ladybug tools采光模拟软件辅助建筑遮阳

变量计算及设计优化的方法研究

研究目的与意义

随着全球经济发展和城市化进程加快，建筑能耗持续增长。据国际能源署 (IEA) 统计，建筑能耗占全球总能耗的 30% 以上，其中空调供暖能耗占比超过 50%。建筑外窗是建筑围护结构中热工性能最薄弱的环节，夏季太阳辐射得热和冬季热损失主要通过外窗发生。在建筑夏季空调制冷需求中，通过窗户进入室内的太阳辐射占很大一部分。因此，提高外窗遮阳性能是降低建筑能耗的重要措施。合理的外遮阳设计对于降低建筑能耗、改善室内热舒适和光环境具有重要意义。本研究为应设置外遮阳的建筑（特别是冬夏季得热与遮阳兼顾的夏热冬冷地区）外遮阳设施的设计与优化调整提供一种有效的工具。

专用术语：

气候区：《民用建筑热工设计规范》将全国划分为‌五大气候区‌：

严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区、温和地区，分区指标以‌1月和7月平均气温‌为核心，辅以湿度、冻土、日照等参数，直接指导建筑设计的保温、隔热（遮阳）、通风等策略。

建筑遮阳系数shading coefficient of building element（即外遮阳系数）

在照射时间内，同一窗口（或透光围护结构部件外表面）在有建筑外遮阳和没有建筑外遮阳的两种情况下，接收到的两个不同太阳辐射量的比值。——《民用建筑热工设计规范》

太阳得热系数SHGC(Solar Heat Gain Coefficient）：

a通过透光围护结构进入室内的太阳辐射总热量（含直接透射 + 玻璃吸收后二次传热）与投射到其外表面的太阳辐射总能量的比值——《公共建筑节能设计标准》2015版

b在照射时间内，通过透光围护结构部件（如：窗户）的太阳辐射室内得热量与透光围护结构外表面（如：窗户）接收到的太阳辐射量的比值——《民用建筑热工设计规范》

综合遮阳系数general shading coefficient

建筑遮阳系数和透光围护结构遮阳系数的乘积——《民用建筑热工设计规范》

遮阳系数SC：定义为通过透光围护结构的太阳辐射室内得热量，与相同面积的标准玻璃（3mm厚的透明玻璃）的太阳辐射室内得热量的比值——《公共建筑节能设计标准》2005版（已废止）

1、建筑遮阳相关技术标准与适用气候区要求

1.1建筑遮阳体系分类

建筑物屋顶、墙体与外窗的功能即是挡雨避风遮阳，其又通常通过外窗获得自然光照明、太阳辐射热及进行自然通风。建筑遮阳研究范围在建筑外窗附近的实体结构上附加的遮阳构造，其根据安装位置不同可分为：

——外遮阳：遮阳设施安装在室外一侧，如遮阳百叶、遮阳篷、遮阳纱幕等；

——内遮阳：遮阳设施安装在室内一侧，如百叶帘、卷帘、织物帘等；

——玻璃自遮阳：窗玻璃的物理遮光，如节能玻璃、中置百叶等；

本方法研究的主要内容是建筑外遮阳的设计优化。外遮阳根据遮阳构件的构造形式不同可分为：

——水平遮阳：遮阳构件平行地面；

——垂直遮阳：遮阳构件垂直于地面；

——综合遮阳：综合包含水平遮阳、垂直遮阳构件；

——挡板（格栅）遮阳：平行外窗的遮阳板（或格栅）；

此外依据外遮阳构件是否可变分类为：

——固定式遮阳：最常见的遮阳构件安装构造形式；

——可变式遮阳：可变式体系的控制方法包含人工控制、程序控制、互动智能控制三种类型。

图1-1建筑遮阳体系的基本类型（图片来源：胡骉,王禹淳.建筑表皮互动遮阳系统设计研究探析[J].中外建筑,2022(03): 44-50.）

1.2建筑遮阳相关技术标准

《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015

《建筑节能与可再生能源利用通用规范》GB 55015-2021

《近零能耗建筑技术标准》GB/T 51350-2019

《民用建筑热工设计规范》GB 50176-2016

《建筑采光设计标准》GB50033-2013

《建筑遮阳工程技术规范》JGJ237-2011

《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJ/T151-2008

1.3透光围护结构自遮阳性能指标-SHGC值：

《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015首次提出的SHGC是与国际标准相同的评价门窗、玻璃幕墙等透光围护结构隔热与遮阳性能的核心指标。

注：新定义不同于2005标准旧标准中的外窗（或玻璃）遮阳系数SC。在《建筑采光设计标准》GB50033-2013中遮阳系数即为SC，因标准玻璃的SHGC理论值≈0.87，因此新版规定的SHGC值可以按照老版规范中SC值×0.87换算。

1.3.1不同光透射比外窗玻璃的SHGC值：

表1-1高透型 Low-E玻璃（冬季采暖地区优先）

表1-2中透型 Low-E玻璃（南北通用）

表1-3低透型 Low-E玻璃（适用于南方炎热地区）

1.3.2三玻两腔（高节能）玻璃的SHGC值：

三玻高透 Low-E：SHGC ≈ 0.55~0.65

三玻低透 Low-E：SHGC ≈ 0.30~0.40（极限）

1.4不同气候区建筑外遮阳设置要求

1.4.1严寒气候区：无遮阳强制要求；

1.4.2寒冷地区：有一定要求，但要求不高；

1.4.3夏热冬冷地区和夏热冬暖地区：均对（夏季）遮阳有高要求；同时夏热冬冷地区要兼顾夏季遮阳与冬季得热，因此外遮阳设置相对复杂；

1.4.4《建筑节能和可再生能源通用规范》第3.1.15条明确规定：在夏热冬暖、夏热冬冷地区，甲类公共建筑的南、东、西向外窗和透光幕墙必须采取遮阳措施。这一要求指出，外窗和透光幕墙的外侧必须设置外遮阳或中置遮阳才能参与权衡计算。仅依靠玻璃自身的遮阳效果或设置内遮阳是无法满足规范要求的。因此，对于办公建筑而言，必须设置外遮阳或中置遮阳。^[³^]

表 1-4不同标准对不同气候区典型省市公共建筑（窗墙比0.4-0.5）热工性能要求^[1]

气候区(典型省市)	标准	SHGC（夏季）	外窗传热系数 /[W/（m2·K）]
东、南、西	北
寒冷地区 (北京)	GB 50189—2015	0.43	—	2.20
GB 55015—2021	0.40	—	1.90
GB/T 51350—2019 (上限)	0.30	0.30	1.50
夏热冬冷地区(上海)	GB 50189—2015	0.35	0.40	2.40
GB 55015—2021	0.30	0.35	2.20
GB/T 51350—2019 (上限)	0.15	0.15	2.20
夏热冬暖地区(广州)	GB 50189—2015	0.35	0.40	2.70
GB 55015—2021	0.25	0.30	2.50
GB/T 51350—2019 (上限)	0.15	0.15	2.80

注：《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015中3.3.3第3条：当设置外遮阳构件时，外窗的太阳得热系数应为外窗本身的太阳得热系数与外遮阳构件的遮阳系数的乘积。

1.5小结：

通过表1可以分析出：按照国标通规GB 55015-2021、及近零能耗标准，如满足夏热冬冷地区与夏热冬暖地区的夏季SHGC热工性能，即使采用三玻两腔Low-E玻璃（SHGC<0.30）也很难达到要求。特别是夏热冬冷地区如果采用低透型Low-E玻璃（或着色玻璃）勉强达到《通规》要求，但是会导致冬季太阳辐射减少，将加大冬季采暖（及照明）能耗。夏热冬冷与夏热冬暖两个气候区的建筑设计时应考虑设置外遮阳设施，且夏热冬冷地区不宜完全采用固定式遮阳形式。

2、遮阳系数计算理论依据与GH插件计算方法

2.1外遮阳系数计算理论依据

依据《公共建筑节能设计标准》GB 50189-2015中3.3.3条第3款：当设置外遮阳构件时，外窗的太阳得热系数应为外窗本身的太阳得热系数与外遮阳构件的遮阳系数的乘积。公式：SHGC_综（综合太阳得热系数）= SC_S（外遮阳构件的遮阳系数）xSHGC_g(外窗本身太阳得热系数)

根据已知建筑物所在地区的综合太阳得热系数SHGC_综规定值——《建筑节能和可再生能源通用规范》中针对不同朝向窗墙比规定的夏季综合得热系数，选择合理的外窗（玻璃）配置——得到的外窗本身太阳得热系数SHGC_g_，从而可推算出外遮阳构件的遮阳系数SC_S=SHGC_综/SHGC_g。但是，理论推算出的外遮阳构件之遮阳系数，实际设计是否达到遮阳系数效果仍无法验证，仍需要通过进一步计算判断。《民用建筑热工设计规范》及《建筑遮阳工程技术规范》都有计算方法（图2-1），但均比较复杂且单一维度，需要穷举法才能获得最优解。本研究希望找到一种更为简单、且可以通过参数化方法一次性多变量计算获得最优解的方法。

注：a.《建筑采光设计标准》GB50033-2013附录 D.0.1 附表中的太阳光总透射比( g)即为玻璃本身 SHGC值；或选用表中遮阳系数（即为原公建节能标准中的SC）X0.87系数；

b.整窗SHGC值一般由门窗厂家经实验室测算得出。也可以通过相关玻璃物理参数定量并根据外窗具体设计计算获得。

第1种计算方法：《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》JGJ/T151-2008第3.4节”整樘窗遮阳系数”提供的公式(如下)，其中注意，整窗太阳光透射比g_t的即为整窗 SHGC值，不必换算为SC值。

第2种计算方法：《建筑节能与可再生能源利用通用规范》附录的公式（下图）：

2.2 GH参数化软件模拟分析计算

建立一个实验建筑模型，用Grasshopper插件中Ladybugtools对实验建筑室内采光进行（静态）模拟分析。利用Honeybee分析获得有遮阳和无遮阳情况下的自然光辐照度，并通过公式——SD(即SC_s)=有遮阳时的太阳辐照量/无遮阳时的太阳辐照量——计算获得建筑遮阳系数SC_s。同时获得在此工况下建筑外遮阳设计参数（多组变量）。模拟分析除了按照全年平均辐照量外，还应增加典型日期如大寒日与夏至日。另外，参照夏热冬冷地区居住建筑南向外窗夏季与冬季不同要求（即南向SHGC值无要求，而冬季要求不小于0.50），采取适当提高南向外窗SHGC_g(外窗本身太阳得热系数)，以外遮阳构件变量调节（为不同的建筑遮阳系数SD）满足节能标准规定的综合遮阳指标，同时适应夏冬两季的隔热或得热不同需求。

注a：依据《民用建筑热工设计规范》中建筑遮阳系数的定义：在照射时间内，同一窗口（或透光围护结构部件外表面）在有建筑外遮阳和无建筑外遮阳的两种情况下，接收到的两个不同太阳辐射量的比值。因此建筑遮阳系数计算公式为：SD=有遮阳时的太阳辐射值/无遮阳（仅靠玻璃自遮阳）时的太阳辐射值。

注b：依据《建筑遮阳工程技术规范》4.2.5条外窗综合遮阳系数可按下列公式计算：

无外遮阳时SC_W＝SC ；

有外遮阳时SC_W＝SC*SD ；

式中：SC_W——综合遮阳系数，（即为新规中的SHGC_综）

SC—外窗自遮阳系数，（即为新规中的SHGC_g）

SD—建筑遮阳系数，(即SC_S)

图2-1 Rhino建模的5m*5m*3m的实验房间简模，南向外窗设置水平固定遮阳板作为变量；

第一步：模型创建

图2-2模型创建工作流：从上到下为模拟外窗、房间及外遮阳的建立的Rhino模型，并转化为Ladybug模型；其中外遮阳通过电池的续&接分成有无遮阳两种工况。

第二步：设置模拟监测点

图2-3模型中设置测算点工作流：转化为Ladybug模型同时，在建筑室内地面（或0.75m工作面）设置多个监测点（房间模型图中红色点位即为按照1m间隔设置的25个监测点），接入HB Annual Irradiance（IRR）、HB Annual Daylight（ANN）等不同分析插件——获得每个监测点（不同）的逐时辐照量、时长及天然光照度等，计算数值随着接入监测点的密度加大则更趋于准确。

第三步：年太阳辐照度计算

有无遮阳两种工况下，加入监测点的模型接入HB Annual Irradiance（IRR辐照电池）分别测算获得实验模型的两组年平均太阳辐照量（单位kWh/㎡），

有遮阳年辐照量除以无遮阳年辐照量的值即为SD(SCs)。

图2-4：动态模拟全年辐照度的工作流；

HB Annual Irradiance（IRR辐照电池）是(动态)模拟全年辐照总量或（各个监测点）全年期内平均辐照度，如需要分别计算夏季或冬季典型日期辐照量——用于调整夏季与冬季不同的外遮阳系数，则需改用逐点（静态）瞬时模拟插件HB Point-In-Time Grid-Based并在天空模型数据输入同时，输入日期条件。

图2-5：模拟瞬时辐照度、照度、亮度及辐射亮度的工作流，可以随_metric_输入不同参数切换；

结语：以上即为利用ladybug tools采光模拟软件辅助建筑遮阳变量计算、以及通过变量计算结果比较进行设计优化的方法。对于冬冷夏热地区，变量设置的基本目标是（除因太阳高度角变化发生的遮阳系数改变外）提高冬天遮阳系数（接近1）、降低夏季遮阳系数。模拟分析可以在确保相较合理辐照度（及照度）值区间，通过设置外窗遮阳(百叶等)模块、（可变式）遮阳构件等方法调整建筑遮阳变量以适应不同工况，通过多组变量结果的比选，选择更合理的设计参数，实现立面效果、节能效率及工程投资等综合平衡。

附录A夏热冬冷地区常用外窗玻璃配置及固定外遮阳设计形式及参数

上海建科院的张浚洲（2024）通过调研不同气候区的实践案例分析不同外窗配置和遮阳形式的实际效果并得出结论：对于夏热冬冷地区，需同时考虑遮阳和隔热性能的要求，玻璃配置可采用单银Low-E 玻璃加固定外遮阳或中置百叶的遮阳形式。^[1]研究中实际案例选用的玻璃及遮阳组合详见附表3-2、3-3。

东南大学的刘哲等（2014）在长三角地区不同遮阳形式效果对比研究中通过对南京地区不同案例调研、利用Ecotect软件计算分析一定朝方的某种遮阳形式下、不同遮阳板尺寸太阳辐射差值，以此获得各个朝向及遮阳形式下的遮阳板最佳尺寸结论（详见表3-4）。^[²^]以上研究的结论均可以作为本次设计研究及实验计算的参考。

表3-1常见固定遮阳形式及适用气候

遮阳形式	适用朝向	遮阳效果	适用气候
水平式	南向	夏季高效，冬季透光	所有气候区
垂直式	东、西向（北向）	阻挡低角度阳光	夏热冬冷、炎热地区
挡板式	东、西向	高效遮阳、但通风差	不适合炎潮湿地区
综合式（水平+垂直）	东、西向	较全面	夏热冬冷、炎热地区
窗式百叶、遮阳格栅	多向均适合	高效遮阳	所有气候区

表3-2不同玻璃配置对应的太阳得热系数^[1]

厚度mm	玻璃配置	玻璃SHGC_g	窗K值
24	普通中空	6+12A+6	0.76	3.00
普通中空/单银 Low-E	6Low-E+12A+6	0.35~0.57	2.10
充氩中空.双银 Low-E	6Low-E+12Ar+6	0.35~0.42	1.70
31 ～ 32	夹胶中空	5+1.4pvb+5Low-E+16A+5	0.33~0.53	1.80
真空/单银 Low-E	5Low-E+16Ar+5	0.32~0.52	0.90
真空/双银 Low-E	5Low-E+16Ar+5+v+5暖边	0.31~0.42	0.90
39 ～ 44	双中空/单Low-E	5Low-E+14Ar+5+14Ar+5暖边	0.32~0.53	1.30
双中空/双 Low-E	6Low-E+12Ar+6+12Ar+6Low-E	0.31~0.52	1.00
双中空/双银 Low-E	5Low-E+14Ar+5+14Ar+5Low-E	0.29~0.40	0.90

表3-3不同标准对不同气候区典型省市公共建筑的遮阳形式选型参考^[1]

表格中SHGC 和K 值按照公共建筑体形系数≤ 0.3，窗墙比40~50% 选择参数限值；

x为外遮阳特征值，含义详见JGJ 237—2011 条文4.2.2

表3-4长三角（夏热冬冷）地区遮阳形式及及构件尺寸研究^[⁵^]

结论	朝向&遮阳形式	遮阳最佳尺寸	说明
1	南向固定水平式	深L=500; 宽D=3600;	相应夏季遮阳系数为0.25，冬季遮阳系数为0.69
2	西向固定挡板式	深L=500;宽D=1700;下挂高H=1200	相应夏季遮阳系数为0.24，冬季遮阳系数为0.42
3	固定遮阳系数与活动遮阳（比如卷帘）系数进行对比，认为夏季遮阳系数相似，但活动卷帘冬季遮阳系数可以达到或接近1，有采暖需求时明显优于固定遮阳。且固定遮阳构件尺寸大，将影响立面，影响采光和通风，因此活动式遮阳是更灵活的一种方式。但由于活动遮阳成本相对较高，多用于公建和高标准（超低能耗）住宅。

注：本研究综合考虑夏季遮阳兼顾冬季采暖，以Ecotect软件模拟遮阳后夏季与冬季太阳辐射值，差值最小确定为最佳遮阳尺寸。

参考文献

[1]张浚洲,不同气候区建筑外窗遮阳设计和选型探讨[J].绿色建筑,2024(03):80-86

[2]刘哲,傅秀章,岳文昆.长三角地区不同遮阳形式效果对比研究[J].新建筑,2014(04）：128-131

[3]易斌斌,上海市超低能耗办公建筑遮阳设计措施及影响分析[J].中国科技论文在线精品论文,2025(01)：