重慶地區教學建筑遮陽現狀分析及改善措施

黃海靜，王雅靜

(重慶大學a.建筑城規學院；b.山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

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重慶地區教學建筑遮陽現狀分析及改善措施

黃海靜a,b，王雅靜a

(重慶大學a.建筑城規學院；b.山地城鎮建設與新技術教育部重點實驗室，重慶 400045)

建筑遮陽是一種十分重要的節能手段。對于教學建筑而言，合理的遮陽設計不僅可以調節太陽輻射，降低空調能耗，而且可以避免眩光，提高室內人員的視覺舒適度；然而，不當的遮陽設計卻可能對室內采光、通風或視野等造成一定的影響。文章以重慶地區為例，通過對教學建筑遮陽現狀的實地調研及分析，總結其存在的問題，并提出相應的改善措施，從而為該地區教學建筑遮陽設計提供一定的參考。

教學建筑；遮陽；現狀調研；改善措施

目前，我國對建筑節能的研究主要集中在辦公樓、住宅等，而對能耗較大的教學建筑節能研究比較少。一方面是因為教學建筑在全年的使用時間最短，另一方面是它避開了夏季最高空調能耗與冬季最高采暖能耗的兩個極端時間。然而，教學建筑相較于其他建筑類型而言，人員集中度高，室內人員熱擾較大，這會導致建筑內部溫度上升幅度較大，增大空調的冷負荷，且教學建筑是學生長期使用的學習空間，其熱環境和光環境的好壞直接關系到學生的身心健康和學習效率。針對外窗設置遮陽措施調節太陽輻射，不僅可以提高室內熱環境舒適度，降低能耗，而且可以提高室內照度均勻度，防止眩光，改善學生學習的光環境。此外，我國目前的大學校園規模也在不斷擴大，教學樓逐漸從耗能小戶轉型成耗能大戶。因此，研究教學建筑遮陽具有十分重要的意義。

1 環境條件分析

1.1 地域氣候特點

重慶屬于夏熱冬冷地區，夏季最熱月平均溫度25～30 ℃,平均相對濕度80%左右,因此，采取遮陽措施進行隔熱和引導通風至關重要。而冬季最冷月平均氣溫0～10 ℃,平均相對濕度80%左右 ,氣溫雖然比北方高,但日照率遠遠低于北方，因此，冬季日照低、濕度大的特點要求遮陽在遮擋太陽直射光的同時不能影響室內的采光和通風，應采取一定的措施來提高室內的采光和通風效果。

1.2 建筑物理環境要求

根據重慶地區的氣候特點，對教學建筑的室內物理環境主要有以下幾點要求:

1)良好的采光。教學建筑光環境質量的好壞不但關系到學生的生理和心理健康，也直接影響學生的學習效率。合理利用遮陽構件進行采光設計，可以使教室保持足夠照度的同時也具有較好的照度均勻度，從而避免直射光進入室內而引起眩光，提高室內人員的視覺舒適性。

2)舒適的通風。對于夏季高溫高濕、冬季陰冷潮濕的夏熱冬冷地區來說，保證室內良好的通風環境至關重要。利用遮陽構件的導風功能，可以增加建筑進風口的風壓，對通風量進行調節，起到改善室內風環境的作用。

3)適宜的溫度。夏熱冬冷的氣候特點，要求建筑能同時滿足夏季隔熱和冬季采暖的需求。這就需要加強建筑圍護結構的保溫隔熱性能，重點是提高外窗的熱工性能，而有效的遮陽裝置是調節太陽輻射、提高其熱工性能的必要手段。

建筑遮陽是建筑節能的重要手段之一，但不當的遮陽措施卻會導致室內采光不足、通風不暢、影響冬季采暖等一系列問題。因此，筆者通過對重慶地區高校教學建筑遮陽現狀的實地調研、數據統計和問題分析，提出相應的改善建議，以更好的實現建筑節能。

2 教學建筑遮陽調研概況

2.1 調研對象選擇

文章以高校教學建筑為調研對象，因為高校教學建筑相對中小學而言，其寒暑假被利用的機會更多，如研究、學習等，而寒暑假恰恰是一年中溫濕度最不舒適的季節，尤其是夏季，酷暑難耐，是使用空調設備最多的季節。良好的遮陽設計不僅可以極大地提高

室內環境的舒適度，還節約能耗。

2.2 調研工具及方法

實地調研測試的內容主要包括采取遮陽情況下室內的溫度、照度、風速等。考慮太陽輻射及窗戶傳熱特點，以西向、東向和南向教室為主，北向不作考慮。考慮日常教學安排，確定教室遮陽測試的有效時間為上午9時到下午5時。

針對調研要素選擇的主要測試工具為風速儀和照度計，其中風速儀可以兼測溫濕度和風速。測試方法是:從上午9時至下午5時，在全自然條件下，每隔一小時測一次。對于溫度和風速，風速儀的風速感應器開口對應風來的方向，離地大約1.2 m高度處，室內外同時操作，連測三次，分別記錄風速和溫度數據；對于照度，將照度計的光檢測器放在桌面高度(約0.80 m)處，室內外同時測。室內沿進深方向均勻分布三個點，分別測其照度，連測三次，記錄數據。

2.3 前期調研概況

重慶地區高校教學建筑遮陽的調研現狀如表1所示。為記錄方便，表中將7個學校的名稱進行簡稱。四川美術學院簡稱“川美”，西南政法大學簡稱“西政”，重慶大學虎溪校區簡稱“虎溪重大”，重慶理工大學簡稱“理工大”，重慶工商大學簡稱“工商大”，重慶師范大學簡稱“重師”，重慶交通大學簡稱“重交大”。由表3內容可知，“川美”的東向教室理論上宜采用擋板式的遮陽，實際上采用了豎直百葉遮陽；“西政”的西南向教室理論上宜采用綜合式遮陽，實際上采用了水平式遮陽；“重交大”南向教室理論上宜采用水平式或綜合式的遮陽，實際卻采用了垂直式遮陽。因此，這三個院校均采取了不當的遮陽方式，筆者不對其做進一步實地測試，而只對其他四個院校進行測試研究。

表1 重慶地區高校教學建筑遮陽前期調研

續表

調研對象建筑方位朝向建筑立面立面朝向理論上宜采用遮陽形式實際采用遮陽形式恰當與否西政(博學樓)南偏西綜合式水平遮陽不恰當虎溪重大(一教)南向、西南水平式、綜合式綜合遮陽恰當工商大(慧智樓)西南向綜合式綜合遮陽恰當理工大(博園一號樓)南向水平式、綜合式遮陽綜合遮陽恰當重師(一教)南向水平式、綜合式綜合遮陽恰當重交大(一教)南向水平式、綜合式垂直遮陽不恰當

3 教學建筑遮陽現狀分析

3.1 遮陽實測數據分析

3.1.1 重慶師范大學一教——南向

重師一教南向教室采用綜合式遮陽。圖中測點1、測點2、測點3分別是室內沿進深方向均勻分布的三個點。實地測試過程中無直射光進入室內。由圖1a可知，在最熱的時間段12—14點，室內外溫度基本接近。由圖1b可知，當室外最大風速為0.63 m/s時，室內風速為0.04 m/s，其他時間都低于0.04 m/s。由圖1c可知，室內外照度相差很大，但是圖1d中靠外窗的測點1照度遠遠大于測點2、3的照度。經計算，室內天然光照度變化范圍為653～1 969 lx，室內采光系數為3%～6%。

圖1 重慶師范大學南向遮陽數據統計圖

3.1.2 重慶大學虎溪校區一教——西南向

西南向教室采用了綜合式遮陽，觀察記錄顯示，15點—17點有直射光進入室內。由圖2a可知，在最熱時間段12點—14點室內溫度比室外低近1度；由圖2b變化曲線可知，室外風速在1.29～3.29 m/s時，室內風速為0.4～0.5 m/s，其他大部分時間都處于0.4 m/s以下。由圖2c可以看出室內外照度相差很大，但是圖2d中靠外窗的測點1的照度遠遠大于測點2、3的照度。經計算，室內天然光照度變化范圍為1 416～2 941 lx，室內采光系數為4%～8%。

圖2 重慶大學虎溪校區西南向遮陽數據統計圖

3.1.3 重慶工商大學慧智樓——西南向

慧智樓西南向教室采用了綜合式遮陽。觀察記錄顯示，15點40左右有少量直射光進入室內，其他時間都能很好遮陽。由圖3a可知，整個測試時間段里室內外溫度基本持平。由圖3b可知，室內風速16點時最大，為0.3 m/s，其余時間都低于0.16 m/s。由圖3c可以看出，在最熱時間段12點—16點室內外照度差值最大。圖3d中，經計算，9點—10點室內照度值在386～427 lx之間變化，其他時間都≥450 lx，室內采光系數為3%～8%。

圖3 重慶工商大學遮陽數據統計圖

3.1.4 重慶理工大學博園一號樓——南向

一號樓南向教室采用了綜合式遮陽形式，整個測試過程室內無直射光進入。由圖4a可知，在最熱時間段12點—14點，室內外平均溫度均在32.5 ℃左右，相差不大；由圖4b可知，當室外最大風速為0.29 m/s時，室內風速為0.08 m/s，其余時間都低于0.06 m/s；由圖4c可以看出室內外照度差值較大；圖4d中，經計算，室內天然光照度在1 029～2 352 lx之間變化，室內采光系數為4%～12%。

圖4 重慶理工大學南向遮陽數據統計圖

3.2 遮陽現狀評價

3.2.1 遮陽相關評價標準

外遮陽的設置將直接或間接的影響室內溫度、采光、通風等，因此，遮陽效果的評價必須同時分析遮陽設施對室內光、熱及風環境的影響效果，利用相關指標對其進行綜合評價。

1)遮陽效果。遮陽設施最基本的作用是能遮擋進入室內的直射光。因此，一般根據其能否在各個朝向過熱的時間段里(室內氣溫在以29 ℃以上，太陽輻射強度大于 240 W/m3)達到滿窗遮陽作為遮陽效果的評判標準，在實地測試過程中可通過觀察記錄遮陽設施遮擋直射光入射的效果及室內陰影變化來判斷。

2)照度。GB 50033-2013《建筑采光設計標準》中以采光系數和室內天然光照度作為采光設計的評價指標。標準規定:教育建筑的普通教室側面采光的采光系數①不應低于3%，室內天然光照度不應低于450 lx，側窗采光均勻度不作規定。

3)通風效果。室內通風效果一般以人員呼吸區的風速和室內氣流分布作為評價指標。遮陽構件對室內通風舒適度的影響情況一般可以幾個區間進行判斷:風速為0～0.25 m/s時，人體感覺不到風；0.25～0.50 m/s時，舒適，不影響工作；0.50～1.0 m/s時，一般舒適，需提防薄紙被吹散；1.0～2.0 m/s時，有風，稍微不舒適，紙張被吹散；>2.0 m/s時，風速偏大，不舒適，學習工作受影響，需改正風量及控制風的路徑。

3.2.2 教學建筑外遮陽現狀評價

根據遮陽相關評價標準，從以下幾個方面對教學建筑外遮陽實測數據進行評價。

1)遮陽與建筑朝向——大部分教室采用了合理的遮陽形式，但測試過程中仍有直射光進入室內，未能達到滿窗遮陽。原因可能是未根據太陽高度角確定遮陽板尺寸，如:西南向教室正確的采用了綜合式遮陽，但因其出挑尺寸不夠而未達到滿窗遮陽。

2)遮陽與隔熱——調研數據顯示，雖然有些遮陽形式達到了滿窗遮陽，但是在最熱時間段室內外溫差相差并不大。一是因為緊貼著墻面的實心遮陽板阻止了室外熱空氣上升而反射進入室內使溫度升高；二是室內通風不暢，熱空氣無法及時排走。

3)遮陽與通風——根據通風效果評價標準，舒適風速范圍為0.25～0.50 m/s，而調研數據顯示大部分時間室內風速處于0.25 m/s以下，因此，教室通風效果比較差，一是因為大部分教室內墻未設高窗，無法形成空氣對流；二是遮陽板缺乏對自然通風的引導設計。

4)遮陽與采光——調研數據顯示，室內外照度差值較大，說明遮陽起到了很好的遮擋太陽輻射的作用，并且大部分教室室內天然光照度能滿足規定的標準照度值(≥450 lx)，室內采光系數也滿足標準規定(≥3%)。雖然天然光是千變萬化的，不能用采光均勻度來評價，但在設計中應盡量采取措施提高室內深處的照度，以改善整個教室的采光質量。

5)遮陽與視野——測試的教室中遮陽形式較為簡單，對視野影響不大。

6)遮陽調節方式——遮陽均為固定式，應對氣候和季節變化不夠靈活。

綜上可知，目前，重慶地區的教學建筑遮陽在建筑朝向、隔熱、通風、采光及調節方式等方面存在諸多問題，應采取相應的措施對其進行優化及改善。

4 教學建筑遮陽改善措施

4.1 遮陽與建筑朝向

遮陽形式與窗口朝向和太陽高度角有關。一般情況下，南向窗口宜采用水平式遮陽，可有效遮擋高度角較大、從窗上方投射下來的陽光；東南向或西南向的房間宜采用綜合式遮陽，可有效遮擋高度角中等、從窗口前方斜射下來的陽光；東向或西向的房間宜采用擋板式遮陽，能夠遮擋高度角較小、正射窗口的陽光；東北、西北、北向宜采用垂直式遮陽，能有效遮擋高度角較小，從窗側面斜射過來的陽光。此外，也可根據環境情況有效組合幾種遮陽形式。

4.2 遮陽與隔熱

根據熱反射原理，為了防止室外的熱空氣因上升受阻而反射進入室內，宜采用空隙較多的遮陽板，產生的氣流有利于帶走室外熱量。因此，水平遮陽宜選用格柵或者鏤空的遮陽板。此外，遮陽設施的顏色和材質亦能影響遮陽設施對太陽輻射的吸收率。一般而言，外表面顏色較淺的遮陽設施可以降低對太陽輻射的吸收，隔熱能力較強。透射率和吸收率較低、反射率較高的材質亦能提高遮陽的隔熱能力。

4.3 遮陽與通風

調研中教學樓的遮陽板多與墻面緊緊相連，這會使風向直接被引導至室內的天花板而不流經人的活動區域。如果遮陽板與墻面隔開一段距離或者高于窗口，則可使風向被引導至室內下方人活動的范圍，從而改善室內的通風狀況。另外，也可通過在教室內墻適當高度設置高窗來加強空氣流通。

4.4 遮陽與采光

雖然遮陽措施可以遮擋直射光，降低室內靠窗處的照度，防止眩光，但是室內深處的照度也會受到影響，在陰雨天更為不利。這就需要遮陽板有一定的導光功能，如可以利用采光擱板作為遮陽板，使窗口附近的直射光經過一次或多次反射進入室內，從而使整個房間的照度和照度均勻度得到提高，也可以利用VALRA系統②來提高室內進深較大空間的照度。

4.5 遮陽調節方式

固定式遮陽成本低，但是不能根據季節、天氣或一天的日照變化進行調整以滿足室內環境(如采光與熱流控制等)的需求，缺少靈活性。可調節式遮陽可以根據季節、時間的變化以及天空的陰晴情況，任意調整遮陽板的角度或朝向。對于教學建筑而言，遮陽形式宜簡單，方便使用對象操作，否則一旦出現調節故障，反而起不到應有的節能效果。因此，教學建筑應采用百葉與其他遮陽形式進行配合控制，在遮陽的同時也可以豐富建筑立面造型。

5 小 結

筆者通過對重慶地區高校教學建筑遮陽的現狀調研和數據分析，總結了當前夏熱冬冷地區教學建筑遮陽存在的一系列問題，如遮陽形式設置不合理，遮陽與隔熱、通風、采光存在矛盾，遮陽均為固定式，調節不靈活等。然后相應提出了改善遮陽的建議，如根據建筑朝向合理確定遮陽形式，采用空隙較多的遮陽板帶走過多的室外熱量，合理設置遮陽板的位置以引導通風，利用采光擱板作遮陽板來提高室內照度均勻度等。下一步將對冬季的遮陽效果進一步調研，并對陰天室內照度的數據進行補充，以完善遮陽對采光的影響研究。

注釋:

①采光系數——室內照度與室外照度的比值。標準中規定的采光系數標準值和室內天然光照度標準值均為參考平面上的平均值。

②VALRA系統——英文全稱variable area light reflecting assembly，是一種高效的擋光板反射系統。它的擋光板是一層反射率很高的塑料反射薄膜，能最大量的反射直射陽光。薄膜由一個移動的滾軸控制，無論太陽高度角如何變化，都能將陽光反射至較深處的室內頂棚，從而能使從地板到窗頂距離的 4 倍的房間深處也可以保持足夠的照度。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50033—2013建筑采光設計標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2012

[2] 鄧盼盼.建筑遮陽節能計算及對自然通風影響的研究[D].重慶交通大學,2011

[3] 柳孝圖.建筑物理[M].北京:中國建筑工業出版社，2000

[4] 宋德萱.遮陽+自然通風—一種建筑環境控制的協作方法[M].北京:中國建筑工業出版，1993

[5] 李海英，白玉星等.生態建筑節能技術[M].北京:中國電力出版社,2007

[6] 崔澤鋒.建筑遮陽方式研究[D].哈爾濱工業大學,2008

Analysis and Improvement Measures of the Shading of Teaching Buildings in Chongqing Area

HUANG Haijinga,b, WANG Yajinga

(a.KeyLaboratoryofMountainTownConstructionandNewTechnology,MinistryofEducation,
SchoolofArchitecture,ChongqingUniversity,Chongqing40045;
b.CollegeofArchitectureandUrbanPlanning,ChongqingUniversity,Chongqing40045,P.R.China)

Building shading is a very important means of energy saving. For the teaching building, reasonable shading design can not only adjust the solar radiation, reduce the energy consumption of air conditioning, but also can avoid glare, improve indoor visual comfort; however, shading design improper may cause a certain impact on the indoor lighting, ventilation or vision etc.. Taking Chongqing as an example, through the investigation and analysis of the present situation of the teaching building of the sun, and summarized the existing problems, and puts forward the corresponding improvement measures, so as to provide a reference for the teaching of architectural shading design in this area.

teaching building; sun shading; current situation investigation; improvement measures

2016-04-25 作者簡介：黃海靜，女，重慶大學建筑城規學院副教授，博士，博導，主要從事綠色建筑設計及技術科學研究，(E-mail)cqhhj@126.com。