建筑遮陽技術(shù)在綠色建筑中的應(yīng)用探索與實踐

文/山東建筑大學建筑城規(guī)學院 王立祥

0 引言

隨著我國近幾年綜合國力的提升，生態(tài)及能源過度消耗問題逐漸加重。全球的能源消耗持續(xù)上升，產(chǎn)生空氣污染，溫室氣體增多導致全球氣候變暖。我國在世界上一直是能源消耗大國之一，據(jù)統(tǒng)計，總能耗中建筑能耗約占1/3。雖然我國城市化水平不斷攀升，但建筑領(lǐng)域能源消耗加大的趨勢卻不可避免。針對該情況，近些年涌現(xiàn)的可持續(xù)發(fā)展理念、綠色建筑、新型節(jié)能技術(shù)引起人們的關(guān)注，并逐漸得到認可。建筑遮陽作為綠色建筑技術(shù)，對減少建筑能耗、維持室內(nèi)溫度、保持良好的自然通風至關(guān)重要。在建筑設(shè)計中，建筑遮陽技術(shù)得到越來越多的運用，成為未來的發(fā)展趨勢。

1 建筑遮陽技術(shù)

1.1 形式

建筑外遮陽、內(nèi)遮陽和中間遮陽構(gòu)成了建筑的整體遮陽系統(tǒng)。

建筑外遮陽是指在玻璃等透明圍護結(jié)構(gòu)外所安裝的遮擋設(shè)備，它能將門窗前的太陽輻射抵擋在外面。在夏季，為保持室內(nèi)合適的溫度，需用遮陽裝置抵擋太陽輻射熱量；在冬季，該裝置能使室內(nèi)的熱環(huán)境保持平穩(wěn)，防止室內(nèi)的熱量損失。生活中應(yīng)用最多的建筑外遮陽形式包括卷葉簾、百葉簾等，分為固定式和活動式建筑外遮陽。水平式、垂直式、綜合式、擋板式遮陽構(gòu)成固定式外遮陽系統(tǒng)。活動式建筑外遮陽在住宅和寫字樓上應(yīng)用最多，既能調(diào)節(jié)升降高度，又可調(diào)節(jié)角度。在現(xiàn)實生活中，雖然建筑外遮陽具有很多優(yōu)點，但應(yīng)用極少。

建筑內(nèi)遮陽是指在透明圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)部安裝遮陽設(shè)備，從而對到達室內(nèi)的太陽輻射熱量進行抵擋。該形式具有很多缺點，例如在玻璃與窗簾之間易產(chǎn)生熱島效應(yīng)，因熱量不斷擴散，使室內(nèi)熱環(huán)境溫度不斷上升，導致遮陽效果極大降低。

中間遮陽的遮陽效果顯著，有很多具體做法，如在中空玻璃內(nèi)部加Low-e涂層或設(shè)置百葉，也可在雙層玻璃幕墻中間加百葉簾等。

此外，還可采取靈活多樣的形式，如綠化遮陽，該形式是在建筑屋頂或外墻上加綠化或在建筑周圍種植落葉類的喬木，在夏季可利用喬木的遮擋來降溫，冬季喬木葉子落光也不會影響采光。另外，還可在屋頂上形成屋頂花園或利用屋頂構(gòu)件實現(xiàn)遮陽等。

1.2 意義

門窗的保溫隔熱性能一直都是建筑師們討論的話題之一。空調(diào)通過制冷或采暖的形式為人們提供冷風或熱風，其中大約1/2的能量通過門窗流失。在綠色建筑中，若選擇合適的建筑遮陽，既能提高建筑整體熱工性能，又能提升室內(nèi)的舒適度。在炎熱的夏季，建筑遮陽可對太陽輻射進行抵擋，無需增加額外能量，而是在源頭解決問題。建筑遮陽作為被動式措施，不僅降低對空調(diào)的依賴性，還可減少能耗，因此符合可持續(xù)發(fā)展要求。而在北方寒冷的冬季，建筑遮陽能提高門窗等外圍護構(gòu)件的保溫性能，使室內(nèi)的溫度保持穩(wěn)定。此外，推廣建筑遮陽一體化設(shè)計，除對城市整體環(huán)境進行提升外，還可使建筑物保持多種風格，為城市居民創(chuàng)造不同的視覺感受。

2 建筑遮陽設(shè)計策略

2.1 建筑遮陽設(shè)計方法及原則

我國各地對遮陽需求不同，以北方為例，夏季需采取適當?shù)拇胧┑謸鯊娏业奶栞椛洌緞t需對太陽能進行最大程度的獲取來抵御寒冷。大多數(shù)情況下，需根據(jù)不同朝向的太陽輻射特點進行遮陽設(shè)計。一般采取以下設(shè)計方法：①每個城市都有屬于自己的氣候數(shù)據(jù)，對所有的氣候數(shù)據(jù)進行分析時，需著重關(guān)注具有遮陽需求的月份；②按照房間的使用功能及建筑朝向選擇不同的遮陽形式；③著重分析建筑各立面及各朝向特點，同時對遮陽構(gòu)件尺寸及高低進行計算；④為判斷遮陽前后的能耗值是否達到節(jié)能要求，需對遮陽前后建筑全年的能耗進行模擬數(shù)據(jù)分析。

建筑遮陽作為被動式綠色節(jié)能技術(shù)，可與很多形式結(jié)合，例如與陽臺和外廊等建筑構(gòu)件結(jié)合可更好地發(fā)揮遮陽作用，也可根據(jù)建筑的造型與遮陽構(gòu)件進行結(jié)合等。隨著建筑遮陽一體化設(shè)計的推廣，其應(yīng)用也需遵循一定的原則：①安全性原則 在綠色建筑中，建筑遮陽構(gòu)件通常為附加式，為使其具有抵抗雪荷載、風荷載的能力，遮陽構(gòu)件需與建筑連接牢固；當在高層建筑中安裝遮陽構(gòu)件時，為防止其受周圍環(huán)境影響，還需重點關(guān)注感風與感光的特性；②建筑美學原則 在對綠色建筑進行遮陽設(shè)計時，為使建筑外立面產(chǎn)生強烈的光影效果，讓建筑形態(tài)產(chǎn)生變化，遮陽構(gòu)件需采用適當?shù)牟牧希瑫r注重材料外表的美觀；③因地制宜原則 建筑遮陽設(shè)計不是孤立的過程，需與當?shù)氐慕ㄖL格相匹配，如結(jié)合當?shù)氐奈幕龋虎苓m應(yīng)性原則 建筑的地理位置和使用人群等對遮陽設(shè)計也會產(chǎn)生影響；⑤多功能化原則 在對建筑遮陽形式進行挑選時，探索最佳遮陽形式即可。

2.2 建筑遮陽材料的選用及對遮陽裝置的調(diào)節(jié)

在綠色建筑設(shè)計中，建筑遮陽構(gòu)件應(yīng)選用環(huán)保無污染的材料，同時，為防止遮陽構(gòu)件大面積暴露于陽光下導致自身受熱而產(chǎn)生二次輻射，應(yīng)選用低熱容材料，該材料吸熱后會降低蓄熱性。此外，還需著重考慮遮陽構(gòu)件的安全性能，產(chǎn)品的長寬高及遮陽材料表面色彩的選擇，表面是否清潔等。對于北方地區(qū)，應(yīng)倡導使用活動式遮陽構(gòu)件，因其能根據(jù)使用者自身需求隨時進行調(diào)整，不會受外界環(huán)境因素限制，具有靈活性。在冬季、夏季及過渡季節(jié)內(nèi)，還可通過調(diào)節(jié)遮陽板面控制室內(nèi)的采光量及溫度等。同時，在對建筑遮陽形式進行合理選擇時，也可結(jié)合建筑本身的特點。白天房間有人時需考慮采光對使用者的影響；當房間內(nèi)無人時，可完全關(guān)閉遮陽板面使房間內(nèi)的熱量下降。遮陽效果在不同朝向的建筑中也有很大不同，例如通常情況下，下午西曬問題較嚴重，建筑與周圍的環(huán)境氣溫均較高，因東向與西向窗戶的傳熱系數(shù)相同，兩者多出來的熱量所形成的熱輻射感受更強烈。由此可得，建筑使用者在需求的迫切度方面，西向遮陽需求更高。

2.3 建筑遮陽與主體建筑間的整合

建筑遮陽在綠色建筑中應(yīng)用廣泛，與主體建筑間的整合有多種方式，包括點、線、面、體及色彩。當建筑遮陽作為點元素時，因點本身具有無連續(xù)性、延展性的特點，故可對建筑遮陽的形式功能進行調(diào)節(jié)及重點強調(diào)。當沿線進行排列時，點狀遮陽會形成韻律感和方向感，且點元素主要與物體之間的比例大小有關(guān)。

當今，多種遮陽形式易形成點元素，如生活中最常見的擋板式、綜合式遮陽，以及現(xiàn)代越來越受歡迎的植物遮陽等。當建筑遮陽作為線元素時，可在豎直及水平兩個方向上體現(xiàn)，一般情況下，豎直方向上的線元素可體現(xiàn)出高聳威武、挺拔的氣勢，而水平方向上的線元素可體現(xiàn)出安靜舒坦、平穩(wěn)的感覺。例如西班牙圣特蕾莎養(yǎng)老院在外立面設(shè)計中采用線性元素，為使垂直線性遮陽構(gòu)件協(xié)調(diào)，建筑師設(shè)計了獨立的個體，不在多余的體量上做過多處理。

綠色建筑遮陽中面元素的應(yīng)用也極為廣泛，如山東建筑大學辦公樓外立面采用的防曬墻（見圖1）。在生活中也有采用垂直綠化遮陽的形式，南方建筑喜歡用格柵構(gòu)件形成韻律感。鑒于面元素主要由長寬來控制比例，具有極大靈活性，可應(yīng)用于任何建筑的外立面。在建筑設(shè)計過程中，當遮陽采用體元素時，為達到遮陽效果，需重點考慮建筑造型，同時體元素應(yīng)用最多的是建筑自遮陽的形式。當建筑遮陽與建筑色彩進行整合設(shè)計時，能產(chǎn)生意想不到的效果，因色彩本身可引發(fā)人們產(chǎn)生不同的感知，故在綠色建筑設(shè)計中，將色彩運用好可使建筑遮陽與周圍的自然環(huán)境更快速地融合為一體。在垂直綠化遮陽中，不同植物的色澤與各種鍍金屬混合，可使建筑外立面看起來更豐富多彩。

圖1 山東建筑大學辦公樓外立面

3 建筑遮陽裝置的遮陽和采光效果

3.1 計算方法

在綠色建筑中，對各類建筑遮陽裝置的遮陽和采光效果進行檢驗需通過建筑遮陽模擬軟件進行計算，得到數(shù)據(jù)后進行判斷再取舍。在計算采光和遮陽效果時，遮陽系數(shù)不可或缺。遮陽系數(shù)是指遮陽裝置的太陽能總透射比和無遮陽情況下太陽能總透射比之間的比值。在綠色建筑遮陽裝置中，有3類方法可對遮陽系數(shù)進行計算，在對建筑遮陽裝置建筑節(jié)能的計算上，使用最多的方法有能耗計算法和輻射累計法。前一種方法中，采暖能耗與冬季遮陽系數(shù)相對應(yīng)，而制冷能耗與夏季遮陽系數(shù)相對應(yīng)；后一種方法是對太陽的入射進行輻射運算，在完整的一年中，通過對窗戶太陽輻射照度進行連續(xù)的累計運算，使無遮陽裝置和有遮陽裝置這兩者的太陽輻射照射總量不斷地進行相互比較，從而最終計算出整年的遮陽系數(shù)。每當計算空調(diào)的負荷時，必須提供太陽的高度角和方位角，使每個時刻的遮陽系數(shù)、太陽輻射照度均被準確無誤地計算。在與窗戶平行的遮陽裝置中，有百葉簾、織物簾等，百葉簾計算可通過二維模型，而織物簾計算則需通過反射比和透射比得出遮陽性能。此外，在對采光效果進行詳細計算時，假如遮陽裝置、門窗兩者既覆蓋又平行，則務(wù)必先計算出透射比，若兩者不平行，則應(yīng)對室內(nèi)采光效果直接進行計算。

3.2 遮陽效果

不同的遮陽效果由不同的遮陽裝置所呈現(xiàn)。在固定式外遮陽裝置中，綜合式建筑遮陽是垂直式遮陽、水平式遮陽兩者組合的結(jié)果，這兩者外遮陽系數(shù)的乘積即外遮陽系數(shù)值，可通過擬合公式求出。DOE-2等建筑能耗模擬軟件，擬合系數(shù)均通過計算回歸分析形成。在我國各建筑氣候區(qū)內(nèi)，建筑節(jié)能設(shè)計標準均提供相對應(yīng)的擬合系數(shù)。廣東省建科院開發(fā)的光環(huán)境模擬軟件，是先建立建筑遮陽裝置和窗戶的模型，然后輸入城市地標計算出遮陽裝置在不同方向和季節(jié)的遮陽系數(shù)。而在擋板式外遮陽裝置中，如按照上述步驟進行，同時使特征值控制在0.5，則得出另外的遮陽系數(shù)。

對于百葉遮陽裝置和織物遮陽裝置，若選擇百葉遮陽裝置，其與建筑門窗互相平行，且會對門窗的透光部分進行完全覆蓋。隨機選擇1款百葉裝置，葉片的間距控制在25mm，葉片的寬度控制在30mm，葉片的反射系數(shù)控制在0.5，根據(jù)以上條件在不同的葉片開啟角度和不同的入射角上求出透射反射系數(shù)。在建筑外遮陽裝置中，若想通過計算得出室內(nèi)的采光效果，則需根據(jù)光環(huán)境模擬軟件，運用輻射累計法分別建立遮陽裝置、窗戶兩個模型，可看出遮陽裝置對室內(nèi)采光所產(chǎn)生的效果。通過一系列的計算得出：在固定式遮陽裝置中，水平遮陽會產(chǎn)生大約25%的影響，垂直式遮陽則會產(chǎn)生不大于10%的影響。對比前兩者，綜合式遮陽最大，大約為45%。故綜合式遮陽的遮陽效果最好，對采光的影響也極大。

4 結(jié)語

運用建筑遮陽是實現(xiàn)綠色建筑的重要一環(huán)，既能減少不同季節(jié)的建筑能耗，又能增強室內(nèi)的舒適度和改善室內(nèi)熱環(huán)境。在建筑設(shè)計過程中，應(yīng)將建筑遮陽與建筑主體相融合，最大程度發(fā)揮建筑遮陽的作用，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。