夏熱冬冷地區智能化建筑外遮陽技術探究
——以南京市為例

楊吳寒，葛 運，劉楚婕，張啟菊

(金陵科技學院，江蘇 南京 211100)

1 南京地區遮陽現狀

本次對南京地區遮陽技術的研究，主要選取南京的居住建筑作為研究對象。通過對南京部分居民小區和老街道的走訪調查以及查閱資料，對南京地區建筑外遮陽現狀有了一定的了解，也發現了存在的一些問題。

如圖1所示，目前建筑外遮陽在南京地區的普及率依然不高，采用外遮陽的建筑較少，大部分建筑無外遮陽措施。另外，在采取了遮陽措施的建筑中仍然存在一些問題。由于缺少相關部門以及房地產開發商的統一規劃，很多居住建筑的外遮陽是居民自發安裝的簡易遮陽棚(圖2),這類遮陽棚一般出現在一些老舊的小區或未經改造的老居民區，此類遮陽棚不僅遮陽效果差，影響美觀，而且耐久性不好，容易老化損壞。

圖1 調研的小區遮陽現狀

此外，在采取了遮陽措施的建筑中，以陽臺等固定式遮陽措施最為常見，此類遮陽技術有一定的遮陽效果，但由于構件固定，不能隨天氣的變化而變化，遮陽效率不高。而對于外窗的推拉百葉遮陽等一些較為靈活的遮陽方式在南京的普及率不高，多見于一些高檔小區(圖3)。

圖2 居民自發安裝的簡易遮陽棚

由于近年來國家與南京市發布的各項建筑節能規范，房地產開發商也不得不對建筑節能重視起來，南京的部分新建小區在建筑外立面上設置了相應的遮陽構件。從表1不難看出，這些新建小區采取的遮陽技術雖然對于遮陽棚和遮陽板，遮陽效果有一定提升，但遮陽裝置依然缺乏靈活性，對不同天氣的適應能力較弱。

目前南京地區的遮陽技術普遍較為傳統，以固定或手調式遮陽為主，智能化遮陽技術很少被采用，所以對于南京地區的智能化活動遮陽系統的推廣仍需不斷的努力。

表1南京部分采取了遮陽措施的新建住宅小區

2 智能化建筑遮陽的意義

2.1 智能化建筑遮陽系統的經濟和社會效益

我國正處于經濟技術快速發展的重要階段，能源消耗巨大，能源緊缺日益嚴重。為了建設生態文明，實現社會的可持續發展，推進建筑行業的綠色化是目前重要的發展目標。

2.3 響應國家建筑現代化的號召以及推動綠色建筑的發展

近年來，國家呼吁推動建筑產業現代化，推廣智能和裝配式建筑，推進BIM技術；推進建筑節能與綠色建筑發展，提出到2020年，城鎮綠色建筑占新建建筑比重達到50%的目標[1]，智能化遮陽效率高，節省人力，節約資源，其發展不僅響應了國家的發展目標，也是對綠色建筑發展的極大推進。

3 南京地區氣候及日照特征及遮陽技術分析

3.1 南京地區氣候及日照特征分析

南京屬于亞熱帶季風氣候，降雨充沛，四季分明。夏季炎熱，濕度高，相當悶熱，熱舒適度非常差；冬季嚴寒干燥；春秋短、冬夏長，冬季和夏季溫差極大。南京市的日照時數為1766～2200 h，且夏季最多，冬季最少，日照時數較大，太陽輻射強。這樣極端差異的氣候條件，為南京的智能化遮陽帶來了很大的挑戰，同時也體現了智能化遮陽系統對于南京地區的必要性。

3.2 針對南京地區的智能化遮陽技術的探究

3.2.1 南京地區遮陽的重點

我國《民用建筑熱工設計規范》GB 50176-93將全國劃分為5個區，南京市屬于夏熱冬冷地區，而這一地區的建筑必須要滿足夏季的防熱要求，對于冬季保溫也要適當兼顧[2]。

3.2.2 一種適用于南京的智能化遮陽方案

建筑的節能主要有兩種途徑，一是提升圍護結構保溫以及隔熱的能力，二是提升建筑設備的系統運行效率[3]。《公共建筑節能設計標準》中規定，在總節能50%的目標當中，建筑圍護結構分擔的節能率應該約為 13% ～25%[4]。《民用建筑節能設計標準》中提出， 為了達到總節能50%的目標，圍護結構的節能率應達到35%的要求[5]。可見，對于圍護結構的節能效率的要求很高。而圍護結構中，窗玻璃的隔熱性能很弱，通過窗的太陽輻射是導致夏季室內溫度升高的主要原因之一，且外窗的節能率可達10%～24%，但遮陽構件的造價僅占建筑總造價的2%～5%[6]，所以在南京的建筑外遮陽設計中應重點關注窗的遮陽。

通過實驗等手段測算不同傾斜角度(遮陽板和重力的方向之間的夾角) 外遮陽板的建筑的耗能，發現對于南京地區的建筑，南立面和東西立面使用水平遮陽板可取得最好的遮陽效果(圖4)，并且水平遮陽板應當向下方傾斜。對于冬夏溫差極大的南京地區，應盡量使用活動式遮陽，使遮陽設施在冬季不發揮遮陽的功效，而在夏季又充分遮蔽陽光的照射。

圖4 水平遮陽板傾斜角度計算模型

通過對南京地區各種因素以及遮陽技術的綜合分析，我們最終確定了一個適用于南京地區的智能化遮陽系統。

如圖5所示，該智能化遮陽系統采用了氣候電機控制系統，安裝時需先在系統中輸入南京地區的氣候條件、光照強弱等信息，工作時通過安裝于建筑內外的太陽、照度、溫度等傳感器對環境戶外信息和環境室內信息的進行實時感知，并將結果傳送到智能節點控制軟件，節點控制軟件將來自不同傳感器的信息進行整合發送給控制系統軟件，控制系統軟件通過信息向相應的節點下達命令，智能節點控制軟件控制遮陽構件進行閉合、旋轉等操作，完成對太陽輻射的遮蔽或引入，完全不需要人工的干涉。并且當某個遮陽構件出現問題時，可及時向控制系統軟件反饋狀態信息，以告知檢修人員進行檢修等，避免了人工的勘察，節約人力。

遮陽構件主要為一種智能弧形百葉(截面如圖6)，百葉接受智能節點控制軟件的指令，通過電機控制旋轉角度，在光照傳感器的配合下可以對光線進行自動跟蹤。當建筑立面的一部分被其他建筑或植物等遮擋而形成陰影區域時，傳感器可以對陰影進行感知，繼而將信息反饋給控制系統軟件，控制系統軟件將指令傳達給節點，節點控制百葉進行開啟，引入光線，增加室內照度。

當在一些特殊情況下，室內需要較低的照度時，可以通過控制系統軟件對遮陽構件進行人工干預，調節百葉閉合，降低室內照度。對于大型商業化公共建筑，控制系統軟件依附于計算機平臺，便于系統的統一監測和管理。而對于住宅建筑中的個人用戶，控制系統軟件還可以依附于手機平臺，以手機APP的形式便于用戶的操縱和使用。

圖5 智能化遮陽系統工作流程

圖6 智能弧形百葉

3.2.3 本智能化遮陽系統的優勢

(1)相較于傳統固定遮陽或活動遮陽，本智能化遮陽方案解放人力，通過傳感器控制遮陽百葉的旋轉，同時讓遮陽更高效。

(2)本遮陽系統配置的百葉可實現180°旋轉，并可以進行光線跟蹤和陰影感知，做到對每個方向的實時遮蔽，而傳統百葉旋轉角度一般在90°左右，遮陽角度具有一定的局限性。

(3)氣候電機控制系統可根據不同的天氣以及氣候條件，對不同地區做出不同調整，因地制宜。

(4)智能控制系統依附于計算機或手機，可視化操作更加人性化。

4 結語

目前建筑智能化遮陽的發展還有很大的進步空間，仍有一些問題等待著我們去解決。