外窗遮陽設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題綜合分析

姚立民，王偉芳，李小林，李超，翟波Yao Limin,Wang Weifang,Li Xiaolin,Li Chao,Zhai Bo

（渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714000）

0 引言

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，能源過度消耗已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)問題。據(jù)估計(jì)，2014-2035年期間，全球能源需求將增長34%，到2035年我國將占世界能源消耗總量的25%[1]。我國的能源消耗主要集中在建筑、交通運(yùn)輸和工業(yè)三個(gè)領(lǐng)域。其中，我國當(dāng)下的建筑能耗已接近社會(huì)總能耗的1/3[2]。隨著能源緊張逐步成為限制我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵障礙之一，以及世界范圍內(nèi)低碳經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，深入開展建筑節(jié)能研究，才能為積極應(yīng)對相關(guān)挑戰(zhàn)提供理論支持。

據(jù)有關(guān)部門測定，南方夏季下午兩點(diǎn)每平方米窗戶會(huì)導(dǎo)致房間溫度升高2℃甚至更高，如果一個(gè)房間的窗戶在10:00～14:00能夠避免直射陽光照進(jìn)室內(nèi)，則此時(shí)段室內(nèi)氣溫平均可以降低2℃～5℃[3]。通過窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射熱量，一般可占建筑太陽輻射總得熱的80%左右[4]。研究表明：與不采用遮陽設(shè)施的建筑比較，采用遮陽設(shè)施的建筑空調(diào)耗電量降低幅度為3.37%～11.04%[5]。

從上世紀(jì)四五十年代開始，建筑設(shè)計(jì)開始青睞大面積開窗，建筑窗戶面積和外墻面積的比例不斷提高，從15%～25%上升到35%以上，甚至接近100%。這在提升采光、通風(fēng)、景觀效果的同時(shí)，也帶來了制冷和采暖方面的問題[6]。在夏季炎熱地區(qū),由建筑外窗形成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[7]。要解決這一矛盾，建筑遮陽技術(shù)的同步發(fā)展至關(guān)重要。

建筑遮陽是建筑節(jié)能技術(shù)的組成部分之一，科學(xué)合理地運(yùn)用遮陽技術(shù)，對防止夏季室內(nèi)過熱，降低空調(diào)使用能耗，以及維持室內(nèi)環(huán)境的舒適性等發(fā)揮著重要作用。由于太陽輻射透過窗戶直接進(jìn)入室內(nèi)的熱量是造成室內(nèi)過熱以及空調(diào)制冷負(fù)荷增加的主要原因。因此，如何合理利用建筑遮陽來降低進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射熱，改善建筑熱環(huán)境，便成為建筑節(jié)能研究中不可忽視的重要課題。

1 外窗遮陽技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀分析

1.1 根據(jù)安裝位置分類

根據(jù)遮陽裝置的安裝位置，可將外窗遮陽技術(shù)分為內(nèi)遮陽、外遮陽和玻璃自遮陽三大裝置類型[8-9]。

1.1.1內(nèi)遮陽

內(nèi)遮陽裝置安裝在窗戶內(nèi)側(cè)，當(dāng)太陽輻射透過玻璃進(jìn)入室內(nèi)后，才由遮陽裝置進(jìn)行遮擋。這樣的安裝方式不可避免地會(huì)使部分太陽輻射熱傳入室內(nèi)，引起室溫升高或空調(diào)負(fù)荷增加。因此，其遮陽效果相對較差。內(nèi)遮陽裝置一般均為活動(dòng)式，主要包括百葉簾和織物簾兩類。由于內(nèi)遮陽不影響建筑外立面造型，不存在高空墜落風(fēng)險(xiǎn)，安裝維護(hù)比較方便，能夠適應(yīng)夏季遮陽和冬季采光取暖要求的變化，所以目前應(yīng)用較多。

1.1.2 外遮陽

外遮陽裝置安裝在窗戶外側(cè)，能夠?qū)⑻栞椛錈嶙钃踉谑彝?，遮陽效果較好。根據(jù)其遮陽形態(tài)是否可調(diào)，又分為固定式外遮陽和活動(dòng)式外遮陽兩大類[9-10]。固定式外遮陽包括遮陽挑檐、固定遮陽板、固定遮陽蓬、固定遮陽百葉等；活動(dòng)式外遮陽包括百葉窗扇、百葉簾、織物簾、活動(dòng)遮陽篷等。其中，遮陽板和遮陽百葉根據(jù)其板條或百葉片的安裝方向不同，又可分為水平式、垂直式和復(fù)合式三種類型。

遮陽板的材料通常為鋼筋混凝土，遮陽百葉的材料包括不銹鋼、鋁合金、塑料、竹、木等，織物簾和遮陽蓬的材料通常為各種纖維織物。

日本、美國、歐洲以及中國香港等國家和地區(qū)都把提高窗戶的熱工性能和遮陽控制作為夏季防熱、降低建筑空調(diào)負(fù)荷的重點(diǎn)。這些國家和地區(qū)普遍在建筑的窗外安裝外遮陽設(shè)施，將窗的遮陽作為夏季建筑節(jié)能的一個(gè)重要措施來考慮。同時(shí)逐漸以百葉擋板等遮陽方式，取代不透光的傳統(tǒng)擋板，以更好地解決遮陽、通風(fēng)與觀景的矛盾[11]。相關(guān)研究表明，外遮陽設(shè)施可以降低建筑表面80%的太陽輻射得熱，是比內(nèi)遮陽設(shè)施更為有效的降溫措施。例如，相同的布簾或軟百葉等遮陽設(shè)施，內(nèi)遮陽變更為外遮陽后，傳入室內(nèi)的熱量將由60%降低為30%[12]，對使用空調(diào)的建筑來說，外遮陽更是節(jié)約電能的主要措施之一[13]。

由于外遮陽裝置位于建筑外側(cè)，因此會(huì)影響建筑立面造型，還存在高空墜落的風(fēng)險(xiǎn)，在大風(fēng)中容易損壞和產(chǎn)生噪音，需考慮防雨、防風(fēng)措施，同時(shí)其對材料的要求也高，安裝、維護(hù)均不方便，所以在高層建筑和繁華市區(qū)一般限制使用。

1.1.3 玻璃自遮陽

玻璃自遮陽是指在窗戶上安裝具有遮陽功能的玻璃，一般可分為低透射玻璃和中置百葉的雙層玻璃兩種。隨著技術(shù)更新，許多新型建筑玻璃品種本身就可具有很好的遮陽隔熱性能，對不同頻譜的太陽光波段能夠體現(xiàn)出選擇性吸收或透過的功能?，F(xiàn)在各種新型玻璃產(chǎn)品，如低輻射玻璃、多功能鍍膜玻璃、薄膜型熱反射材料貼膜玻璃、光致和電致變色玻璃等，都具有良好的遮陽效果[9-10]。

與內(nèi)遮陽及外遮陽裝置相比，玻璃自遮陽不用在窗戶內(nèi)側(cè)或外側(cè)安裝其他裝置，無突出部件，對于高層或超高層建筑比較適用。但是，由于自遮陽窗戶一般呈關(guān)閉狀態(tài)，因而容易造成室內(nèi)通風(fēng)不良。此外，玻璃自遮陽裝置的成本較高，并且很難兼顧早晚光照變化以及夏季遮陽與冬季采光取暖之間的平衡。因此，玻璃自遮陽技術(shù)的應(yīng)用受到一定的限制。

1.2 根據(jù)可調(diào)節(jié)性分類

根據(jù)遮陽裝置的可調(diào)節(jié)程度，可將外窗遮陽技術(shù)分為固定式、半固定式和可收縮式三種類型[8-10]。

1.2.1 固定式遮陽

固定式遮陽裝置的位置和角度固定不變，使用過程中不可調(diào)節(jié)改變。典型的固定遮陽裝置有水平式遮陽板、垂直式遮陽板、格柵形遮陽板等。固定式遮陽的優(yōu)勢在于構(gòu)造簡單、成本較低、維護(hù)方便；缺點(diǎn)是不能遮擋所有時(shí)間段的太陽光線，并且難以協(xié)調(diào)處理遮陽、采光、通風(fēng)的綜合要求[14]。

1.2.2 半固定式遮陽

半固定式遮陽裝置部分可調(diào)，但是總體位置不可大幅度調(diào)整，因此其適應(yīng)性較差，實(shí)際應(yīng)用不多。百葉窗、百葉擋板、半固定式遮陽板等，皆屬于半固定式遮陽裝置。

1.2.3 可收縮式遮陽

可收縮式遮陽裝置可以被收縮到窗口的頂部或窗口一側(cè)，甚至完全撤掉，遮陽比例可以自由調(diào)節(jié)。內(nèi)遮陽的百葉簾和織物窗簾以及外遮陽篷、軟百葉簾均屬于這一類型。這類遮陽裝置能夠在較大范圍調(diào)節(jié)遮陽形態(tài)，因此可以適應(yīng)早晚日照的變化和不同季節(jié)對遮陽需求的變化，并且在遮陽的同時(shí)可以兼顧室內(nèi)通風(fēng)的要求。另一方面，其缺點(diǎn)是當(dāng)用于外遮陽時(shí)，存在安裝維護(hù)不便、高空墜落風(fēng)險(xiǎn)以及在大風(fēng)中容易損壞和產(chǎn)生噪音等問題。

2 現(xiàn)有技術(shù)的缺陷及改進(jìn)方向

2.1 技術(shù)缺陷

通過觀察分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的遮陽技術(shù)尚不完善：內(nèi)遮陽裝置的遮陽效果較差，很難兼顧遮陽與采光、通風(fēng)、散熱的需求；外遮陽裝置位于建筑外側(cè)，影響建筑立面造型，而且存在高空墜落風(fēng)險(xiǎn)，需考慮防雨、防風(fēng)措施，對材料的要求也高，安裝、維護(hù)均不方便，在高層建筑和繁華市區(qū)的使用會(huì)受到限制；玻璃自遮陽裝置的成本較高，且遮陽窗戶一般呈關(guān)閉狀態(tài)，容易造成室內(nèi)通風(fēng)不良，同時(shí)由于遮陽率固定，很難兼顧早晚光照變化以及夏季遮陽與冬季采光取暖的需求；固定式和半固定式遮陽裝置不能靈活調(diào)節(jié)，適應(yīng)性一般較差；可收縮式遮陽由于活動(dòng)部件較多，抗風(fēng)雨能力較差，需要經(jīng)常維護(hù)，因此主要適用于內(nèi)遮陽方式，難以適用于高層建筑外遮陽。

目前，大部分研究者比較注重建筑遮陽的熱工性能研究[15-16]，缺少對遮陽與采光、通風(fēng)、建筑安全、建筑美學(xué)、人的生理和心理舒適性等因素之間關(guān)系的綜合性研究。理想的遮陽設(shè)施應(yīng)該是遮陽比例靈活可調(diào)，遮陽與采光、通風(fēng)兼顧，夏季白天可用，早晚可收起，抗風(fēng)雨，無高空墜落風(fēng)險(xiǎn)，安裝維護(hù)方便，費(fèi)用經(jīng)濟(jì)可行。要達(dá)到這些要求，遮陽設(shè)施的設(shè)計(jì)研究不應(yīng)局限于單獨(dú)的外遮陽、內(nèi)遮陽、固定遮陽、活動(dòng)遮陽，而應(yīng)積極開展具有創(chuàng)新性的、交叉融合的、復(fù)合類型的研究。

2.2 改進(jìn)方向

現(xiàn)有單一型式的遮陽裝置，很難滿足綠色建筑、健康建筑、超低能耗建筑的建設(shè)要求。要進(jìn)一步改進(jìn)遮陽技術(shù)，滿足低碳節(jié)能的建筑要求，就應(yīng)積極開展建筑遮陽基礎(chǔ)理論研究，借助計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，運(yùn)用系統(tǒng)工程理論、空氣動(dòng)力學(xué)理論、熱工學(xué)理論、光學(xué)、聲學(xué)等理論，綜合協(xié)調(diào)處理好建筑遮陽、采光、通風(fēng)、建筑安全、建筑美學(xué)等功能的需要。以基礎(chǔ)理論為指導(dǎo)，大力開展建筑遮陽新材料研發(fā)活動(dòng)，借助新材料的支持，才能更好地滿足多種功能要求。此外，建筑遮陽設(shè)施的設(shè)計(jì)，還必須考慮設(shè)施本身的安全性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性和耐久性等問題。只有綜合解決了以上問題，建筑遮陽技術(shù)才能得到更好的發(fā)展。

今后，我們對建筑遮陽技術(shù)的研究，可以從創(chuàng)新建筑遮陽裝置的型式和材料入手，深入研究不同型式裝置和不同材料裝置的遮陽效果、采光效果、綜合節(jié)能效果、熱傳輸機(jī)理、光傳輸機(jī)理、室內(nèi)舒適性指標(biāo)，以及遮陽裝置的安全性、經(jīng)濟(jì)性、耐用性指標(biāo)等問題，從而提出遮陽材料的技術(shù)要求和遮陽裝置的改進(jìn)方向。

例如，為適應(yīng)現(xiàn)代高層建筑的遮陽要求，可以將內(nèi)遮陽卷簾和上懸窗通風(fēng)換氣設(shè)施結(jié)合使用，由內(nèi)遮陽卷簾在窗戶內(nèi)側(cè)遮擋反射的太陽輻射熱（包括直射輻射、大氣輻射和環(huán)境反射），可從上懸窗及時(shí)排出室外。以此對內(nèi)遮陽卷簾與窗戶玻璃之間的氣流進(jìn)行合理調(diào)控，最大程度減小了太陽輻射熱對室內(nèi)環(huán)境的影響。這樣的裝置既具有內(nèi)遮陽卷簾在使用方面的便捷性、靈活性，又改善了其遮陽效果，提升了散熱功能，同時(shí)還滿足了防雨和通風(fēng)換氣的要求。此外，在內(nèi)遮陽卷簾材料的選擇上應(yīng)注重更好的反光性、隔熱性和更低的吸熱性等因素。同時(shí)為了充分利用自然光照明，遮陽卷簾的材料應(yīng)具有適當(dāng)?shù)耐腹庑砸约巴腹饴士烧{(diào)的特點(diǎn)。

3 結(jié)語

隨著低碳經(jīng)濟(jì)、綠色建筑、健康建筑等理念的提出，建筑遮陽技術(shù)作為建筑節(jié)能中的重要一環(huán)，也應(yīng)順應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求，不斷進(jìn)行深入的理論探索與實(shí)踐檢驗(yàn)。然而，目前的遮陽技術(shù)還存在一定缺陷，有待改進(jìn)。要實(shí)現(xiàn)遮陽技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，就應(yīng)充分利用新材料、新技術(shù)、新理論，積極開展創(chuàng)新融合研究，綜合協(xié)調(diào)處理好建筑遮陽、采光、通風(fēng)、建筑安全、建筑美學(xué)等功能需要，將建筑遮陽技術(shù)朝著縱深化方向推進(jìn)，為舒適的人居環(huán)境和節(jié)能減排目標(biāo)服務(wù)。