遮陽技術(shù)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用

劉瑞瑞

(山西省建筑節(jié)能監(jiān)管中心，山西太原 030013)

現(xiàn)代建筑采用一些遮陽措施，其基本原理是運用相應(yīng)的材料遮擋太陽光的直射，其根本目的在于為人們提供一個舒適的環(huán)境，因為大量的太陽輻射進入室內(nèi)對能耗以及人們的舒適感會造成影響。隨著社會的進步，人們對現(xiàn)代建筑的要求越來越高，由此而造成的能耗也越來越大，所以建筑節(jié)能也變得越來越重要，一些研究表明，采用遮陽技術(shù)不僅方式簡單，而且節(jié)能效果顯著，所以該項措施被越來越多的建筑設(shè)計人員所采用。國內(nèi)外的研究表明，利用遮陽技術(shù)所獲得的收益占到建筑能耗的1/3，而用于該項措施的投入則不足2%，效果非常顯著。另外根據(jù)法國對一遮陽建筑進行分析研究得出，該建筑從太陽輻射所獲得的熱量，占其所吸收各種熱量總和的28%。而采用遮陽裝置以后其所得到的熱量明顯減少。另外，有大量的文獻表明采用內(nèi)遮陽可以減少50%左右的負荷，而采用外遮陽系統(tǒng)則效果更加顯著，由此可見現(xiàn)代建筑采用遮陽的有效性[1]。

1 遮陽方式

現(xiàn)代建筑遮陽方式有很多，并且所覆蓋的范圍也比較大，一般可以分成兩部分，一是對建筑圍護結(jié)構(gòu)的遮陽，另外一個就是對窗戶的遮陽。同時，按照在建筑中其安裝位置一般可分為外遮陽和內(nèi)遮陽[2]。

1.1 外遮陽形式

建筑外遮陽分為活動式遮陽和固定式建筑構(gòu)件遮陽?；顒邮秸陉柧哂辛己玫恼陉栃Ч陉柕姆秶梢愿鶕?jù)人們的意愿進行調(diào)節(jié)。但由于該種遮陽方式暴露在室外，受室外天氣的影響，所以容易損壞且維修也較困難，從而導(dǎo)致其使用并不普遍。固定式外遮陽其原理是結(jié)合房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用建筑構(gòu)件及其他材料等做成永久性遮陽板，由于其固定在建筑上，所以成為建筑物的組成部分。這種遮陽方式雖然使用周期長且有助于建筑立面美觀，但其固定性造成無法隨時更改，另外也無法根據(jù)室外氣候和居住者的意愿進行調(diào)節(jié)，兩種方式各有利弊。另外按構(gòu)造形式，外遮陽還可以分為:水平遮陽、垂直遮陽、擋板式遮陽、綜合式遮陽等方式。

1)水平遮陽。采用水平遮陽時要仔細考慮不同季節(jié)、不同時間的陰影變化，因為水平遮陽在不同的太陽高度角和方位角，由遮陽構(gòu)件產(chǎn)生的遮陽效果也不同(見圖1)。當(dāng)太陽高度角較大時，該種方式遮陽效果較理想。故在接近南向及其附近的窗戶適合采用水平遮陽的方式[3]。

圖1 水平遮陽示意圖

2)垂直遮陽。垂直遮陽主要遮擋的是從窗側(cè)面射來的陽光，但是太陽的方位角對垂直遮陽的效果也有影響(見圖2)。當(dāng)太陽高度角較低時垂直遮陽對陽光的遮擋較明顯，因此該種遮陽方式多用于低緯度地區(qū)，另外對于建筑的窗戶朝東西向時應(yīng)用的也比較多。在我國該種遮陽方式在民用的居住建筑應(yīng)用較少，而在商業(yè)建筑中應(yīng)用相對較多。垂直遮陽有其固有的缺點:一是無法遮擋從窗口正上方投射的陽光;二是日出日落時對窗口照射的陽光，其遮擋作用也比較弱;另外垂直遮陽對室內(nèi)視角的影響也不可忽略。

圖2 垂直遮陽示意圖

3)綜合式遮陽。綜合式遮陽是由水平遮陽和垂直遮陽結(jié)合而成(見圖3)，因此兼有兩種方式的遮陽優(yōu)點，對于不同的太陽高度角和方位角的陽光都比較有效，另外采用綜合式遮陽使得進入室內(nèi)的自然光線也更加均勻。在我國南方地區(qū)綜合式遮陽適合于有東向西向或東南向窗戶的建筑，因為它可以同時遮擋從側(cè)部和頂部射來的太陽光，所以該種遮陽方式應(yīng)用也比較廣泛[4]。

4)擋板式遮陽。擋板式遮陽是指在窗口前方一定距離設(shè)置和窗面平行的擋板，從而起到遮陽作用的遮陽形式(見圖4)。這種形式能夠特別有效地遮擋太陽角較小的直射陽光以及從窗口正前方射來的陽光。但是該種遮陽方式對室內(nèi)通風(fēng)以及視線都有一定影響，所以在現(xiàn)代建筑設(shè)計中一般采用可活動或方便拆卸的擋板式遮陽形式，而很少采用固定式的建筑構(gòu)件，該遮陽方式適用于東西向的窗戶。

圖3 綜合式遮陽示意圖

圖4 擋板式遮陽示意圖

5)其他遮陽方式。目前除了上述幾種遮陽方式以外，應(yīng)用較多的還有遮陽紗幕、遮陽篷和外置卷簾遮陽。對東西向的窗戶，采用遮陽紗幕效果則比較顯著。而對于遮陽篷一般安裝在窗戶或其他構(gòu)件的上方，其優(yōu)點是可以大面積遮陽，但其遮陽效果與材料顏色、安裝位置以及安裝方式都有關(guān)，如果安裝時傾斜角較小則對陽光幾乎不起遮擋作用。外置卷簾遮陽對陽光的遮擋效果明顯，如果卷簾不透光則可把太陽輻射控制在10%以內(nèi)，但是對室內(nèi)采光影響較大。

1.2 建筑內(nèi)遮陽

建筑內(nèi)遮陽是指遮陽裝置和控制系統(tǒng)都位于室內(nèi)的遮陽方式。內(nèi)遮陽的形式多樣且材料各異，目前較常用的是卷簾、風(fēng)琴簾、百褶簾、百葉簾等，材料也涉及鋁合金、布、木等，一般淺色的窗簾比深色的遮陽效果更好，因為淺色反射的太陽光多，吸收的少。由于該種遮陽方式安裝在室內(nèi)，以及使用和維護都比外遮陽方便，所以在夏天需要遮陽冬天需要保溫的地區(qū)應(yīng)用都比較廣泛。由此而引發(fā)的關(guān)于兩種遮陽效果的研究也層出不窮。

外遮陽與內(nèi)遮陽的區(qū)別在于，內(nèi)遮陽只能遮擋一部分太陽輻射，當(dāng)陽光照射到遮陽裝置上時利用長波輻射的原理把玻璃加熱，可見光和紫外線使遮陽材料溫度升高，內(nèi)遮陽與窗戶之間的空氣溫度也隨著不斷上升，促使整個室內(nèi)溫度都隨之升高。而外遮陽是戶外遮陽，當(dāng)陽光照射時，第一時間就能阻擋紫外線等強烈光線，降低了空間的負荷，大大增加了室內(nèi)家居的使用壽命，因此內(nèi)遮陽效果明顯不如外遮陽。但其優(yōu)點一是有利于房間的通風(fēng)、采光，也可根據(jù)太陽高度角和方位角的變化及遮陽要求來調(diào)節(jié);二是開啟靈活、經(jīng)濟易行、可伸縮[5]。

但在實際運用時內(nèi)遮陽和外遮陽往往是結(jié)合在一起的，即采用綜合遮陽方式，兩種方式可以同時使用也可以根據(jù)不同情況分開使用。這樣不僅可以充分利用內(nèi)、外遮陽的優(yōu)點，也有很好的節(jié)能效果。

1.3 綠化遮陽

綠化遮陽是借助于樹木或者藤蔓植物等綠色植被來遮擋太陽直射的遮陽方式，特別適用于低層建筑，是一種既有效又經(jīng)濟美觀的遮陽措施。綠化遮陽通常有兩種方式:種樹和采用攀緣植物。在現(xiàn)代建筑中具體采用哪一種需根據(jù)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有條件進行選擇，需要考慮的因素有窗口朝向以及遮陽方式的限制。該種遮陽方式的明顯優(yōu)勢是植物葉片在吸收陽光后本身的溫度并未顯著提高，而采用遮陽構(gòu)件在吸收太陽能后自身溫度會顯著升高，其中一部分熱量還會向室內(nèi)傳遞。

在選擇綠化遮陽時要注意以下幾個問題:1)根據(jù)實際情況選用較好的固定構(gòu)件以保證藤蔓植物的攀緣;2)防止藤蔓植物帶來的蟲害;3)選擇合適的綠化種類。另外綠色植被除滿足遮陽的要求外，還要盡量減少對采光、視線以及通風(fēng)的影響。

2 影響建筑遮陽的相關(guān)因素

1)當(dāng)?shù)貧夂颉１娝苤?，建筑是人們生活的場所，其作用是抵御外界反?fù)變化的氣候?qū)幼≌叩挠绊?。由于我國各地區(qū)所處的位置不同以及在地貌地形上的巨大差異，使得各地區(qū)的氣候變化很大，從而導(dǎo)致人們對遮陽方式的要求也會有所不同。如我國南方沿海屬于夏熱冬暖地區(qū)，該地區(qū)的建筑主要考慮通風(fēng)、遮陽和隔熱;而在我國的北方嚴(yán)寒地區(qū)考慮的主要因素則是保溫和防寒;而對于氣候溫和的地區(qū)，其要求又與兩者不相同。

2)窗口朝向。太陽高度角和方位角每時每刻都在變化，從而使得室內(nèi)所得到的太陽輻射不盡相同，另外當(dāng)我們考慮制冷或供暖時，最大負荷所產(chǎn)生的時間不同，所以對于各個朝向的窗戶，其遮陽方式以及遮陽時間也不相同。如在我國南方地區(qū)，應(yīng)重視朝南向的窗戶遮陽，另外對于其他朝向的遮陽也不可忽略。

3)遮陽形式。根據(jù)以上分析，現(xiàn)代建筑中遮陽的基本方式可分為外遮陽和內(nèi)遮陽。而內(nèi)、外遮陽又有很多種形式。當(dāng)太陽高度角較大時，水平遮陽效果較理想;在低緯度地區(qū)垂直遮陽能有效地遮擋直射陽光;綜合遮陽對不同的太陽高度角和方位角陽光的遮擋都比較有效;擋板式遮陽能夠特別有效地遮擋太陽角較小的直射陽光以及從窗口正前方射來的陽光。所以應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的遮陽方式。

4)遮陽系數(shù)。遮陽系數(shù)是指太陽輻射總透射比與3 mm厚普通無色透明平板玻璃的太陽輻射的比值。需要注意兩點:a.遮陽系數(shù)越小，阻擋陽光熱量向室內(nèi)輻射的性能越好;b.若某玻璃遮陽系數(shù)為0.5，不能認為玻璃能讓50%的太陽熱量進入室內(nèi)，應(yīng)理解為此玻璃能透過的太陽熱量是標(biāo)準(zhǔn)3 mm白玻璃透過熱量的50%。

3 不同遮陽方式對建筑能耗的研究與討論

3.1 不同遮陽方式對模型建筑的能耗分析

利用EnergyPlus模擬軟件，對計算模型朝南向時的不同的建筑遮陽形式的能耗進行比較分析。從圖5～圖7中模擬結(jié)果可以分析得出以下幾個結(jié)論:

1)廣州地區(qū)建筑外遮陽形式對采暖能耗幾乎沒有影響。計算模型中采用不同遮陽形式的全年單位建筑面積的采暖能耗都為10.1 kWh/m2，外遮陽形式主要影響制冷空調(diào)能耗;

2)廣州地區(qū)的建筑能耗以制冷空調(diào)能耗為主。計算模型中，一般情況下采暖能耗只有空調(diào)能耗的0.3倍左右。

圖5 建筑模型圖

3.2 不同遮陽方式對調(diào)研建筑的能耗分析

另外我們對調(diào)研的某一建筑采用不同的建筑遮陽形式后的總能耗和峰值能耗等進行比較和分析。該建筑共有一建筑面積為210 m2外墻為180 mm厚的實心粘土磚，內(nèi)墻為180 mm厚的加氣混凝土。

圖6 全年單位建筑面積空調(diào)能耗圖

圖7 全年單位建筑面積采暖能耗圖

從圖8，圖9中可以分析得出以下幾個結(jié)論:

在廣州地區(qū)的建筑能耗以制冷空調(diào)能耗為主，采暖能耗很小。從圖7可以看出，遮陽裝置對模型建筑全年單位建筑面積采暖能耗影響很小，一般在5.9 kWh/m2～9.4 kWh/m2。從圖8，圖9可以得出，遮陽裝置對模型建筑的采暖峰值負荷幾乎沒有影響，固定在1.7 kW～2.1 kW之間，遮陽裝置對模型建筑全年單位建筑面積制冷空調(diào)能耗和制冷空調(diào)峰值負荷影響比較大，分別在25.2 kWh/m2～38.11 kWh/m2和 7.1 kW ～9.96 kW 之間，其中采用綜合遮陽措施后空調(diào)能耗和峰值負荷最小，沒有采取任何措施最大，也就是說采用合理的遮陽方式可以顯著的減少建筑空調(diào)的能耗[6]。

圖8 建筑空調(diào)、采暖負荷峰值圖

4 現(xiàn)代遮陽設(shè)計中應(yīng)考慮的因素

窗戶遮陽是改善室內(nèi)環(huán)境，降低空調(diào)能耗的有效措施，但是在冬季應(yīng)區(qū)別看待，因為太陽輻射對于冬季室內(nèi)采暖、提升室內(nèi)溫度是十分有利的。因此在外窗遮陽設(shè)計中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢?、氣候特征、建筑類型、建筑功能、建筑朝向、?jīng)濟技術(shù)條件等因素，選擇適宜的遮陽形式，并宜選擇外遮陽。

圖9 全年單位建筑面積采暖空調(diào)能耗圖

由于在冬、夏季人們對太陽輻射的不同需求，所以不同朝向的外窗應(yīng)根據(jù)實際情況采用不同的外遮陽形式。一般東、西向外窗可采用活動式的遮陽板，這樣可以隨著不同的陽光照射進行調(diào)節(jié);而南向外窗由于一年之中所受到的日照時間較長，所以需要遮陽的時間也較長，可以考慮采用固定遮陽板。綜上所述，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c和窗口朝向來選擇遮陽形式，在建筑設(shè)計中盡可能做到以下幾點:1)遮陽應(yīng)在建筑設(shè)計中整體考慮;2)夏熱冬冷地區(qū)多采用活動遮陽方式;3)內(nèi)外遮陽相結(jié)合;4)采取投入少，節(jié)能效果明顯的遮陽措施，實現(xiàn)遮陽設(shè)計的最優(yōu)化。

另外，建筑遮陽設(shè)計應(yīng)兼顧采光、通風(fēng)、視野、隔熱、散熱功能，不影響建筑冬季陽光入射。遮陽裝置力求構(gòu)造簡單、經(jīng)濟適用、耐久美觀，便于維修和清潔，與建筑固定安全可靠。

5 結(jié)語

1)在廣州地區(qū)建筑能耗以空調(diào)能耗為主，采暖能耗只有空調(diào)能耗的0.3倍。遮陽裝置對采暖能耗和采暖峰值負荷的影響很小。2)在廣州地區(qū)遮陽裝置對空調(diào)能耗和空調(diào)峰值負荷的影響比較大，但是不同遮陽方式的影響程度不同。模擬分析表明綜合遮陽裝置的遮陽效果最好，其次是外遮陽、內(nèi)遮陽。采用合理遮陽方式可以顯著的減少建筑空調(diào)能耗。3)在遮陽設(shè)計中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢谩夂蛱卣?、建筑類型、建筑功能、建筑朝向、?jīng)濟技術(shù)條件等因素，選擇適宜的遮陽形式，并宜選擇外遮陽。

[1] JGJ 75-2003，夏熱冬暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] GB 50189-2005，公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] 楊仕超，周 荃.建筑節(jié)能中的遮陽技術(shù)應(yīng)用[J].中國住宅設(shè)施，2012(8):19-20.

[4] 肖桂清.遮陽——建筑節(jié)能的一種有效途徑[J].四川建筑科學(xué)研究，2008，34(5):3-4.

[5] 張叔君.建筑遮陽設(shè)計[J].住宅產(chǎn)業(yè)，2012(2):1-3.

[6] 田智華.建筑遮陽性能的實驗檢測技術(shù)研究[D].重慶:重慶大學(xué)，2005:78-80.