國內外建筑遮陽設計實踐與研究進展

林波榮，張沁宜/LIN Borong, ZHANG Qinyi

根據維基百科定義，遮陽指的是對陽光（特別是直射的陽光）進行遮擋的物體，建筑遮陽通常指屋檐、遮光簾、百葉、窗簾等建筑構件。遮陽系統作為一種活躍的立面元素，自出現之后便被建筑師靈活應用，既產生了豐富的動感形象，彰顯了建筑立面的時尚精神，也充分體現了現代技術解決人類對綠色、健康、節能和享受自然需求而創造產生的一種新的現代建筑形態。

采取遮陽措施的益處是顯而易見的：能阻擋直射陽光透過玻璃進入室內，防止陽光過分照射和加熱建筑圍護結構，為室內營造舒適的熱環境，降低空調能耗。同時還能防止直射陽光造成的強烈眩光，使室內照度分布比較均勻，有助于視覺的正常工作。對周圍環境來說，外遮陽也是避免光污染的有效措施。

近些年來，伴隨著綠色建筑和現代科技的快速發展，建筑遮陽的新形式不斷涌現。本文從新型建筑遮陽設計實踐、綠色建筑和建筑節能標準對建筑遮陽的新要求、遮陽性能實測與模擬分析，以及遮陽控制策略等角度，梳理總結了近5年國內外建筑遮陽的實踐和研究進展情況。

1 建筑遮陽的基本形式

從遮陽的方式和放置位置來看，遮陽主要分為以下幾個種類 ： 選擇性透光遮陽、內置式活動遮陽（包括內遮陽、嵌入式遮陽、雙層皮夾層遮陽等）、外遮陽和綠化遮陽等。不同的遮陽方式具有不同的遮陽特性，且適用于不同地區、不同朝向，各種遮陽方式的形式、特性描述表1所示。

表1 遮陽類型簡介

2 新型建筑遮陽設計實踐

近5年來，新型建筑遮陽層出不窮，它們的設計從改善建筑室外微環境、加強對太陽能的利用、優化調節性能和為優化室內光環境進行的遮陽形態優化等方面著手進行，對遮陽形式進行進一步的改進和創新。新型遮陽的設計形式與建筑地區、建筑功能相關。主要的改進基礎即為以上幾種遮陽的形式，在此基礎上進行的創造發展。新型建筑遮陽的設計和應用具體包括：

（1）光伏發電與建筑遮陽一體化。即結合光伏遮陽構件的組成，對建筑遮陽和光伏一體化設計的策略和應用進行探索和實踐。光伏發電與遮陽一體化常見的應用形式有百葉式光伏幕墻系統、雙通道光伏玻璃幕墻系統、采光屋頂太陽能遮陽系統和光伏遮陽陣列等[1]。廣州珠江城大廈項目在東西向遮陽百葉中結合應用多晶硅太陽能光伏發電板、頂部采用多晶硅太陽能光伏夾層-中空玻璃幕墻實現節能。珠江城大廈將光伏板與遮陽的窗檐相結合，擴建的美國德克薩斯州的金貝爾美術館則在其復雜的屋頂系統上運用了集成光伏板的鋁制百葉。

（2）太陽追蹤自動遮陽。即根據陽光照射情況自動對遮陽設備進行調節，實現遮陽效果。目前的應用案例有廣州的發展中心大廈等，國外也對相應的遮陽調控策略進行了研究。

（3）遮陽與再生水蒸發技術的結合。在日本東京的索尼大崎大廈中，其外遮陽百葉由陶土制成，在夏季通過自然蒸發作用，其百葉表面溫度比常用鋁質百葉平均低5～6oC，改善了建筑的室外微環境，同時降低了建筑的能耗。

（4）采光頂中空玻璃內置金屬板網遮陽。該項創新適用于大規模采光頂，其中金屬板網置于玻璃中空層內，具有可操作性、維護性佳的特性。北京大興國際機場采光頂采用這種遮陽方式，并通過參數化設計確定了最優的遮陽網形狀，保證更多光線進入，同時減少直射陽光進入。

（5）優化性能導向的固定遮陽板。深圳華僑城大廈建筑幕墻采用落地窗和固定遮陽板組成，通過遮陽板的變化，形成動態的立面效果。在方案設計過程中，通過定量分析遮陽板的遮陽性能，優化建筑的立面。

（6）垂直綠化遮陽。天友綠色設計中心建筑外立面的垂直綠化不僅可以實現遮陽效果，還在景觀上實現了優化。尼科西亞城市中心的標志性建筑“白墻”南立面約80%的面積覆蓋了垂直景觀，在夏季實現遮陽防護。越南的納曼百碧林度假酒店所有立面均采用了綠化遮陽的方式，強調與自然的親近。

（7）單元式雙層內呼吸幕墻自動遮陽系統。其中遮陽百葉的智能化控制根據建筑所在地理位置，立面朝向，太陽實時高度角和方位角并讀取陽光感測器所提供的數值，經過電腦軟件分析后，自動調節百葉的角度，特殊情況具備人為干預及定時功能，典型應用案例為位于北京奧林匹克公園的亞洲基礎設施投資銀行。

（8）CTS中控遮陽百葉窗。位于丹麥海澤胡瑟訥的DSV新總部在建筑立面玻璃窗外安置該設備，實現對外遮陽的自動調節控制。

（9）雙向軸電動百葉遮陽系統。該遮陽方式可以實現百葉水平和垂直兩個方向上的同時移動。位于德國埃森的蒂森克虜伯樓采用的這種新型遮陽方式，既可以防止建筑內部過熱，又可以讓室內視野不受影響。

（10）可調電動穿孔鋁板外遮陽。奧地利的基弗技術展廳對這項技術的運用兼具美觀性和功能性，其獨特的外形作為公司的形象展示，而其調節功能使其可以根據日照調整采光和視野。

（11）建筑空間轉向主動采光調節。伊朗的沙里夫哈住宅采用了旋轉體的形式進行建筑設計，通過房間朝向的旋轉，可以主動調節房間的采光情況。

（12）瓦幕墻系統的表皮運用。廣元千佛崖摩崖造像保護建筑實驗段工程具有特殊的建筑功能，其主要目的在于對石窟進行保護，采用瓦幕墻表皮確保了空間的通透性，且遮擋了西曬的直射陽光。

（13）遮陽與太陽能集熱器相結合。將集熱器集成在外遮陽設備上，不僅可以達到遮陽效果，還可以實現對太陽能的有效收集。羅松琴對夏熱冬冷地區的某醫院進行了遮陽設備集成太陽能集熱器的性能測試，結果表明，該新型遮陽設備可以實現夏季100%的醫院生活用水供給和過渡季31.7%、冬季10.8%的熱水需求[2]。周鼎金（CHOU Ding-Chin）對中國臺灣地區將水平百葉遮陽裝置與太陽能集熱器集成的裝置進行了研究，發現集熱器的各項效率指標均符合臺灣省政府的相關標準，但僅適用于南向的窗戶[3]。

1 嵌入式遮陽百葉

2 雙層皮幕墻夾層遮陽

3 豎向遮陽（上：垂直式，下：傾斜式）

4 不同類型擋板遮陽（上：固定擋板，下：推拉擋板）（1-4圖片來源：作者提供）

5 珠江城大廈，窗檐光伏一體化

6 金貝爾美術館擴建，屋頂光伏一體化

7 發展中心大廈，太陽追蹤自動遮陽

8 索尼大崎大廈，再生水蒸發技術（5,6,8圖片來源：廣州市設計院）

9 大興國際機場，內置金屬板網遮陽（攝影：王亦知）

10 華僑城大廈，優化性能導向遮陽板（圖片來源：KPF建筑事務所）

3 綠色建筑和建筑節能標準對于遮陽的新要求

由于建筑遮陽會影響太陽輻射得熱進而影響建筑的性能，同時也會對室內人員的視覺舒適度產生影響。出于節能和提升室內環境品質的考慮，綠色建筑相關標準對遮陽部分也分別提出了明確的要求。表 2 中對部分國際綠色建筑標準中涉及遮陽的條文進行了匯總?？梢钥吹剑谒猩婕肮猸h境舒適度的相關標準中，均涉及了天然光的眩光和相應的設備控制要求，說明在室內光環境營造的過程中，遮陽設備作為改善眩光的工具，是必不可少的組成部分。同時，部分標準中也對遮陽在能耗方面的影響做出了要求，要求遮陽的設置不應增加建筑的照明能耗。

此外，國內《綠色建筑評價標準》（2019）在2014年版本的基礎上針對遮陽也進行了一定的調整?！毒G色建筑評價標準》（GBT 50378-2014）共有兩個部分提及遮陽條文，分別設置于“室外環境”和“室內熱濕環境”部分，主要包括停車場所的遮陽措施要求和可調節遮陽措施要求。2019年新版本的標準中總共3條遮陽條文，分別設置于“安全耐久”和“健康舒適”部分，其中兩條是針對外遮陽安全要求的新增條文（控制項和評分項各1條）；還有一條位于“健康舒適”部分，在舊版的基礎上對可調節遮陽措施要求的條文進行了調整，增加了可調節遮陽措施的評分階梯。從國家標準中可以看出，遮陽作為一種減少太陽輻射得熱的手段，在評分中占有較大比例；而改進的標準進一步強調了對遮陽耐久性的要求和在舒適度方面的影響，對其調節功能有更高的標準限定。相關條文如表3所示。

11 天友綠色設計中心，PC與垂直綠化遮陽（圖片來源：天友建筑設計股份有限公司）

12“白墻”，垂直綠化遮陽（攝影：Yiorgis Yerolymbos）

13 納曼百碧林度假酒店，垂直綠化遮陽（攝影：Hiroyoki Oki）

14 亞洲基礎設施投資銀行，雙層內呼吸幕墻自動遮陽（圖片來源：清華大學建筑設計研究院有限公司）

15 DSV新總部，CTS中控遮陽百葉窗（攝影：Tomas Bertelsen）

16 蒂森克虜伯樓，雙向軸電動百葉遮陽（圖片來源：JSWD/Chaix&Model）

17 基弗技術展廳，可調電動穿孔鋁板外遮陽（攝影：Paul Ott）

18 沙里夫哈住宅，建筑空間轉向采光調節（攝影：Salar Morahari）

4 遮陽性能實測和模擬新進展

遮陽在建筑中的應用不僅起到遮擋太陽直射、防止眩光、提升室內人員視覺舒適度的效果，還會對建筑的室內溫度、照明能耗、空調系統能耗產生影響。一個合理的遮陽設計可以有效提升建筑的運行性能，帶來極大的節能空間。建筑模擬作為一個有效工具，常被用來進行遮陽性能的評估，常用的模擬軟件有光環境模擬軟件Ecotect、Radiance、Daysim和建筑能耗模擬軟件DOE、EnergyPlus、IES、e-QUEST等。

現有研究常借助模擬的手段，以評估新型遮陽方式的有效性。阿姆里塔·古什（Amrita Ghosh）利用建筑能耗模擬軟件EnergyPlus，針對印度加爾各答的熱濕氣候進行模擬，探究不同形式的遮陽對建筑總能耗產生的影響，并根據當地的全年太陽高度角特性提出了一種新型遮陽布置方法，如圖21所示，并有效降低了建筑的年運行能耗（圖22）[4]。李麗針對遮陽與太陽能集熱一體化的遮陽百葉性能進行了探究。以洛杉磯的一個中型辦公室為研究對象，研究其南向窗上的水平集成百葉與東西向窗上的垂直集成百葉進行分析，借助于Daysim和EnergyPlus進行建模，通過模擬發現，該集成百葉的配置可以有效提升單一房間的光照水平；但對建筑總能耗的節省并不明顯，3個立面的百葉布置帶來了5.3%的總能耗節??；此外，對于水平和垂直方向集成百葉的安裝，應盡量避免90%的板條角度，0o-60o之間的角度應作為首選[5]。金東蘇（KIM Dongsu）研究分析具有內外遮陽百葉的雙層皮幕墻對熱環境和采光的影響，通過Daysim對不同內外百葉模型進行模擬，生成百葉升降作息并導入EnergyPlus中，計算年熱負荷和照明負荷。結果表明，在使用了雙層皮幕墻內置百葉和內外遮陽百葉模型具有降低建筑空調、照明能耗27～52%的潛力[6]。葉云陽的研究針對內遮陽的性能提升。相比于外遮陽設備，內遮陽的控制更加靈活、便宜且易于維修，在實際中的應用性更強。因此，通過EnergyPlus模擬并與實驗相結合的方式，探究使用高反射系數材料的內遮陽替換外遮陽的可能性。結果表明，在使用合適材料的前提下，內遮陽系統可以達到外遮陽系統實現的效果，此外還通過灰度關聯分析進一步明確了影響內遮陽性能的關鍵因素，其中，材料厚度、紅外透過率、可見光反射率是決定內遮陽性能的最關鍵因素[7]。

此外，由于不同地區的光照和氣候會使得遮陽性能具有巨大的差異性，因此，模擬成為輔助選定該地區最優遮陽方式的重要工具。劉克欽（LAU Allen Khin Kiet）針對馬來西亞吉隆坡的一座高層辦公樓進行研究，借助于IES（VE）建筑模擬軟件，對于不同立面、不同透明圍護結構和不同遮陽方式進行模擬，仿真結果表明，在馬來西亞炎熱潮濕的氣候環境下，使用遮陽設備比使用高性能玻璃具有更好的節能效果，且應當在東西立面上優先考慮遮陽設備的安裝，板條狀的遮陽設施具有比垂直與水平遮陽更優的效果。國內的相關研究集中于不同氣候區、特定建筑提出遮陽優化手段[8]。張曉彤選取某國際客運站為研究對象，通過Ecotect進行建模分析，計算主要功能房間遮陽構建對減少太陽輻射得熱的貢獻率，對建筑的遮陽構件設計進行優化[9]。楚洪亮對上海地區某居住建筑進行模擬，對多種不同參數的遮陽形式進行探究，結果表明，選用透射比為0的可升降活動具有最優的綜合節能效果，降低建筑全年總能耗的4.78%[10]。郭而郛利用e-QUEST對寒冷地區遮陽系統進行探究，結果表明，改善遮陽系數并不能有效改善居住建筑能耗，需要借助外遮陽構件以實現較優的節能效果[11]。朱繼宏則針對不同氣候區，借助e-QUEST分別分析不同窗墻比、窗戶類型和不同遮陽板長度對建筑空調采暖能耗的影響，并尋找5個氣候區中建筑南向窗墻比、窗戶類型和水平遮陽板長度之間的合理匹配關系[12]。

模擬作為遮陽性能研究中的重要工具，同樣不可忽視的是模擬的準確性。面對日益復雜的遮陽系統，溫特·弗雷德里克（Winther Frederik）提出了幾種模擬遮陽設備的方式，并驗證了模擬的準確性，解決了模擬軟件中對復雜遮陽構件的模擬問題[13]。

19 千佛崖摩崖造像保護建筑試驗段工程，瓦幕墻表皮（攝影：五季）

20 弧形遮陽集熱設施（圖片來源：參考文獻[2]）

表2 部分國際綠色建筑節能標準遮陽有關條文標準限定條文

表3 《綠色建筑評價標準》遮陽相關條文及改進相關條文

5 遮陽控制策略研究進展

現有的遮陽手段中，內遮陽、雙層皮幕墻中的遮陽百葉和部分外遮陽都具有一定的調節能力，而現有研究已通過模擬說明了對遮陽進行調節在節能上產生的重要影響。李翠以上海14幢辦公建筑的944個遮陽調節應用數據為基礎，分析辦公建筑的遮陽調節行為模型，結果顯示，遮陽調節行為具有明顯的季節特性[14]。沈長亮針對重慶地區某建筑選取9種不同遮陽調控策略進行分析，通過實驗與DesignBuilder模擬計算，發現布藝簾全閉和卷簾全閉是最優的控制策略，具有最高的節能率[15]。趙秀智（CHO Su-Ji）提出了一種可根據使用者控制意圖進行控制的外遮陽調節算法，以能耗節省、照明滿意率和眩光保護作為三種控制模式的控制目標，仿真實驗測試表明，該算法可以實現遮陽調節在節能和視覺舒適度保持之間的折衷[16]。但是瑪麗亞·康斯坦托格魯（Maria Konstantoglou）的研究同樣也指出，使用電動百葉的能耗節省取決于控制策略的種類和與可調照明系統的聯系，而非一個孤立的調節系統；即便控制策略提升了建筑的性能和人員的舒適度，它們的復雜程度也極大影響了它們的效率，進而影響性能[17]。

21 適用于加爾各答地區的新型遮陽裝置

22 不同形式遮陽對建筑全年能耗的影響（21,22圖片來源：參考文獻[4]）

6 總結

近些年來，伴隨著綠色建筑和現代科技的快速發展，建筑遮陽新型形式不斷涌現。本文從新型建筑遮陽設計實踐、綠色建筑和建筑節能標準對建筑遮陽的新要求、遮陽性能實測與模擬分析，以及遮陽控制策略等角度，梳理了近5年國內外建筑遮陽的實踐和研究進展情況，主要結論如下：

（1）新型建筑遮陽設計多從改善建筑室外微環境、太陽能利用、更優的調節性能和以優化室內光環境為導向進行的遮陽形態優化方面進行。新型遮陽的設計形式與建筑地區、建筑功能相關。

（2）綠色建筑相關的國際標準出于視覺舒適度和節能的考慮，對遮陽設備均存在要求。國內相關標準也對遮陽設備進行了規定，相比于2014年《綠色建筑評價標準》條文，2019年的新標準進一步強調了遮陽設備的耐久性和可調節性。

（3）模擬是對遮陽性能進行驗證的有效方法。國內外大量研究借助光環境模擬和建筑能耗模擬，探究新型遮陽設備的性能，以及針對特定氣候區進行建筑遮陽的優化設計。此外，還有相關研究針對模擬方法進行了優化探索，確保模擬方法的準確性。

（4）遮陽控制策略可以有效實現建筑性能和人員舒適度的提升，部分學者基于這一情況提出了遮陽調節的控制算法。但同樣有學者認為，過于復雜的控制策略會使得控制效率降低，從而影響建筑性能。