蘇州地區(qū)公共建筑常見(jiàn)外遮陽(yáng)形式應(yīng)用效果研究

朱小波（啟迪設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 蘇州 215021）

人們對(duì)建筑舒適性要求的提高以及綠色建筑的發(fā)展，推動(dòng)了各種建筑節(jié)能技術(shù)的快速發(fā)展。與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的墻體和屋頂相比較，外窗又屬于薄壁輕質(zhì)型構(gòu)件，因此也成了建筑能耗損失較嚴(yán)重的部位，尤其是夏季通過(guò)窗戶玻璃的太陽(yáng)輻射傳熱，對(duì)于室內(nèi)環(huán)境的舒適性有著很大的影響，同時(shí)也增加了空調(diào)的能耗[1]。不同地區(qū)由于氣候條件的差異，對(duì)于外窗的要求也不同，如夏熱冬冷地區(qū)對(duì)于外窗的夏季隔熱以及通風(fēng)能力的要求嚴(yán)格，熱環(huán)境條件比較惡劣，東、西、南 3 個(gè)方向的墻面在夏季直接受到大量的太陽(yáng)輻射，通過(guò)無(wú)遮陽(yáng)窗進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射能占到空調(diào)能耗的23%～40%[2]。基于公共建筑耗能大的特點(diǎn)，本文以江蘇省蘇州地區(qū)一公共建筑為例，對(duì)其外窗外遮陽(yáng)形式的應(yīng)用效果進(jìn)行探討研究。

1 外遮陽(yáng)概述

1.1 遮陽(yáng)類型

建筑遮陽(yáng)系統(tǒng)所涵蓋的類別比較廣泛，包括諸如建筑朝向、植被、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)等，凡是能減少太陽(yáng)直接輻射熱進(jìn)入室內(nèi)的均可作為遮陽(yáng)的因素[3]。建筑外遮陽(yáng)指設(shè)于室外的陽(yáng)光遮擋物，這也是目前被廣泛采用的遮陽(yáng)方式。外遮陽(yáng)在形式上又分為水平式、垂直式、擋板式和綜合式幾種類型[4]，如圖 1 所示。

圖1 外遮陽(yáng)的 4 種類型

1.2 不同類型遮陽(yáng)方式適用范圍

根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)的熱工設(shè)計(jì)特性，目前常見(jiàn)的外窗遮陽(yáng)形式及適用場(chǎng)合[5]主要如下。

（1）水平遮陽(yáng)：遮擋太陽(yáng)高度角大且從窗口上方投射下來(lái)的太陽(yáng)光，適用于接近南向的窗戶。

（2）垂直遮陽(yáng)：遮擋太陽(yáng)高度角大且從窗側(cè)斜射過(guò)來(lái)的太陽(yáng)光，適用于接近東北、北和西北向的窗戶。

（3）擋板式遮陽(yáng)：遮擋太陽(yáng)高度角中等且從窗前斜射過(guò)來(lái)的太陽(yáng)光，適用于東南向的窗戶。

（4）綜合式遮陽(yáng)：遮擋高度角較小且正射窗口的太陽(yáng)光，主要適用于東西向附近的窗口。

2 案例研究

2.1 案例選擇

選擇蘇州地區(qū)一棟辦公樓為研究對(duì)象，并對(duì)建筑能耗損失嚴(yán)重的部位（窗戶）變換其遮陽(yáng)方式進(jìn)行模擬，考慮其冬夏兩季的建筑能耗，分析得出不同方向適用的遮陽(yáng)方式。由于該地區(qū)夏天太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，為了有效地降低空調(diào)能耗，對(duì)于建筑外遮陽(yáng)的選取顯得尤為重要。基于案例所處地區(qū)氣候特點(diǎn)，即夏季需要空調(diào)、冬季需要采暖，因此活動(dòng)外遮陽(yáng)會(huì)獲得比固定外遮陽(yáng)更好的效果。

2.2 案例模擬

基于不同類型遮陽(yáng)方式的適用范圍，模擬分為以下幾種情境。

（1）南向外窗。由于地理位置、建筑朝向的影響以及人們對(duì)建筑外觀的追求，南向的窗戶面積所占的比例在不斷增加，因此該方向的窗戶節(jié)能問(wèn)題必須引起密切關(guān)注，并同時(shí)考慮冬季保溫和夏季隔熱問(wèn)題。

水平百葉遮陽(yáng)：通過(guò)變換水平百葉的角度，得出最佳遮陽(yáng)效果的百葉角。

模擬結(jié)果分析：冬季一天不同時(shí)間段外窗透過(guò)的太陽(yáng)輻射量如圖 2 所示，冬季不同角透過(guò)外窗的總太陽(yáng)能輻射量如圖 3 所示，夏季一天不同時(shí)間段外窗透過(guò)的太陽(yáng)輻射量如圖 4 所示，夏季不同角透過(guò)外窗的總太陽(yáng)能輻射量如圖 5 所示。由圖 2～圖 5 可以看出，透過(guò)外窗的太陽(yáng)輻射量都在 13:00 左右達(dá)到最低值，且遮陽(yáng)百葉旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，透過(guò)外窗的太陽(yáng)輻射量均低于水平遮陽(yáng)；在 12:00 和14:00 左右不同角度的遮陽(yáng)均達(dá)到最大值，且在百葉向上旋轉(zhuǎn) 60° 時(shí)，透過(guò)外窗的太陽(yáng)輻射量最大。因此，在冬季，百葉遮陽(yáng)向上旋轉(zhuǎn) 60° 較為合適。在夏季，分別設(shè)置百葉水平，向下旋轉(zhuǎn) 30° 及向下旋轉(zhuǎn) 60°，從模擬數(shù)據(jù)上來(lái)看，百葉的存在使得透過(guò)窗戶進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射量幾乎為零。由此可知，遮陽(yáng)百葉保持水平或向下旋轉(zhuǎn)任何角度，都可以保證室內(nèi)接收不到太陽(yáng)輻射。

圖2 冬季一天不同時(shí)間段外窗透過(guò)的太陽(yáng)輻射量

圖3 冬季不同角度透過(guò)外窗的總太陽(yáng)能輻射量

圖4 夏季一天不同時(shí)間段外窗透過(guò)的太陽(yáng)輻射量

圖5 夏季遮陽(yáng)不同角度透過(guò)外窗的總太陽(yáng)能輻射量

（2）西向和北向外窗。考慮到夏季太陽(yáng)的位置，中午 12:00 后，太陽(yáng)逐漸向西，建筑的西向受到太陽(yáng)輻射；15:00 以后北向外窗會(huì)受到太陽(yáng)直射輻射，因此在西側(cè)和北側(cè)設(shè)置垂直固定百葉遮陽(yáng)，通過(guò)變換百葉的角度，分析得出最佳的遮陽(yáng)效果角。

模擬結(jié)果分析：西向外窗冬季不同時(shí)間段透過(guò)外窗的太陽(yáng)輻射量如圖 6 所示。由圖 6 可以看出，西向從 13:00 開(kāi)始接收太陽(yáng)輻射，在該方向接收太陽(yáng)輻射的整個(gè)時(shí)間段，當(dāng)垂直的百葉向南旋轉(zhuǎn) 60° 時(shí)，可以在各時(shí)間段內(nèi)獲得更多太陽(yáng)輻射，其次是向南旋轉(zhuǎn) 30° 時(shí)接收到的太陽(yáng)能，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于向北旋轉(zhuǎn)百葉時(shí)獲得的太陽(yáng)輻射能，如圖 7 所示。因此，在冬季可以將西向的窗戶外遮陽(yáng)角度固定在向南旋轉(zhuǎn) 60° 左右，這樣可以有效地降低冬季的采暖能耗。

圖6 西向冬季一天不同時(shí)間段外窗透過(guò)的太陽(yáng)輻射量

圖7 西向冬季不同角度透過(guò)外窗的總太陽(yáng)能輻射量

西向夏季一天不同時(shí)間段外窗透過(guò)的太陽(yáng)輻射量如圖 8所示，西向夏季不同角透過(guò)外窗的總太陽(yáng)能輻射量如圖 9 所示。從單日的模擬結(jié)果可以看出，無(wú)論垂直遮陽(yáng)百葉旋轉(zhuǎn)任何角度，其變化趨勢(shì)都呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，基本在 14:00 達(dá)到最大值，之后逐漸降低，直至該方向不再接收到太陽(yáng)輻射。比較模擬設(shè)置的 4 種旋轉(zhuǎn)角度，向南旋轉(zhuǎn)30° 時(shí)，透過(guò)外窗的太陽(yáng)輻射最多；15:00 之前，向北旋轉(zhuǎn)30° 時(shí)，透過(guò)外窗的太陽(yáng)輻射最少；15:00 之后，向南旋轉(zhuǎn)60°，透過(guò)外窗地太陽(yáng)輻射最少。基于夏季制冷的需求，該方向的外窗垂直遮陽(yáng)百葉在 15:00 之前，應(yīng)該保持向北旋轉(zhuǎn)30°左右；15:00 以后，應(yīng)該向南旋轉(zhuǎn) 60°，這樣可以使得夏季的制冷需求減少，從而降低建筑能耗。

圖8 西向夏季一天不同時(shí)間段外窗透過(guò)的太陽(yáng)輻射量

圖9 西向夏季不同角透過(guò)外窗的總太陽(yáng)能輻射量

北向夏季一天不同時(shí)間段外窗透過(guò)的太陽(yáng)輻射量如圖10 所示，北向夏季不同角透過(guò)外窗的總太陽(yáng)能輻射量如圖11 所示。模擬結(jié)果顯示，北向外窗的垂直遮陽(yáng)百葉，在向東旋轉(zhuǎn) 30° 時(shí)，進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射最少，且向東旋轉(zhuǎn) 60°進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射能遠(yuǎn)大于向東旋轉(zhuǎn) 30° 和與窗戶處于垂直時(shí)的太陽(yáng)輻射能。向東旋轉(zhuǎn) 30° 和垂直位置獲得的太陽(yáng)輻射能相差不多。因此，在夏季時(shí)，保持北向外窗的垂直遮陽(yáng)百葉處于垂直位置和向東旋轉(zhuǎn) 30° 時(shí)，可以有效降低夏季的制冷能耗，從而降低建筑能耗。在冬季，北向外窗不會(huì)接收到太陽(yáng)直射輻射，因此外窗百葉的角不會(huì)對(duì)進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射造成任何影響,不對(duì)其作要求。由分析結(jié)果可以得出，北向外窗可以保持垂直遮陽(yáng)百葉處于垂直位置和向東旋轉(zhuǎn)30°范圍內(nèi)，必要時(shí)可以做成可拆卸外遮陽(yáng)，在冬季不需要遮陽(yáng)，這樣可以使外遮陽(yáng)起到更好的效果。

圖10 北向夏季一天不同時(shí)間段外窗透過(guò)的太陽(yáng)輻射

圖11 北向夏季不同遮陽(yáng)角度透過(guò)外窗的總太陽(yáng)能輻射量

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）基于前人研究及本文驗(yàn)證，在該地區(qū)，活動(dòng)外遮陽(yáng)可以獲得比固定外遮陽(yáng)更好的效果。

（2）對(duì)于不同朝向的外窗，應(yīng)選擇最有效的遮陽(yáng)方式來(lái)降低采暖空調(diào)能耗。① 對(duì)于南向外窗，宜設(shè)置水平活動(dòng)遮陽(yáng)百葉。冬季，百葉遮陽(yáng)向上旋轉(zhuǎn) 60° 左右可以使其接收到的太陽(yáng)輻射能最多；在夏季，保持遮陽(yáng)百葉水平或者向下旋轉(zhuǎn)任意角度，可以有效降低建筑能耗。② 對(duì)于西向外窗，宜設(shè)置垂直活動(dòng)遮陽(yáng)百葉。在冬季可以將西向的窗戶外遮陽(yáng)百葉向南旋轉(zhuǎn) 60° 左右，在 15:00 之前，應(yīng)該保持向北旋轉(zhuǎn)30° 左右；15:00 以后，應(yīng)該向南旋轉(zhuǎn) 60°，如此可以有效的降低建筑能耗。③ 在夏季時(shí)，保持北向外窗的遮陽(yáng)百葉處于垂直位置和向東旋轉(zhuǎn) 30°，冬季可拆除外遮陽(yáng)，如此可以有效地降低建筑能耗。

本研究針對(duì)不同朝向外遮陽(yáng)形式對(duì)建筑能耗的影響，提出了不同朝向的遮陽(yáng)形式的選取，在控制變化因素上依然存在一定的局限性，期待在后續(xù)的研究中，可以綜合考慮外遮陽(yáng)的采光、通風(fēng)，以及新技術(shù)的遮陽(yáng)形式，提出更加準(zhǔn)確的遮陽(yáng)形式的選取方式，以獲得更好的遮陽(yáng)效果。