=8.56°12月1日:δ=-21.76°2月28日:δ=-8.19°夏季滿窗遮陽時遮陽板挑出長度為L=Hcothcosγ(2)L=Ηcothcosγ(2)式中L為挑出長度;H為水平板下緣至窗臺距離(一般遮陽情形下H為水平板東角點(上午)或西角點(下午)在墻面上的投影與水平板之間的距離,此處為滿窗遮陽時的情形);h為太陽高度角;γ為太陽方位角與墻方位角之差(見圖1)。當(dāng)房屋為正南向時,γ=A,A為太陽方位角。cosA=sinhsin??sinδcoshcos?(3)cosA=sinhsin?-sinδcoshcos?(3)式中?為緯度。故L=Hcothsinhsin??sinδcoshcos?=H(tan??sinδcos?sinh)(4)故L=Ηcothsinhsin?-sinδcoshcos?=Η(tan?-sinδcos?sinh)(4)現(xiàn)在要求整個夏季都能滿窗遮陽的L,即求最大的L。當(dāng)δ>0°時,同一天中,h為最大時(即中午12:00),L達(dá)最大。即夏季(δ>0°)一天中中午12:00時所需遮陽板的挑出長度最大。中午12:00時,A=0°,由式(2)有L=Hcoth(5)L=Ηcoth(5)中午12:00時高度角為h=90°?(??δ)(6)h=90°-(?-δ)(6)δ最小時h最小,從6月1日至8月31日,δ先逐漸增大至最大值,然后逐漸減小,至8月31日最小,故8月31日h最小,由式(5)知,此日的L最大。武漢氣象臺站的?=30.62°,8月31日的δ=8.56°,故h=90°-(?-δ)=67.94°。此時L=Hcoth=0.4052H(7)L=Ηcoth=0.4052Η(7)滿足式(7)要求的水平遮陽板挑出長度L是夏季逐日逐時的最大值。冬季滿窗日照時遮陽板挑出長度為L=Bcothcosγ(8)L=Bcothcosγ(8)式中B為水平板下緣至窗臺上緣距離。當(dāng)房屋為正南向時,γ=A,類似于式(4)的推導(dǎo),可得L=B(tan??sinδcos?sinh)(9)L=B(tan?-sinδcos?sinh)(9)現(xiàn)在要求整個冬季都能滿窗日照時的L,即求冬季逐日逐時L中的最小值。冬季δ<0°,由式(9)知,一天中h最大時(即中午12:00)L最小。中午12:00時,A=0°,故γ=0°,此時由式(8)有L=Bcoth(10)L=Bcoth(10)逐日中午12:00時高度角為h=90°-(?-δ),δ最大時h最大,從12月1日至2月28日,δ先逐漸減小至最小值(絕對值最大),然后逐漸增大,至2月28日δ最大,故2月28日h最大,由式(10)知,此日的L最小。2月28日δ=-8.19°,h=90°-(?-δ)=51.20°,故L=Bcoth=0.804B(11)L=Bcoth=0.804B(11)滿足式(11)要求的水平遮陽板挑出長度L是冬季逐日逐時的最小值,可滿足冬季滿窗日照要求。要同時兼顧夏冬季的要求,則夏季遮陽板長度應(yīng)不超過冬季遮陽板長度,即由式(7)和式(11)得0.4052H≤0.804B0.4052Η≤0.804B即BH≥0.504(12)BΗ≥0.504(12)設(shè)窗高1.75m,即B+1.75m=H,結(jié)合式(12)可得L=1.43m,B=1.78m。顯然,L與B的尺寸不合理,尤其B無法使一般建筑滿足。故要同時滿足夏季3個月滿窗遮陽和冬季3個月滿窗日照不現(xiàn)實。3.1.1.方案2:h與采用b、k根據(jù)文獻(xiàn),武漢地區(qū)空調(diào)降溫期為53d,供暖期為42d。因下列計算需要具體的日期,為方便起見,采取對月平均溫度分布進(jìn)行加權(quán)處理的近似方法,確定最熱的53d為空調(diào)降溫期(6月21日～8月12日)計算對象,最冷的42d為供暖期(12月27日～2月6日)計算對象。計算方法類似于方案1。由式(2)和(6)可分別求出供暖期和空調(diào)降溫期始末日的δ和中午12:00時的h。6月21日:δ=23.45°,h=82.83°。8月12日:δ=15.34°,h=74.73°。12月27日:δ=-23.41°,h=35.97°。2月6日:δ=-15.64°,h=43.74°。空調(diào)降溫期遮陽板挑出長度取h最小日(8月12日)中午12:00時刻計算。L=Hcoth=0.273H(13)L=Ηcoth=0.273Η(13)供暖期遮陽板挑出長度取h最大日(2月6日)中午12:00時刻計算。L=Bcoth=1.045B(14)L=Bcoth=1.045B(14)要同時兼顧空調(diào)降溫期和供暖期的要求,應(yīng)有0.273H≤1.045B0.273Η≤1.045B即BH≥0.261(15)BΗ≥0.261(15)設(shè)窗高1.75m,即B+1.75m=H,結(jié)合式(15),(13)可得L=0.65m,B=0.62m。這兩個尺寸相對而言較合理?？梢?采用方案2比較符合實際。應(yīng)該指出,水平遮陽板挑出長度計算式(5)僅為夏季滿窗遮陽的必要條件之一,如水平遮陽板僅滿足式(5)(具體到武漢地區(qū)為方案1的式(7)和方案2的式(13))而兩翼無挑出長度,則僅正午有滿窗遮陽,上午窗戶東下角部分和下午窗戶西下角部分均不在遮陽范圍內(nèi),故還需討論水平板兩翼挑出長度問題。3.1.2遮陽板有效長度設(shè)房屋為正南朝向,按3.1.1中方案2的時間計算。由文獻(xiàn)知,滿足滿窗遮陽所需水平板兩翼挑出長度計算式為D=Hcothsinγ(16)D=Ηcothsinγ(16)式中D為水平板兩翼挑出長度。正南朝向時,γ=A,顯然,當(dāng)A=±90°時,h達(dá)最小值,Hcothsinγ達(dá)最大值,即此時之D為一日內(nèi)最大之D。由式(3)可算出,夏季6月21日A=±90°時,h=51.39°,則D=Hcothsinγ=0.799H。夏季8月12日A=±90°時,h=20.28°,則D=Hcothsinγ=2.706H(17)D=Ηcothsinγ=2.706Η(17)6月21日～8月12日期間,當(dāng)A=±90°時h之值以8月12日為最小,故此時的D(2.706H)為滿足空調(diào)降溫期遮陽所需水平板兩翼挑出長度。如窗高為1.75m,由式(15)可得H=2.368m,則由式(17)得D=6.41m,此尺寸已超過一般居住建筑相鄰兩窗之間距,故應(yīng)做成連續(xù)式水平遮陽。必須指出,當(dāng)水平板挑出長度滿足冬季滿窗日照時,水平板兩翼挑出長度對滿窗日照無影響。但水平板兩翼挑出長度對夏季滿窗遮陽卻是必要條件。綜上所述,保證夏季空調(diào)期滿窗遮陽和/或冬季供暖期滿窗日照的水平遮陽板條件如下:a)同時滿足式(13)和式(17),可保證夏季空調(diào)期滿窗遮陽。b)滿足式(14),可保證冬季供暖期滿窗日照。c)同時滿足式(13),(15)和式(17),可保證夏季空調(diào)期滿窗遮陽和冬季供暖期滿窗日照。現(xiàn)對武漢地區(qū)典型住宅遮陽進(jìn)行驗算分析。武漢地區(qū)A住宅一朝南窗戶設(shè)永久性水平遮陽。窗高1.7m,寬1.9m,遮陽板挑出長度(板寬)為0.2m,板長2.3m,遮陽板距窗戶上緣距離為0.1m。B住宅一朝南窗戶設(shè)臨時性水平遮陽。窗高1.7m,寬1.3m,遮陽板挑出長度(板寬)為0.6m,板長1.7m,遮陽板距窗戶上緣距離為0.1m。對A住宅窗戶,由式(15),水平遮陽板應(yīng)滿足B/H≥0.261。窗高1.7m,取B=0.261H,則有H=B+1.7m=0.261H+1.7m,故得H=2.3m,B=0.6m。再由式(13)得L=0.273H=0.63m。水平板兩翼挑出長度現(xiàn)為(2.3m-1.9m)÷2=0.2m。故此建筑的水平遮陽板挑出長度、距窗戶上緣距離和兩翼挑出長度均不符合要求。對B住宅窗戶,計算可知,此遮陽板挑出長度基本符合要求,但遮陽板距窗戶上緣距離和兩翼挑出長度均不符合要求,故此遮陽板夏天空調(diào)降溫期正午的遮陽效果較好,其他時間效果較差,冬季供暖期窗戶日照效果也不能完全保證。由第2章調(diào)查結(jié)果知此算例有代表性,即武漢地區(qū)的居住建筑遮陽除部分臨時性遮陽的挑出長度基本符合要求外,其他尺寸和永久性遮陽的各項尺寸一般均不符合夏季有滿窗遮陽、冬季有滿窗日照的要求。3.2垂直式遮陽板w的發(fā)現(xiàn)對于正南向建筑,北向只有夏季遮陽問題。夏季北向主要需遮擋早晚窗側(cè)面射來的陽光,此時太陽高度角較小,故適宜用垂直式遮陽。垂直式遮陽板的最大挑出長度取決于太陽最大方位角。一天中,太陽方位角最大值出現(xiàn)在日出與日落時,此時cosA=?sinδcos?(18)cosA=-sinδcos?(18)逐日之A最大值出現(xiàn)在cosA最小,即δ最小時。從6月21日至8月12日,以8月12日之δ為最小(15.34°),此時cosA=?sinδcos?=?0.3074A=107.90°L=Wtan(A?90°)(19)cosA=-sinδcos?=-0.3074A=107.90°L=Wtan(A-90°)(19)式中L為垂直式遮陽板的挑出長度;W為兩面垂直板間凈距離(見圖2)。如果在北向設(shè)水平遮陽板,則由式(2)有L=HcothcosA,當(dāng)日出時,h=0°,可知L為無窮大。當(dāng)A=90°時,h為太