現(xiàn)代建筑遮陽技術(shù)應(yīng)用中的關(guān)鍵問題

趙群，李崢嶸/ZHAO Qun, LI Zhengrong

1 遮陽技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

遮陽技術(shù)是一項古老的被動式節(jié)能技術(shù)。工業(yè)革命之前，遮陽系統(tǒng)多與建筑融為一體，例如傳統(tǒng)建筑中的挑檐、花格窗以及柱廊等這些兼具多重功能的建筑元素不僅滿足了遮陽的要求，還創(chuàng)造了獨特的視覺效果。隨著工業(yè)化發(fā)展和技術(shù)的進步，建筑遮陽在勒·柯布西耶等一些大師的創(chuàng)新、發(fā)展和傳播下，在功能性和建筑美學(xué)上發(fā)揮了重要作用，甚至出現(xiàn)了“遮陽美學(xué)”的研究[1]。

1970年代的能源危機再次喚起建筑師對建筑遮陽設(shè)計理念的興趣，伴隨著新技術(shù)和新材料的發(fā)展，建筑遮陽得到了更大的創(chuàng)新。建筑師將遮陽技術(shù)手段轉(zhuǎn)化為形態(tài)設(shè)計手法，在不同的平面與體量之上，結(jié)合建筑類型、建筑構(gòu)件探索各種技術(shù)組合的可能性[2,3]，不僅使建筑獲得新的形式與意義，而且還獲得良好的節(jié)能效果。

在高度工業(yè)化的歐洲和北美，遮陽形式與建筑立面融合設(shè)計已非常系統(tǒng)化，建筑師充分利用遮陽產(chǎn)品與構(gòu)件的最新成果，展開遮陽與建筑一體化設(shè)計實踐，完整體現(xiàn)了貫通一體的設(shè)計方式[4]。因此，國外建筑遮陽技術(shù)、形式和產(chǎn)品發(fā)展迅速。

遮陽技術(shù)在我國現(xiàn)代建筑中的推廣應(yīng)用得益于國家和地方節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的強制實施。由于氣候因素，遮陽應(yīng)用首先體現(xiàn)在我國南方地區(qū)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中。隨著遮陽產(chǎn)品設(shè)計和功能的多樣化，北方地區(qū)也涌現(xiàn)諸多案例。節(jié)能已經(jīng)成為遮陽技術(shù)應(yīng)用的主要標(biāo)簽，而其對室內(nèi)環(huán)境舒適度的貢獻尚沒有引起足夠重視。本文試圖從現(xiàn)代建筑應(yīng)用角度，分析遮陽技術(shù)運用中的幾個關(guān)鍵問題。

2 多層玻璃窗的應(yīng)用對于建筑外遮陽節(jié)能效果影響

建筑外遮陽技術(shù)一直被認為是降低空調(diào)負荷的關(guān)鍵技術(shù)之一。很多研究工作也證明了這一點。但是，隨著超低能耗建筑的大力發(fā)展，建筑對圍護結(jié)構(gòu)的要求越來越高，透明圍護結(jié)構(gòu)的性能提升顯著，除了傳熱性能和氣密性能外，多層玻璃的使用導(dǎo)致窗戶自身遮陽性能迅速提高，在這種背景下，對建筑遮陽設(shè)施或者遮陽構(gòu)件的設(shè)計和選擇提出更高要求。

本節(jié)通過一個位于上海的建筑模型，采用軟件E+對該問題進行分析，闡述建筑外窗構(gòu)造變化時，對外窗太陽得熱系數(shù)、建筑負荷與外遮陽節(jié)能效果的影響。

1 建筑模型示意圖

2 5種外窗遮陽構(gòu)造建筑全年空調(diào)負荷值

表1 模型建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

表2 5種外窗構(gòu)造及參數(shù)

建筑模型如圖1所示，圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)見表1。模型建筑標(biāo)準(zhǔn)層面積取1200m2，長寬比2∶1，建筑層高4.8m，4個朝向窗墻比都取0.3，氣密性指標(biāo)n50為0.2h-1。參考《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015），冬夏季的室內(nèi)設(shè)計溫度分別為20oC和26oC，室內(nèi)溫度控制時間為7∶00—18∶00，照明功率密度設(shè)置為9W/m2，室內(nèi)無其他發(fā)熱源。

與其它工況相比，工況1和2的外窗太陽得熱系數(shù)基本不變，僅外窗傳熱系數(shù)變化，建筑空調(diào)負荷值變化較??；而外窗太陽得熱系數(shù)變化較大時（工況3、4和5），建筑空調(diào)負荷值出現(xiàn)大幅度降低。可見，對于夏季空調(diào)負荷，外窗太陽得熱性能是重要的關(guān)鍵因素。

超低能耗建筑技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)致多層玻璃窗廣泛推廣，其自身太陽輻射得熱系數(shù)大幅降低，外遮陽設(shè)施的節(jié)能效果則相對弱化。例如，為上述5種窗戶設(shè)計百葉外遮陽設(shè)施，其性能參數(shù)見表3。為簡單起見，本部分認為外遮陽僅作用在夏季，故外遮陽百葉使用時間段為6-8月，模擬結(jié)果如表4所示。

顯然，隨著外窗構(gòu)造層數(shù)的增加、以及Low-E技術(shù)的應(yīng)用，外窗自身遮陽性能不斷提高，導(dǎo)致建筑外遮陽對建筑負荷降低的貢獻率逐漸減少。對于3層玻璃外窗，百葉外遮陽對空調(diào)負荷降低的貢獻率僅為6.5%。

當(dāng)然，外窗自身遮陽性能具有不可調(diào)節(jié)性，僅適用于全年都需要遮陽降溫的地區(qū)，對于夏熱冬冷地區(qū)，如何權(quán)衡冬夏矛盾，在窗戶性能與遮陽技術(shù)應(yīng)用之間尋找平衡點，是該地區(qū)節(jié)能設(shè)計必須考慮的一個問題。

3 遮陽對于室內(nèi)環(huán)境影響

遮陽技術(shù)對室內(nèi)環(huán)境的影響主要通過調(diào)節(jié)進入室內(nèi)的太陽輻射得熱與光通量，因此直接影響室內(nèi)光環(huán)境和熱環(huán)境的營造效果。

3.1 遮陽對室內(nèi)光環(huán)境的影響

正如上文所述，遮陽技術(shù)在中國的推廣源于夏季節(jié)能需求[5,6]，冬季似乎不具有存在價值。以上海某南向辦公室內(nèi)卷簾為例（圖3），當(dāng)遮陽簾完全收起（0%的關(guān)閉率），理論上可以最大限度利用太陽輻射能，室內(nèi)照度達標(biāo)率[7]（＞450lux）也更高。

事實剛好相反，在非常普及的空調(diào)建筑內(nèi)，遮陽卷簾很少全部收起。冬季太陽高度角較小的太陽輻射可以更深更多地進入室內(nèi)降低采暖負荷，同時也帶來其他隱患——光環(huán)境的不舒適[8]。圖4是作者針對上海地區(qū)辦公建筑長居人群室內(nèi)環(huán)境滿意度的一項調(diào)研，結(jié)果顯示眩光已經(jīng)成為困擾辦公人群的主要環(huán)境問題。

圖5反映了室內(nèi)中軸線進深2m處南向視野的全年眩光情況。其中DGP（daylight glare probability）是描述日光眩光可能性指標(biāo)。該指標(biāo)綜合考慮了眩光源在人眼處的垂直照度和視野環(huán)境內(nèi)的亮度對比度，當(dāng)DGP值大于0.4時即認為出現(xiàn)“不可接受的眩光”。

從圖中可發(fā)現(xiàn)11月-2月是眩光現(xiàn)象最嚴(yán)重的4個月，該時間內(nèi)眩光出現(xiàn)小時數(shù)占工作時間段總時數(shù)的67%。

如果以上述考察點眩光是否出現(xiàn)作為控制遮陽卷簾的依據(jù)，并簡單認為：“不可接受眩光”出現(xiàn)時即操作遮陽簾，且卷簾的垂直高度恰好遮擋一半窗戶。同時假設(shè)：眩光現(xiàn)象消失時無人再次操作卷簾，其狀態(tài)維持不變。容易得到該建筑遮陽卷簾全年的開關(guān)狀態(tài)（圖6），以及該考察點全年眩光的新分布狀態(tài)（圖7）。 結(jié)果顯示，遮陽簾下垂高度達到窗戶一半的情境下，可以基本消除該考察點夏季和過渡季的眩光現(xiàn)象，并極大緩解了冬季眩光的出現(xiàn)頻率。

圖8反映了該調(diào)控策略使用后模型建筑全年UDI[9]分布區(qū)間的變化，即室內(nèi)過度采光的現(xiàn)象（UDI＞2000lux）得到了顯著緩解，可以降低至10%以下，同時有效采光指標(biāo)UDI100～2000lux可以維持在70%左右。

3.2 遮陽對室內(nèi)熱環(huán)境的影響

通常認為溫度、濕度、風(fēng)速和平均輻射溫度是影響室內(nèi)熱環(huán)境舒適程度的主要環(huán)境參數(shù)，在空調(diào)建筑中，人對于溫度最為敏感。但是，建筑技術(shù)的發(fā)展催生了很多大窗墻比建筑，該類建筑增加了室內(nèi)太陽直射輻射的影響范圍和影響強度，在建筑外區(qū)造成明顯的不舒適的熱輻射問題。

圖9為人體在室內(nèi)輻射換熱過程示意圖，人體接收到太陽直射輻射、太陽散射輻射、周圍壁面長波輻射 ，同時人體向外發(fā)射長波輻射。

表3 建筑固定百葉外遮陽參數(shù)

表4 5種外窗構(gòu)造下建筑有無外遮陽空調(diào)負荷數(shù)值

3 不同遮陽簾關(guān)閉率下的室內(nèi)照度達標(biāo)情況

4 辦公建筑遮陽調(diào)節(jié)問卷調(diào)研

5 考察點全年眩光水平

6 基于考察點眩光控制的全年遮陽簾啟閉情況

7 應(yīng)用遮陽控制后的考察點全年眩光水平

8 基于眩光的遮陽控制使用前后UDI區(qū)間比較

9 人體在室內(nèi)的輻射換熱示意圖（圖片來源：參考文獻[10]）

為了反映太陽直接輻射對室內(nèi)輻射熱環(huán)境的影響，室內(nèi)平均輻射溫度計算采用新平均輻射溫度計算模型[10]，該模型考慮了太陽輻射對人體的直接作用，見下式（1）：

式中

N ——室內(nèi)壁面離散數(shù)量；

M ——室內(nèi)玻璃幕墻離散數(shù)量；

Fs-i——人體與壁面i的角系數(shù)；

Fs-j——人體與玻璃幕墻壁面j的角系數(shù)；

Ti——壁面i的內(nèi)表面溫度；

αdir——人體直射輻射吸收率；

αdif——人體直射輻射吸收率；

fp——人體在太陽直射方向法平面上投影面積與人體表面有效面積比值，Ap/Ar， 為人體在太陽直射方向法平面上的投影面積，m2， Ar為人體有效面積，m2；

Idir——到達人體表面的太陽直射輻射強度，W/m2；

Idif,j——玻璃幕墻壁面j內(nèi)表面上散射輻射強度，W/m2；

εs——離散壁面i的表面發(fā)射率；

σ——斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，5.67×10-8，W/（m2·K4）

對于使用遮陽的房間，太陽直射輻射受到遮擋，通過窗戶體系進入室內(nèi)后失去方向性成為散射輻射，因此遮陽房間的平均輻射溫度MRT的計算式變化為下式（2）：

由式（1）與（2）可知，角系數(shù)與輻射得熱兩個參數(shù)對于平均輻射溫度的計算至關(guān)重要。當(dāng)太陽輻射經(jīng)透明圍護結(jié)構(gòu)進入室內(nèi)后直接作用于室內(nèi)壁面，根據(jù)光線追蹤原理，太陽光斑在室內(nèi)分布必然具有不均勻性[11]。對人體而言，處于太陽輻照區(qū)內(nèi)的平均輻射溫度必將遠遠高于非直射區(qū)的平均輻射溫度，因此近窗區(qū)域易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象[12]；同時，室內(nèi)平均輻射溫度分布出現(xiàn)明顯不均勻，引起熱不舒適。

選取上海地區(qū)某南向玻璃幕墻房間為例，該房間長3m、進深4.5m、高3m。圖10為秋分日12∶00正午時刻使用遮陽前后南向房間室內(nèi)0.8m坐姿高度處的平均輻射溫度。

顯然，未使用遮陽情況下，平均輻射溫度最高值達38.2oC，位于室內(nèi)近窗位置，而遠窗位置的平均輻射溫度為32.1oC，均在人體舒適范圍之外。使用遮陽后，平均輻射溫度明顯降低，內(nèi)、外遮陽房間近窗位置的平均輻射溫度分別降低5.4oC和11.6oC。說明遮陽技術(shù)對于室內(nèi)輻射熱環(huán)境的改善效果明顯，而且外遮陽技術(shù)在熱調(diào)控方面優(yōu)勢突出。

圖11則描述了該房間近窗區(qū)域與遠窗區(qū)域平均輻射溫度全年分布情況。未使用遮陽時，近窗位置的平均輻射溫度可達48oC，遠窗點夏季平均輻射溫度波幅小于近窗點，而由于冬季太陽直射照射進深增加，遠窗點的平均輻射溫度波動也迅速增加。遮陽設(shè)施不僅可以降低近窗點平均輻射溫度峰值（下降10.9oC），而且顯著降低了近、遠窗點平均輻射溫度差值，促使室內(nèi)輻射溫度場趨于均勻。

4 建筑管理與遮陽調(diào)節(jié)

遮陽設(shè)施的可調(diào)性一直被認為是其重要優(yōu)勢，正因為可調(diào)性的存在，可以根據(jù)氣候和天氣變化的特點，滿足建筑光熱環(huán)境調(diào)節(jié)的需求，實現(xiàn)節(jié)能目的。但是研究表明[13]實際辦公建筑中遮陽設(shè)施的調(diào)節(jié)頻率非常低，室內(nèi)人員對遮陽調(diào)節(jié)具有一定的“消極性”[14]，往往無法完全發(fā)揮遮陽應(yīng)有的價值，無法完全落實原設(shè)計意圖，導(dǎo)致遮陽的效果往往遠低于理論分析預(yù)期，因此如何通過建筑管理優(yōu)化遮陽調(diào)控策略成為節(jié)能建筑無法回避的一個問題。

目前，采用“遠程控制”或者“自動控制”替代傳統(tǒng)的“手動控制”已經(jīng)成為有效提升遮陽技術(shù)應(yīng)用潛力的一種趨勢[15]。在控制策略的研究與工程應(yīng)用中，多以遮陽電機運行與信號傳輸為主，屬于機電類研究領(lǐng)域[16]；或與照明系統(tǒng)耦合，僅考慮人員在室情況，建立相應(yīng)控制策略[17]。綜合考慮室內(nèi)光、熱環(huán)境調(diào)控目標(biāo)，以及在室人員需求的遮陽控制策略則相對較少。

4.1 在室人員遮陽調(diào)控行為的分類

從建筑管理角度研究遮陽的調(diào)節(jié)行為，首先需充分了解導(dǎo)致遮陽調(diào)控行為產(chǎn)生的驅(qū)動因素，對遮陽行為進行準(zhǔn)確的描述，進而識別人員關(guān)于遮陽調(diào)節(jié)行為的習(xí)慣和偏好，幫助其改善室內(nèi)的光熱環(huán)境，并減少建筑的運行能耗。

通過現(xiàn)場調(diào)研及文獻綜述，可將導(dǎo)致遮陽行為產(chǎn)生的驅(qū)動因素分為兩大類：時間相關(guān)的驅(qū)動因素與物理環(huán)境相關(guān)的驅(qū)動因素。

具體來說，時間相關(guān)的驅(qū)動因素可以理解為人員的調(diào)節(jié)行為習(xí)慣，即人員的習(xí)慣動作。例如當(dāng)某人早晨上班進入房間時，發(fā)現(xiàn)遮陽處于完全下拉狀態(tài)，他（她）會“下意識”地將其上拉；或者當(dāng)某人準(zhǔn)備午休時，發(fā)現(xiàn)遮陽處于收起狀態(tài)時，他（她）會將其下拉。換句話說，這一時刻產(chǎn)生的遮陽調(diào)節(jié)行為，并不是由于人員對當(dāng)前的室內(nèi)光熱環(huán)境不滿導(dǎo)致的，而是一種“下意識”的行為，或者有其他目的需要而導(dǎo)致的行為。

物理環(huán)境相關(guān)的驅(qū)動因素，則與前者不同，是對當(dāng)前的室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生不滿，想通過對遮陽的調(diào)節(jié)進行改變?？梢岳斫鉃槭且环N對室內(nèi)環(huán)境的偏好。該類驅(qū)動因素所導(dǎo)致的行為，并不一定與時間相關(guān)，而是與室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)的動態(tài)變化相關(guān)。

綜上，在室人員遮陽調(diào)節(jié)行為可以分為習(xí)慣性和偏好性兩種。

4.2 遮陽控制情境的提出與控制策略建議

為了準(zhǔn)確描述與識別人員對于環(huán)境與遮陽的偏好與習(xí)慣，筆者認為可將上述導(dǎo)致行為產(chǎn)生的驅(qū)動因素提煉為不同的情境，從而量化識別對象，作為遮陽控制的基礎(chǔ)。并通過不同“情境”的耦合，進而生成相應(yīng)的遮陽控制策略，可最大限度挖掘遮陽技術(shù)對于節(jié)能與提升室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的潛力，并減少人員的“誤操作”。

與遮陽控制相關(guān)的情境可分為人員、時間、季節(jié)、天氣。具體來說，將人員分為有人、無人（上班期間）、無人（下班期間）3種情境；將天氣分為晴天、陰天、極端天氣（雨雪大風(fēng)天氣）3種情境；將季節(jié)分為冬季、夏季、過渡季3種情境；將時間分為上午上班、下午上班、午休、下班、加班5種情境。通過上述情境的結(jié)合，建立遮陽控制邏輯。

5 結(jié)語

遮陽技術(shù)作為古老的節(jié)能、環(huán)境調(diào)控措施，對于節(jié)能建筑的進一步發(fā)展具有重要應(yīng)用價值。但是，隨著建筑設(shè)計、建筑部品以及節(jié)能技術(shù)的精細化發(fā)展，遮陽技術(shù)也需要與時俱進，不斷優(yōu)化，提高其在實際建筑中的應(yīng)用效果。

10 秋分日12:00南向房間0.8m高度處平均輻射溫度分布 oC

11 南向房間0.8m高度處不同進深位置平均輻射溫度全年變化 oC（圖片來源：作者自繪）