遮阳技术在现代建筑中的应用

刘瑞瑞

(山西省建筑节能监管中心，山西太原 030013)

现代建筑采用一些遮阳措施，其基本原理是运用相应的材料遮挡太阳光的直射，其根本目的在于为人们提供一个舒适的环境，因为大量的太阳辐射进入室内对能耗以及人们的舒适感会造成影响。随着社会的进步，人们对现代建筑的要求越来越高，由此而造成的能耗也越来越大，所以建筑节能也变得越来越重要，一些研究表明，采用遮阳技术不仅方式简单，而且节能效果显著，所以该项措施被越来越多的建筑设计人员所采用。国内外的研究表明，利用遮阳技术所获得的收益占到建筑能耗的1/3，而用于该项措施的投入则不足2%，效果非常显著。另外根据法国对一遮阳建筑进行分析研究得出，该建筑从太阳辐射所获得的热量，占其所吸收各种热量总和的28%。而采用遮阳装置以后其所得到的热量明显减少。另外，有大量的文献表明采用内遮阳可以减少50%左右的负荷，而采用外遮阳系统则效果更加显著，由此可见现代建筑采用遮阳的有效性[1]。

1 遮阳方式

现代建筑遮阳方式有很多，并且所覆盖的范围也比较大，一般可以分成两部分，一是对建筑围护结构的遮阳，另外一个就是对窗户的遮阳。同时，按照在建筑中其安装位置一般可分为外遮阳和内遮阳[2]。

1.1 外遮阳形式

建筑外遮阳分为活动式遮阳和固定式建筑构件遮阳。活动式遮阳具有良好的遮阳效果，遮阳的范围可以根据人们的意愿进行调节。但由于该种遮阳方式暴露在室外，受室外天气的影响，所以容易损坏且维修也较困难，从而导致其使用并不普遍。固定式外遮阳其原理是结合房屋结构设计，采用建筑构件及其他材料等做成永久性遮阳板，由于其固定在建筑上，所以成为建筑物的组成部分。这种遮阳方式虽然使用周期长且有助于建筑立面美观，但其固定性造成无法随时更改，另外也无法根据室外气候和居住者的意愿进行调节，两种方式各有利弊。另外按构造形式，外遮阳还可以分为:水平遮阳、垂直遮阳、挡板式遮阳、综合式遮阳等方式。

1)水平遮阳。采用水平遮阳时要仔细考虑不同季节、不同时间的阴影变化，因为水平遮阳在不同的太阳高度角和方位角，由遮阳构件产生的遮阳效果也不同(见图1)。当太阳高度角较大时，该种方式遮阳效果较理想。故在接近南向及其附近的窗户适合采用水平遮阳的方式[3]。

图1 水平遮阳示意图

2)垂直遮阳。垂直遮阳主要遮挡的是从窗侧面射来的阳光，但是太阳的方位角对垂直遮阳的效果也有影响(见图2)。当太阳高度角较低时垂直遮阳对阳光的遮挡较明显，因此该种遮阳方式多用于低纬度地区，另外对于建筑的窗户朝东西向时应用的也比较多。在我国该种遮阳方式在民用的居住建筑应用较少，而在商业建筑中应用相对较多。垂直遮阳有其固有的缺点:一是无法遮挡从窗口正上方投射的阳光;二是日出日落时对窗口照射的阳光，其遮挡作用也比较弱;另外垂直遮阳对室内视角的影响也不可忽略。

图2 垂直遮阳示意图

3)综合式遮阳。综合式遮阳是由水平遮阳和垂直遮阳结合而成(见图3)，因此兼有两种方式的遮阳优点，对于不同的太阳高度角和方位角的阳光都比较有效，另外采用综合式遮阳使得进入室内的自然光线也更加均匀。在我国南方地区综合式遮阳适合于有东向西向或东南向窗户的建筑，因为它可以同时遮挡从侧部和顶部射来的太阳光，所以该种遮阳方式应用也比较广泛[4]。

4)挡板式遮阳。挡板式遮阳是指在窗口前方一定距离设置和窗面平行的挡板，从而起到遮阳作用的遮阳形式(见图4)。这种形式能够特别有效地遮挡太阳角较小的直射阳光以及从窗口正前方射来的阳光。但是该种遮阳方式对室内通风以及视线都有一定影响，所以在现代建筑设计中一般采用可活动或方便拆卸的挡板式遮阳形式，而很少采用固定式的建筑构件，该遮阳方式适用于东西向的窗户。

图3 综合式遮阳示意图

图4 挡板式遮阳示意图

5)其他遮阳方式。目前除了上述几种遮阳方式以外，应用较多的还有遮阳纱幕、遮阳篷和外置卷帘遮阳。对东西向的窗户，采用遮阳纱幕效果则比较显著。而对于遮阳篷一般安装在窗户或其他构件的上方，其优点是可以大面积遮阳，但其遮阳效果与材料颜色、安装位置以及安装方式都有关，如果安装时倾斜角较小则对阳光几乎不起遮挡作用。外置卷帘遮阳对阳光的遮挡效果明显，如果卷帘不透光则可把太阳辐射控制在10%以内，但是对室内采光影响较大。

1.2 建筑内遮阳

建筑内遮阳是指遮阳装置和控制系统都位于室内的遮阳方式。内遮阳的形式多样且材料各异，目前较常用的是卷帘、风琴帘、百褶帘、百叶帘等，材料也涉及铝合金、布、木等，一般浅色的窗帘比深色的遮阳效果更好，因为浅色反射的太阳光多，吸收的少。由于该种遮阳方式安装在室内，以及使用和维护都比外遮阳方便，所以在夏天需要遮阳冬天需要保温的地区应用都比较广泛。由此而引发的关于两种遮阳效果的研究也层出不穷。

外遮阳与内遮阳的区别在于，内遮阳只能遮挡一部分太阳辐射，当阳光照射到遮阳装置上时利用长波辐射的原理把玻璃加热，可见光和紫外线使遮阳材料温度升高，内遮阳与窗户之间的空气温度也随着不断上升，促使整个室内温度都随之升高。而外遮阳是户外遮阳，当阳光照射时，第一时间就能阻挡紫外线等强烈光线，降低了空间的负荷，大大增加了室内家居的使用寿命，因此内遮阳效果明显不如外遮阳。但其优点一是有利于房间的通风、采光，也可根据太阳高度角和方位角的变化及遮阳要求来调节;二是开启灵活、经济易行、可伸缩[5]。

但在实际运用时内遮阳和外遮阳往往是结合在一起的，即采用综合遮阳方式，两种方式可以同时使用也可以根据不同情况分开使用。这样不仅可以充分利用内、外遮阳的优点，也有很好的节能效果。

1.3 绿化遮阳

绿化遮阳是借助于树木或者藤蔓植物等绿色植被来遮挡太阳直射的遮阳方式，特别适用于低层建筑，是一种既有效又经济美观的遮阳措施。绿化遮阳通常有两种方式:种树和采用攀缘植物。在现代建筑中具体采用哪一种需根据当地现有条件进行选择，需要考虑的因素有窗口朝向以及遮阳方式的限制。该种遮阳方式的明显优势是植物叶片在吸收阳光后本身的温度并未显著提高，而采用遮阳构件在吸收太阳能后自身温度会显著升高，其中一部分热量还会向室内传递。

在选择绿化遮阳时要注意以下几个问题:1)根据实际情况选用较好的固定构件以保证藤蔓植物的攀缘;2)防止藤蔓植物带来的虫害;3)选择合适的绿化种类。另外绿色植被除满足遮阳的要求外，还要尽量减少对采光、视线以及通风的影响。

2 影响建筑遮阳的相关因素

1)当地气候。众所周知，建筑是人们生活的场所，其作用是抵御外界反复变化的气候对居住者的影响。由于我国各地区所处的位置不同以及在地貌地形上的巨大差异，使得各地区的气候变化很大，从而导致人们对遮阳方式的要求也会有所不同。如我国南方沿海属于夏热冬暖地区，该地区的建筑主要考虑通风、遮阳和隔热;而在我国的北方严寒地区考虑的主要因素则是保温和防寒;而对于气候温和的地区，其要求又与两者不相同。

2)窗口朝向。太阳高度角和方位角每时每刻都在变化，从而使得室内所得到的太阳辐射不尽相同，另外当我们考虑制冷或供暖时，最大负荷所产生的时间不同，所以对于各个朝向的窗户，其遮阳方式以及遮阳时间也不相同。如在我国南方地区，应重视朝南向的窗户遮阳，另外对于其他朝向的遮阳也不可忽略。

3)遮阳形式。根据以上分析，现代建筑中遮阳的基本方式可分为外遮阳和内遮阳。而内、外遮阳又有很多种形式。当太阳高度角较大时，水平遮阳效果较理想;在低纬度地区垂直遮阳能有效地遮挡直射阳光;综合遮阳对不同的太阳高度角和方位角阳光的遮挡都比较有效;挡板式遮阳能够特别有效地遮挡太阳角较小的直射阳光以及从窗口正前方射来的阳光。所以应根据不同情况选择不同的遮阳方式。

4)遮阳系数。遮阳系数是指太阳辐射总透射比与3 mm厚普通无色透明平板玻璃的太阳辐射的比值。需要注意两点:a.遮阳系数越小，阻挡阳光热量向室内辐射的性能越好;b.若某玻璃遮阳系数为0.5，不能认为玻璃能让50%的太阳热量进入室内，应理解为此玻璃能透过的太阳热量是标准3 mm白玻璃透过热量的50%。

3 不同遮阳方式对建筑能耗的研究与讨论

3.1 不同遮阳方式对模型建筑的能耗分析

利用EnergyPlus模拟软件，对计算模型朝南向时的不同的建筑遮阳形式的能耗进行比较分析。从图5～图7中模拟结果可以分析得出以下几个结论:

1)广州地区建筑外遮阳形式对采暖能耗几乎没有影响。计算模型中采用不同遮阳形式的全年单位建筑面积的采暖能耗都为10.1 kWh/m2，外遮阳形式主要影响制冷空调能耗;

2)广州地区的建筑能耗以制冷空调能耗为主。计算模型中，一般情况下采暖能耗只有空调能耗的0.3倍左右。

图5 建筑模型图

3.2 不同遮阳方式对调研建筑的能耗分析

另外我们对调研的某一建筑采用不同的建筑遮阳形式后的总能耗和峰值能耗等进行比较和分析。该建筑共有一建筑面积为210 m2外墙为180 mm厚的实心粘土砖，内墙为180 mm厚的加气混凝土。

图6 全年单位建筑面积空调能耗图

图7 全年单位建筑面积采暖能耗图

从图8，图9中可以分析得出以下几个结论:

在广州地区的建筑能耗以制冷空调能耗为主，采暖能耗很小。从图7可以看出，遮阳装置对模型建筑全年单位建筑面积采暖能耗影响很小，一般在5.9 kWh/m2～9.4 kWh/m2。从图8，图9可以得出，遮阳装置对模型建筑的采暖峰值负荷几乎没有影响，固定在1.7 kW～2.1 kW之间，遮阳装置对模型建筑全年单位建筑面积制冷空调能耗和制冷空调峰值负荷影响比较大，分别在25.2 kWh/m2～38.11 kWh/m2和 7.1 kW ～9.96 kW 之间，其中采用综合遮阳措施后空调能耗和峰值负荷最小，没有采取任何措施最大，也就是说采用合理的遮阳方式可以显著的减少建筑空调的能耗[6]。

图8 建筑空调、采暖负荷峰值图

4 现代遮阳设计中应考虑的因素

窗户遮阳是改善室内环境，降低空调能耗的有效措施，但是在冬季应区别看待，因为太阳辐射对于冬季室内采暖、提升室内温度是十分有利的。因此在外窗遮阳设计中应根据当地的地理位置、气候特征、建筑类型、建筑功能、建筑朝向、经济技术条件等因素，选择适宜的遮阳形式，并宜选择外遮阳。

图9 全年单位建筑面积采暖空调能耗图

由于在冬、夏季人们对太阳辐射的不同需求，所以不同朝向的外窗应根据实际情况采用不同的外遮阳形式。一般东、西向外窗可采用活动式的遮阳板，这样可以随着不同的阳光照射进行调节;而南向外窗由于一年之中所受到的日照时间较长，所以需要遮阳的时间也较长，可以考虑采用固定遮阳板。综上所述，应根据当地的气候特点和窗口朝向来选择遮阳形式，在建筑设计中尽可能做到以下几点:1)遮阳应在建筑设计中整体考虑;2)夏热冬冷地区多采用活动遮阳方式;3)内外遮阳相结合;4)采取投入少，节能效果明显的遮阳措施，实现遮阳设计的最优化。

另外，建筑遮阳设计应兼顾采光、通风、视野、隔热、散热功能，不影响建筑冬季阳光入射。遮阳装置力求构造简单、经济适用、耐久美观，便于维修和清洁，与建筑固定安全可靠。

5 结语

1)在广州地区建筑能耗以空调能耗为主，采暖能耗只有空调能耗的0.3倍。遮阳装置对采暖能耗和采暖峰值负荷的影响很小。2)在广州地区遮阳装置对空调能耗和空调峰值负荷的影响比较大，但是不同遮阳方式的影响程度不同。模拟分析表明综合遮阳装置的遮阳效果最好，其次是外遮阳、内遮阳。采用合理遮阳方式可以显著的减少建筑空调能耗。3)在遮阳设计中应根据当地的地理位置、气候特征、建筑类型、建筑功能、建筑朝向、经济技术条件等因素，选择适宜的遮阳形式，并宜选择外遮阳。

[1] JGJ 75-2003，夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准[S].

[2] GB 50189-2005，公共建筑节能设计标准[S].

[3] 杨仕超，周 荃.建筑节能中的遮阳技术应用[J].中国住宅设施，2012(8):19-20.

[4] 肖桂清.遮阳——建筑节能的一种有效途径[J].四川建筑科学研究，2008，34(5):3-4.

[5] 张叔君.建筑遮阳设计[J].住宅产业，2012(2):1-3.

[6] 田智华.建筑遮阳性能的实验检测技术研究[D].重庆:重庆大学，2005:78-80.