重慶地區建筑外遮陽性能優化實驗研究

黃海靜，王雅靜，陳綱

(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)

重慶地區建筑外遮陽性能優化實驗研究

黃海靜a, b，王雅靜a，陳綱a, b

(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)

建筑外遮陽是建筑節能的重要措施，但單一、不當的遮陽形式卻可能阻礙房間的隔熱、采光、通風和視野等，從而降低室內環境舒適性。以綜合節能為目標，提出建筑外遮陽優化設計思路及方法，以重慶地區為例，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。結果表明，優化后的外遮陽裝置不僅遮陽和降溫效果明顯，而且，室內采光、通風及視野效果良好，具有綜合節能的作用。

外遮陽；環境舒適性；綜合性能；建筑節能

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

遮陽設施和技術在澳洲、歐洲、北美等國家應用較多。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、機電系統控制、節能效率等復雜要求，通過性能模擬分析、系統自動控制等手段來解決遮陽綜合問題[4-5]。遮陽設計日趨系統化、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]研發的“夏氏遮陽”為代表，之后各高校對地域性遮陽的形式、構件尺寸等開展實踐研究[9-11]，對新型建筑遮陽方式、設計手法、材料工藝等進行系統總結[12-14]。關于建筑遮陽的研究主要包含5個方向：1)遮陽與節能，主要研究遮陽與建筑隔熱、照明及空調能耗的關系；2)遮陽與采光，研究兼顧室內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自然通風的影響；4)遮陽與采光、通風，根據遮陽設計對采光、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，側重遮陽與建筑立面相結合的研究。綜上所述，已有研究多為遮陽與節能、通風、采光、建筑立面的專項分析，缺乏統籌考慮遮陽對采光、通風、視線、造型的綜合性影響。

對重慶地區辦公建筑、住宅建筑及教學建筑等的遮陽狀況的調研發現，部分建筑采用窗簾、手動卷簾等內遮陽設施，起到遮擋太陽直射光的作用，但卻對室內采光、通風和視野阻礙較大。部分建筑采取外遮陽設施，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太陽入射角及朝向特征設置適宜遮陽形式，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)室內通風、采光較差，一是遮陽板未考慮當地夏季主導風向而阻擋通風，不當的遮陽形式會使室內風速減弱22%～47%[15]；二是遮陽板(尤其是角度不當的擋板式遮陽)遮擋太陽熱輻射的同時也阻擋了光的入射，影響了室內采光及采光均勻度。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化的建筑外遮陽形式。

1 測試對象及性能評價方法

1.1 測試對象

以重慶地區為例(其南向和西向為主要防曬朝向)，以室內環境舒適性整體最優為目標，統籌分析遮陽、采光、通風、視野等各影響因素要求，進行外遮陽綜合效能優化設計，得到兩個朝向的外遮陽優化方案。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；相鄰墻面上設一門洞，尺寸為900 mm(寬)×2 000 mm(高)。實驗模型采用100 mm厚的彩鋼夾芯板搭建而成，結構特性、保溫隔熱效果良好。實驗場地位于重慶大學建筑館屋頂，空間開闊，便于開展相關實驗測試。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。

遮陽裝置的設計參數為：南向采用綜合式遮陽，室內水平遮陽板出挑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(調節角度為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)。

圖1 南向和西向外遮陽裝置Fig. 1 Exterior shading device for south and west directio

1.2 遮陽性能評價方法

根據《建筑用標準氣象數據手冊》中重慶標準年氣象數據(1995—2005年)統計得出，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施對室內光、熱及風環境的綜合影響，利用相關物理指標進行綜合評價。

1)遮陽效果。遮陽設施的主要作用是遮擋進入室內的直射光。一般以其能否在各個朝向過熱的時間段里(室內氣溫在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。遮陽對室內采光效果的影響主要以室內平均照度值來衡量，根據《建筑采光設計標準》[18]的規定，針對一般辦公空間以450 lx作為室內照度標準值，并以有遮陽和無遮陽時室內采光均勻度變化值作為評價依據。測試時，在室內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，每次連續讀數3次取平均值(離地面0.75 m高度處，室內外同時操作)。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通風效率(出風口風速/進風口風速)對比作為評價依據。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，每次連續讀數3次取平均值(風速儀的風速感應器對著來風方向測試，室內外同時操作)。風速測點布置見圖2(c)。

圖2 溫度、照度和風速的測點布置Fig. 2 Measuring point of temperature,illumination

2 外遮陽性能測試分析

實驗根據正常工作學習時間從8:00至18:00連續測試，對有遮陽和無遮陽2種情況下的測試數據作對比分析。考慮重慶天氣原因(照度除了測試晴天數據之外，也測試全陰天或多云天的照度)，測試從2016年(夏季)7月一直持續到(秋季)10月上旬，選擇天氣情況較為相近的兩次數據進行對比。

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，測試時段內沒有直射光進入室內，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)室內溫度比室外溫度低了3～5 ℃。為使測試結果更加可信，秋季10月5日、6日又分別對無遮陽和有遮陽時室內外溫度進行對比測試(圖3(b)、(c))，結果表明，在最熱時段(12:00—14:00)，10月6日有遮陽時室內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。

圖3 南向房間采取遮陽前后室內外溫度對比Fig. 3 Contrast of indoor and outdoor temperature of the southward room before and after shadin

2.1.2 西向房間溫度測試分析 采取遮陽后，測試時段內沒有直射光進入室內，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外溫度進行對比測試(圖4(b)、(c))，結果表明，最熱時段(12:00—17:00)有遮陽時室內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。

圖4 西向房間采取遮陽前后室內外溫度對比Fig. 4 Contrast of indoor and outdoor temperature of the westward room before and after shadin

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照度均小于室外照度，減少了近窗處眩光影響；南向室內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以后都能滿足室內空間采光需求。

圖5 晴天兩個朝向房間采取遮陽后室內外照度Fig. 5 Indoor and outdoor illuminance of two facing rooms on sunny day

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定。為比較遮陽前后室內照度變化情況，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，相應的室內照度平均值分別為1 159 lx和466 lx。經計算，無遮陽和有遮陽時室內采光均勻度分別為0.28和0.34。說明遮陽裝置可有效改善室內采光均勻度。另外，根據實測數據統計，無遮陽時室內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定(≥450 lx)。

圖6 多云天南向房間采取遮陽前后室內外照度對比Fig. 6 Contrast of indoor and outdoor illuminance of the southward room before and after shading on cloudy day

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，室內外照度波動較大。為便于比較遮陽前后室內照度變化情況，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的采光均勻度，但全陰天時遮陽對室內采光有一定影響，需補充適當的人工照明。

圖7 多云天西向房間采取遮陽前后室內外照度對比Fig. 7 Contrast of indoor and outdoor illuminance of the westward room before and after shading on cloudy day

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等時段室內外風速差異明顯；有遮陽時，室內風速大部分時間與室外相當，甚至大于室外風速。經計算，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，室內整體風速有所提升。

圖8 南向房間采取遮陽前后室內外風速對比Fig. 8 Contrast of indoor and outdoor wind speed of the southward room before and after shadin

2.3.2 西向房間風速測試分析 如圖9所示，無遮陽時，室內風速大部分時間都低于室外風速；有遮陽時，室內風速在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，對室內通風無阻擋且有一定改善。

圖9 西向房間采取遮陽前后室內外風速對比Fig. 9 Contrast of indoor and outdoor wind speed of the westward room before and after shadin

2.4 視野效果分析

復合化遮陽裝置在設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置擋板遮陽，遮陽裝置采用百葉替代傳統實心板，且百葉可根據需要調節角度(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。

圖10 房間外遮陽裝置視野效果Fig. 10 View effect of the external shading devices

3 實測結果討論

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均能滿足滿窗遮陽，避免了直射光進入室內引起升溫；二是優化后的遮陽裝置本身通風效果良好，從而減少室內熱空氣聚集，起到降溫節能的作用；三是遮陽設施外表面顏色較淺，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過一次或多次反射進入室內，從而使整個房間的照度和采光均勻度得到提高。但在實測中也發現，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，利于引導風向至室內下方人活動區域，改善室內通風狀況。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，提高實驗結果可靠性。

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

4 結論

1)遮陽方面。兩個朝向的遮陽裝置均能在規定時間段里滿足滿窗遮陽；采取遮陽設施后，夏季最熱時間段，南向室內溫度比室外降低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照度有影響，需進一步優化。

3)通風方面。遮陽裝置對室內通風阻礙很小，甚至起到一定導風作用；采取遮陽設施后，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。遮陽裝置的側面垂直擋板對兩側視野稍有影響，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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2017-06-27

Fundamental Research Funds for the Central Universities (No. 106112014CDJZR190006)

AuthorbriefHuang Haijing (1974- ), associate professor, PhD, main research interests: architectural technology and science，E-mail:cqhhj@126.com.

ExperimentalanalysisonperformanceoptimizationofarchitecturalexternalshadinginChongqing

HuangHaijinga, b,WangYajinga,ChenGanga, 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)

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.

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

10.11835/j.issn.1674-4764.2018.01.015

TU226

A

1674-4764(2018)01-0105-08

2017-06-27

中央高校基本科研業務費(106112014CDJZR190006)

黃海靜(1974-)，女，副教授，博士，主要從事建筑技術科學研究，E-mail:cqhhj@126.com。

(編輯 胡英奎)