重慶地區(qū)建筑外遮陽性能優(yōu)化實驗研究

黃海靜+王雅靜+陳綱

摘 要：建筑外遮陽是建筑節(jié)能的重要措施，但單一、不當?shù)恼陉栃问絽s可能阻礙房間的隔熱、采光、通風和視野等，從而降低室內(nèi)環(huán)境舒適性。以綜合節(jié)能為目標，提出建筑外遮陽優(yōu)化設(shè)計思路及方法，以重慶地區(qū)為例，基于氣候特征分析研究南向和西向窗口綜合性能好的外遮陽形式。模擬一般辦公空間搭建外遮陽實驗平臺，對其隔熱、采光和通風效果進行實地測試和檢驗。結(jié)果表明，優(yōu)化后的外遮陽裝置不僅遮陽和降溫效果明顯，而且，室內(nèi)采光、通風及視野效果良好，具有綜合節(jié)能的作用。

關(guān)鍵詞：外遮陽；環(huán)境舒適性；綜合性能；建筑節(jié)能

中圖分類號：TU226 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2018）01-0105-08

Experimental analysis on performance optimization of architectural external shading in Chongqing

Huang Haijinga， b， Wang Yajinga， Chen Ganga， b

（a. Faculty of Architecture and Urban Planning； b.Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China）

Abstract：Architectural external shading is an important measure for building energy saving， but single and improper shading may hinder the heat insulation， lighting， ventilation and vision of the room， and reduce the comfort of indoor environment. With the aim of comprehensive energy saving， this paper put forward the optimal design method of architectural external shading. Taking Chongqing as an example， based on the analysis of climate characteristics， the exterior shading forms of south and west orientation with good comprehensive performance were studied. Simulating the general office space to build an experimental platform of composite external shading， its insulation， shading， lighting and ventilation effects were tested and inspected. The results show that the optimized external shading devices have good lighting， ventilation and vision effects as well as obvious cooling effect.

Keywords：architectural external shading； environmental comfort； comprehensive performance； building energy saving

外窗節(jié)能是整棟建筑節(jié)能的關(guān)鍵。作為建筑圍護結(jié)構(gòu)中保溫隔熱最薄弱的環(huán)節(jié)，外窗能耗約占建筑總能耗的40%～50%[1]。在夏季炎熱地區(qū)，通過外窗的太陽輻射得熱是造成空調(diào)能耗大和室內(nèi)熱環(huán)境不良的主要因素[2]。遮陽設(shè)計是建筑節(jié)能措施的重要組成部分，也是調(diào)節(jié)太陽熱輻射最有效的途徑。遮陽設(shè)施按其與窗口的位置關(guān)系可分為內(nèi)遮陽、中間遮陽和外遮陽，外遮陽節(jié)能潛力優(yōu)于內(nèi)遮陽和中間遮陽[3]。

遮陽設(shè)施和技術(shù)在澳洲、歐洲、北美等國家應(yīng)用較多。近年來對遮陽的研究大多針對辦公建筑，基于氣候特征、使用者需求、機電系統(tǒng)控制、節(jié)能效率等復(fù)雜要求，通過性能模擬分析、系統(tǒng)自動控制等手段來解決遮陽綜合問題[4-5]。遮陽設(shè)計日趨系統(tǒng)化、智能化和人性化，以托馬斯·赫爾佐格、福斯特、皮阿諾等的建筑作品最為突出[6-7]。中國早期對建筑遮陽的研究以夏昌世[8]研發(fā)的“夏氏遮陽”為代表，之后各高校對地域性遮陽的形式、構(gòu)件尺寸等開展實踐研究[9-11]，對新型建筑遮陽方式、設(shè)計手法、材料工藝等進行系統(tǒng)總結(jié)[12-14]。關(guān)于建筑遮陽的研究主要包含5個方向：1）遮陽與節(jié)能，主要研究遮陽與建筑隔熱、照明及空調(diào)能耗的關(guān)系；2）遮陽與采光，研究兼顧室內(nèi)采光效果的遮陽形式選擇；3）遮陽與通風，利用軟件模擬不同遮陽形式對室內(nèi)自然通風的影響；4）遮陽與采光、通風，根據(jù)遮陽設(shè)計對采光、通風效果進行定性探討，利用縮尺模型進行定量測試；5）遮陽與建筑表皮，側(cè)重遮陽與建筑立面相結(jié)合的研究。綜上所述，已有研究多為遮陽與節(jié)能、通風、采光、建筑立面的專項分析，缺乏統(tǒng)籌考慮遮陽對采光、通風、視線、造型的綜合性影響。

對重慶地區(qū)辦公建筑、住宅建筑及教學(xué)建筑等的遮陽狀況的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分建筑采用窗簾、手動卷簾等內(nèi)遮陽設(shè)施，起到遮擋太陽直射光的作用，但卻對室內(nèi)采光、通風和視野阻礙較大。部分建筑采取外遮陽設(shè)施，但也存在以下問題：1）遮陽材料單一，多采用混凝土板作為遮陽板，外觀厚重呆板；2）遮陽形式運用不當，只考慮造型而未根據(jù)太陽入射角及朝向特征設(shè)置適宜遮陽形式，遮陽效果不理想；3）遮陽尺寸不合理，遮陽板出挑長度不足，不能全時段阻擋太陽光直射；4）室內(nèi)通風、采光較差，一是遮陽板未考慮當?shù)叵募局鲗?dǎo)風向而阻擋通風，不當?shù)恼陉栃问綍故覂?nèi)風速減弱22%～47%[15]；二是遮陽板（尤其是角度不當?shù)膿醢迨秸陉枺┱趽跆枱彷椛涞耐瑫r也阻擋了光的入射，影響了室內(nèi)采光及采光均勻度。針對上述問題，筆者基于地域氣候特征分析，研究集遮陽、通風、采光、視野于一體的綜合性能優(yōu)化的建筑外遮陽形式。第1期endprint

黃海靜，等：重慶地區(qū)建筑外遮陽性能優(yōu)化實驗研究

1 測試對象及性能評價方法

1.1 測試對象

以重慶地區(qū)為例（其南向和西向為主要防曬朝向），以室內(nèi)環(huán)境舒適性整體最優(yōu)為目標，統(tǒng)籌分析遮陽、采光、通風、視野等各影響因素要求，進行外遮陽綜合效能優(yōu)化設(shè)計，得到兩個朝向的外遮陽優(yōu)化方案。模擬一般辦公空間搭建1∶1模型進行外遮陽實測驗證。模型尺寸為：2.5 m（長）×2.5 m（寬）×2.5 m（高）；窗洞尺寸為：1 220 mm×1 220 mm，窗臺高750 mm；相鄰墻面上設(shè)一門洞，尺寸為900 mm（寬）×2 000 mm（高）。實驗?zāi)Ｐ筒捎?00 mm厚的彩鋼夾芯板搭建而成，結(jié)構(gòu)特性、保溫隔熱效果良好。實驗場地位于重慶大學(xué)建筑館屋頂，空間開闊，便于開展相關(guān)實驗測試。遮陽裝置采用鋁合金材料制作而成，輕便、易于安裝，并在鋁合金外表面加鋪一層白色KT板以提高其熱反射性能。

遮陽裝置的設(shè)計參數(shù)為：南向采用綜合式遮陽，室內(nèi)水平遮陽板出挑140 mm，室外水平遮陽板和垂直遮陽板均出挑450 mm；西向采用百葉擋板式綜合遮陽，室內(nèi)水平遮陽板出挑400 mm，室外水平遮陽板和垂直遮陽板均出挑500 mm；擋板百葉寬150 mm，百葉之間間距為100 mm（調(diào)節(jié)角度為0°～90°）。南向和西向遮陽裝置下緣均與窗臺平齊，且低于窗上沿250 mm安裝（圖1）。

1.2 遮陽性能評價方法

根據(jù)《建筑用標準氣象數(shù)據(jù)手冊》中重慶標準年氣象數(shù)據(jù)（1995—2005年）統(tǒng)計得出，南向窗口遮陽時間為6月下旬（12：00—14：00）至9月上旬（9：00—16：00）；西向遮陽時間為6月下旬（13：00—16：00）至9月上旬（13：00—16：00）[16]。遮陽效果同時考慮外遮陽設(shè)施對室內(nèi)光、熱及風環(huán)境的綜合影響，利用相關(guān)物理指標進行綜合評價。

1）遮陽效果。遮陽設(shè)施的主要作用是遮擋進入室內(nèi)的直射光。一般以其能否在各個朝向過熱的時間段里（室內(nèi)氣溫在29 ℃以上，太陽輻射強度大于240 W/m2）達到滿窗遮陽作為遮陽效果評判標準[17]，并對有遮陽和無遮陽時室內(nèi)外溫度差進行評價。測試采用自動溫濕度記錄儀每10 min記錄溫度一次。溫度測點布置見圖2（a）。

2）采光效果。遮陽對室內(nèi)采光效果的影響主要以室內(nèi)平均照度值來衡量，根據(jù)《建筑采光設(shè)計標準》[18]的規(guī)定，針對一般辦公空間以450 lx作為室內(nèi)照度標準值，并以有遮陽和無遮陽時室內(nèi)采光均勻度變化值作為評價依據(jù)。測試時，在室內(nèi)垂直窗口方向均勻選取3個測點（從外到里依次為測點1、測點2和測點3），采用照度計每1 h記錄一次，每次連續(xù)讀數(shù)3次取平均值（離地面0.75 m高度處，室內(nèi)外同時操作）。照度測點布置見圖2（b）。

3）通風效果。由于真實環(huán)境中風向和風速大小變化不定，難以采用固定標準值進行評價，因此，實驗以有遮陽和無遮陽時室內(nèi)通風效率（出風口風速/進風口風速）對比作為評價依據(jù)。測試時，

在平行窗口方向均勻選取4個點，采用風速儀每1 h記錄一次，每次連續(xù)讀數(shù)3次取平均值（風速儀的風速感應(yīng)器對著來風方向測試，室內(nèi)外同時操作）。風速測點布置見圖2（c）。

2 外遮陽性能測試分析

實驗根據(jù)正常工作學(xué)習(xí)時間從8：00至18：00連續(xù)測試，對有遮陽和無遮陽2種情況下的測試數(shù)據(jù)作對比分析?？紤]重慶天氣原因（照度除了測試晴天數(shù)據(jù)之外，也測試全陰天或多云天的照度），測試從2016年（夏季）7月一直持續(xù)到（秋季）10月上旬，選擇天氣情況較為相近的兩次數(shù)據(jù)進行對比。

2.1 遮陽效果分析

2.1.1 南向房間溫度測試分析 采取遮陽后，測試時段內(nèi)沒有直射光進入室內(nèi)，說明遮陽裝置滿足滿窗遮陽要求；圖3（a）顯示，夏季南向最熱時段（11：00—14：00）室內(nèi)溫度比室外溫度低了3～5 ℃。為使測試結(jié)果更加可信，秋季10月5日、6日又分別對無遮陽和有遮陽時室內(nèi)外溫度進行對比測試（圖3（b）、（c）），結(jié)果表明，在最熱時段（12：00—14：00），10月6日有遮陽時室內(nèi)溫度較室外溫度下降最大值為3 ℃，比10月5日無遮陽時的降溫幅度大，說明遮陽裝置降溫效果好。

2.1.2 西向房間溫度測試分析 采取遮陽后，測試時段內(nèi)沒有直射光進入室內(nèi)，說明遮陽裝置達到滿窗遮陽效果；圖4（a）顯示，夏季7月22日西向最熱時段（13：00—15：00）室內(nèi)溫度比室外溫度低2～3 ℃。同樣，秋季10月5日、6日又分別對無遮陽和有遮陽的室內(nèi)外溫度進行對比測試（圖4（b）、（c）），結(jié)果表明，最熱時段（12：00—17：00）有遮陽時室內(nèi)溫度比室外溫度下降3～4 ℃，明顯大于無遮陽時的降溫幅度，說明遮陽裝置起到了很好的降溫作用。

2.2 采光效果分析

2.2.1 晴天南向西向房間照度測試分析 如圖5所示，采用遮陽后南向和西向室內(nèi)照度均小于室外照度，減少了近窗處眩光影響；南向室內(nèi)照度值能滿足采光需求（≥450 lx）；西向由于擋板百葉的影響，室內(nèi)照度值在8：00—10：00左右低于450 lx，需要適當補充人工照明，10：00以后都能滿足室內(nèi)空間采光需求。

2.2.2 多云天南向房間照度測試分析

如圖6所示，多云天條件下，9月28日因時有太陽出沒，室外照度波動較大；10月6日全陰天室外照度變化則相對穩(wěn)定。為比較遮陽前后室內(nèi)照度變化情況，選取兩個日期中室外照度值較接近的時刻作為參考點進行對比。其中，9月28日（無遮陽）13：00時和10月6日（有遮陽）16：00時室外照度值較接近，分別是5 853 lx和5 830 lx，相應(yīng)的室內(nèi)照度平均值分別為1 159 lx和466 lx。經(jīng)計算，無遮陽和有遮陽時室內(nèi)采光均勻度分別為0.28和0.34。說明遮陽裝置可有效改善室內(nèi)采光均勻度。另外，根據(jù)實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，無遮陽時室內(nèi)基本能滿足采光要求（≥450 lx）；加遮陽之后，除了8：00—10：00及17：00以后需補充人工照明外，其他時間均能夠滿足標準規(guī)定（≥450 lx）。endprint

2.2.3 多云天西向房間照度測試分析

如圖7所示，9月28日測試過程中太陽時常出現(xiàn)，室內(nèi)外照度波動較大。為便于比較遮陽前后室內(nèi)照度變化情況，選取2個日期中室外照度值較接近的時刻作對比點。其中，9月28日（無遮陽）14：00時和10月6日（有遮陽）13：00時室外照度值較接近，分別為6 467 lx和6 560 lx，同時間室內(nèi)照度平均值分別為1 131 lx和93 lx，采光均勻度分別為0.29和0.72。說明遮陽裝置能極大改善室內(nèi)的采光均勻度，但全陰天時遮陽對室內(nèi)采光有一定影響，需補充適當?shù)娜斯ふ彰鳌?/p>

2.3 通風效果分析

2.3.1 南向房間風速測試分析 如圖8所示，無遮陽時，室內(nèi)風速大部分時間都遠低于室外風速，且在10：00、13：00、15：00—16：00等時段室內(nèi)外風速差異明顯；有遮陽時，室內(nèi)風速大部分時間與室外相當，甚至大于室外風速。經(jīng)計算，南向有遮陽裝置時平均通風效率為47%，無遮陽時為34%，說明采取遮陽裝置后，室內(nèi)整體風速有所提升。

2.3.2 西向房間風速測試分析

如圖9所示，無遮陽時，室內(nèi)風速大部分時間都低于室外風速；有遮陽時，室內(nèi)風速在8：00、14：00—15：00和17：00等多個時段明顯大于室外風速，僅小部分時間低于室外風速。經(jīng)計算，西向有遮陽裝置時平均通風效率為49%，無遮陽時為50%，說明采取遮陽裝置后，對室內(nèi)通風無阻擋且有一定改善。

2.4 視野效果分析

復(fù)合化遮陽裝置在設(shè)計時考慮了對外窗視野的影響，南向和西向兩種遮陽形式均將窗戶一分為二，上部為采光窗，下部為觀景窗。由圖10可見，除兩邊視野受垂直遮陽板的一些限制外，南向窗口正前方視野非常通透；西向由于太陽高度角較低需設(shè)置擋板遮陽，遮陽裝置采用百葉替代傳統(tǒng)實心板，且百葉可根據(jù)需要調(diào)節(jié)角度（0°～90°），靈活方便，既利于通風又減小擋板對窗外景觀的遮擋，增加了視野通透性。

3 實測結(jié)果討論

遮陽與隔熱。兩個朝向的遮陽裝置降溫效果都明顯。一是裝置在重慶最熱時段內(nèi)均能滿足滿窗遮陽，避免了直射光進入室內(nèi)引起升溫；二是優(yōu)化后的遮陽裝置本身通風效果良好，從而減少室內(nèi)熱空氣聚集，起到降溫節(jié)能的作用；三是遮陽設(shè)施外表面顏色較淺，可以降低對太陽輻射的吸收，隔熱能力較強。

遮陽與采光。正是由于該裝置的水平遮陽板兼做反光板，配合高反射率的材料可使窗口附近的直射光經(jīng)過一次或多次反射進入室內(nèi)，從而使整個房間的照度和采光均勻度得到提高。但在實測中也發(fā)現(xiàn)，夏季晴天時人眼會對裝置上部采光窗處的強光感到不適，可采用半透明材料或百葉進行處理。

遮陽與通風。遮陽裝置整體低于窗上沿一段距離，在測試時上部采光窗為開啟狀態(tài)，利于引導(dǎo)風向至室內(nèi)下方人活動區(qū)域，改善室內(nèi)通風狀況。需要說明的是，測試時風速大小是利用風速儀每隔1 h人工記錄得到，而實際風速風向變化不定，因此，測試結(jié)果可能存在一定誤差。宜改為風速自動記錄儀進行測試，提高實驗結(jié)果可靠性。

遮陽與視野。遮陽裝置結(jié)合采光窗與觀景窗而設(shè)置，對室內(nèi)前方視野影響小。西向遮陽百葉若設(shè)置成上下伸縮調(diào)節(jié)方式，可進一步減小對視野的遮擋，還減少對冬季日照的影響；兩側(cè)視野因垂直擋板而有所限制，未來可考慮采用百葉形式調(diào)節(jié)角度減少視線遮擋，或采用LOW-E玻璃。

4 結(jié)論

1）遮陽方面。兩個朝向的遮陽裝置均能在規(guī)定時間段里滿足滿窗遮陽；采取遮陽設(shè)施后，夏季最熱時間段，南向室內(nèi)溫度比室外降低3～5 ℃，西向降低2～3 ℃；秋初炎熱時段，南向室內(nèi)溫度比室外降低1.5～2.3 ℃（無遮陽時降低0.6～1.8 ℃），西向降低3～4 ℃（無遮陽時降低1.5～2.2 ℃），降溫幅度均大于無遮陽時。

2）采光方面。采取遮陽裝置后，有效遮擋近窗口處的直射光，提高了視覺舒適度；南向室內(nèi)采光均勻度提高1.2倍，西向提高2.5倍；但西向遮陽裝置在陰天時對室內(nèi)照度有影響，需進一步優(yōu)化。

3）通風方面。遮陽裝置對室內(nèi)通風阻礙很小，甚至起到一定導(dǎo)風作用；采取遮陽設(shè)施后，南向平均通風效率為47%（無遮陽時為34%），西向為49%（無遮陽時為50%）。

4）視野方面。遮陽裝置的側(cè)面垂直擋板對兩側(cè)視野稍有影響，但兩個朝向正前方的視野均通透、無遮擋，滿足了觀景要求。

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