2026年ICM

问题E:被动遮阳

背景

被动遮阳已经成为住宅和商业建筑的常见附加物，作为翻新或新建筑的一部分。它相对便宜，并且在加热和冷却方面节省了成本。遮光罩的设计是为了阻挡夏天的阳光进入建筑物，同时允许冬天的阳光不仅进入建筑物，而且加热热物质，该热物质可以在几个小时后再辐射。挑檐、植物遮阳、太阳能系统和高性能玻璃等策略可以降低建筑物在高温下的得热量。

被动式遮阳根据建筑朝向、建筑不同面之间的窗户面积分布以及气候而有所不同。它还需要有一个可以被太阳直接加热的内部热物质。这种热物质可以是混凝土、石头、水或其他可以储存热量的材料。热质不仅储存热量，还能减少全天的温度波动。

这些技术使用可预测的太阳路径(通过使用太阳位置计算器确定)、材料、几何形状和自然环境条件来保持舒适性并降低能耗。然而，典型的计算利用了夏至和冬至正午太阳的角度来计算窗户上阴影的最佳延伸，如图1所示。这是对问题的一种简单化的看法，未来的度量标准必须更好地考虑变化。

图1:被动遮阳——冬至和夏至的阳光

场景

你已经被集体组织“制定天体物理保护(COMAP)”雇佣来创新下一代遮阳策略，该策略将在名义上的松格罗夫大学和名义上的北极星大学实施。

名义上的松格罗夫大学位于一个温暖的低纬度地区，阳光照射量大，热浪越来越频繁，该大学正计划对其主要的学术机构进行重大改造。校园目前遭受着过多的冷却成本和教室里的眩光。大学领导层已经决定在2040年前推行净零度冷却计划。

值得注意的是，桑格罗夫大学正计划翻新其北学术会堂。它是一栋两层的教室和办公楼。内部布局将周边办公室和教室与内部走廊结合在一起。该建筑的占地面积为矩形(60m × 24m)，其长边呈东西走向，如图2所示。立面由双层玻璃和砖饰面组成，朝南一侧的平均窗墙比是45%，其余一侧是30%。该建筑在夏季依靠机械制冷，在冬季依靠循环加热，并采用有限的被动策略。这座概念建筑的其他特征由你来想象。确保你在给COMAP的信中传达了这些特征。

图2:学术会堂北足迹

此外，COMAP还受雇于位于高纬度的Borealis大学，那里的冬季气温持续数月低于冰点，日照时间有限，建筑物需要大量供暖。

Sungrove大学和Borealis大学也计划成立一个新的学生会，作为大学活动的中心。他们每个人都要求他们的新学生会大楼严重依赖被动遮阳，而不是机械冷却系统。这些大学希望他们的学生会大楼成为未来发展的原型，这意味着他们的被动式太阳能策略设计不仅在今天，而且在未来的预计气候条件下都必须表现良好。

除了背景中概述的标准着色方法，为了帮助这些概念上的大学，你应该扩展你的想法，包括:

• 一整天都需要遮阳，而不仅仅是在正午。
• 不同大小和形状的窗户。
• 不完全面向南/北的窗户(取决于半球)。
• 与建筑风格相匹配的不同风格和材料的色调。

与任何新的策略或模型一样，你不仅需要描述你的方法，还要解释你的提议相对于以前的标准所具有的优势。COMAP需要了解您的被动式遮阳策略如何在夏季更有效地减少校园建筑的得热量，同时仍然允许有益的冬季阳光。

要求

COMAP要求您的团队提供基于模型的可行性分析，以确定Sungrove大学如何在校园建筑改造中使用被动式太阳能设计来减少学年冷却负荷。要做到这一点，设计一个改进的桑格罗夫大学北学术大厅，优化整个学年的供暖和制冷。你会使用哪些被动式太阳能策略和建筑特点，你会如何评价它们的性能？

Borealis大学有一栋建筑，其设计与Sungrove大学的学术大厅North相似。如何将你为桑格罗夫大学所做的工作扩展到包括有效利用热质的重要性，从而为北极光大学提供一个使用被动式遮阳的计划？您可能需要考虑建筑几何形状、材料选择、玻璃位置、内部热质量或其他方面，以最大限度地增加冬季得热量，同时避免在较温暖的月份过热。

Sungrove和Borealis大学的改造设计模型只对那些概念上的场地有帮助。修改您的模型并讨论其他位置的设计考虑因素，包括纬度相似的地方的不同供暖和制冷需求。

为桑格罗夫大学或北极星大学的新学生会大楼设计一个被动式遮阳策略，以保持建筑的温度。描述您将用来评估一段时间内的性能的策略、构建特性和建模方法。您可能希望在分析中解决以下一些问题:

• 预测太阳得热量
• 估计加热和/或冷却负荷的减少
• 季节变化的解释
• 评估采光需求和遮阳效果之间的权衡

写一封一到两页的信给Sungrove大学或Borealis大学(不是两个都写),概述他们应该采取的步骤，将被动遮阳纳入他们的改造和新建筑计划。

总页数不超过25页的PDF解决方案应包括:

• 一页摘要表。
• 目录。
• 您的完整解决方案。
• 一到两页的信。
• 参考列表。
• 人工智能使用报告(如果使用，不计入25页的限制。)