外窗遮陽設計關鍵問題綜合分析

姚立民，王偉芳，李小林，李超，翟波Yao Limin,Wang Weifang,Li Xiaolin,Li Chao,Zhai Bo

（渭南職業技術學院，陜西渭南 714000）

0 引言

隨著工業的迅速發展，能源過度消耗已成為全球關注的焦點問題。據估計，2014-2035年期間，全球能源需求將增長34%，到2035年我國將占世界能源消耗總量的25%[1]。我國的能源消耗主要集中在建筑、交通運輸和工業三個領域。其中，我國當下的建筑能耗已接近社會總能耗的1/3[2]。隨著能源緊張逐步成為限制我國經濟和社會發展的關鍵障礙之一，以及世界范圍內低碳經濟的持續發展，深入開展建筑節能研究，才能為積極應對相關挑戰提供理論支持。

據有關部門測定，南方夏季下午兩點每平方米窗戶會導致房間溫度升高2℃甚至更高，如果一個房間的窗戶在10:00～14:00能夠避免直射陽光照進室內，則此時段室內氣溫平均可以降低2℃～5℃[3]。通過窗戶進入室內的太陽輻射熱量，一般可占建筑太陽輻射總得熱的80%左右[4]。研究表明：與不采用遮陽設施的建筑比較，采用遮陽設施的建筑空調耗電量降低幅度為3.37%～11.04%[5]。

從上世紀四五十年代開始，建筑設計開始青睞大面積開窗，建筑窗戶面積和外墻面積的比例不斷提高，從15%～25%上升到35%以上，甚至接近100%。這在提升采光、通風、景觀效果的同時，也帶來了制冷和采暖方面的問題[6]。在夏季炎熱地區,由建筑外窗形成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[7]。要解決這一矛盾，建筑遮陽技術的同步發展至關重要。

建筑遮陽是建筑節能技術的組成部分之一，科學合理地運用遮陽技術，對防止夏季室內過熱，降低空調使用能耗，以及維持室內環境的舒適性等發揮著重要作用。由于太陽輻射透過窗戶直接進入室內的熱量是造成室內過熱以及空調制冷負荷增加的主要原因。因此，如何合理利用建筑遮陽來降低進入室內的太陽輻射熱，改善建筑熱環境，便成為建筑節能研究中不可忽視的重要課題。

1 外窗遮陽技術發展現狀分析

1.1 根據安裝位置分類

根據遮陽裝置的安裝位置，可將外窗遮陽技術分為內遮陽、外遮陽和玻璃自遮陽三大裝置類型[8-9]。

1.1.1內遮陽

內遮陽裝置安裝在窗戶內側，當太陽輻射透過玻璃進入室內后，才由遮陽裝置進行遮擋。這樣的安裝方式不可避免地會使部分太陽輻射熱傳入室內，引起室溫升高或空調負荷增加。因此，其遮陽效果相對較差。內遮陽裝置一般均為活動式，主要包括百葉簾和織物簾兩類。由于內遮陽不影響建筑外立面造型，不存在高空墜落風險，安裝維護比較方便，能夠適應夏季遮陽和冬季采光取暖要求的變化，所以目前應用較多。

1.1.2 外遮陽

外遮陽裝置安裝在窗戶外側，能夠將太陽輻射熱阻擋在室外，遮陽效果較好。根據其遮陽形態是否可調，又分為固定式外遮陽和活動式外遮陽兩大類[9-10]。固定式外遮陽包括遮陽挑檐、固定遮陽板、固定遮陽蓬、固定遮陽百葉等；活動式外遮陽包括百葉窗扇、百葉簾、織物簾、活動遮陽篷等。其中，遮陽板和遮陽百葉根據其板條或百葉片的安裝方向不同，又可分為水平式、垂直式和復合式三種類型。

遮陽板的材料通常為鋼筋混凝土，遮陽百葉的材料包括不銹鋼、鋁合金、塑料、竹、木等，織物簾和遮陽蓬的材料通常為各種纖維織物。

日本、美國、歐洲以及中國香港等國家和地區都把提高窗戶的熱工性能和遮陽控制作為夏季防熱、降低建筑空調負荷的重點。這些國家和地區普遍在建筑的窗外安裝外遮陽設施，將窗的遮陽作為夏季建筑節能的一個重要措施來考慮。同時逐漸以百葉擋板等遮陽方式，取代不透光的傳統擋板，以更好地解決遮陽、通風與觀景的矛盾[11]。相關研究表明，外遮陽設施可以降低建筑表面80%的太陽輻射得熱，是比內遮陽設施更為有效的降溫措施。例如，相同的布簾或軟百葉等遮陽設施，內遮陽變更為外遮陽后，傳入室內的熱量將由60%降低為30%[12]，對使用空調的建筑來說，外遮陽更是節約電能的主要措施之一[13]。

由于外遮陽裝置位于建筑外側，因此會影響建筑立面造型，還存在高空墜落的風險，在大風中容易損壞和產生噪音，需考慮防雨、防風措施，同時其對材料的要求也高，安裝、維護均不方便，所以在高層建筑和繁華市區一般限制使用。

1.1.3 玻璃自遮陽

玻璃自遮陽是指在窗戶上安裝具有遮陽功能的玻璃，一般可分為低透射玻璃和中置百葉的雙層玻璃兩種。隨著技術更新，許多新型建筑玻璃品種本身就可具有很好的遮陽隔熱性能，對不同頻譜的太陽光波段能夠體現出選擇性吸收或透過的功能。現在各種新型玻璃產品，如低輻射玻璃、多功能鍍膜玻璃、薄膜型熱反射材料貼膜玻璃、光致和電致變色玻璃等，都具有良好的遮陽效果[9-10]。

與內遮陽及外遮陽裝置相比，玻璃自遮陽不用在窗戶內側或外側安裝其他裝置，無突出部件，對于高層或超高層建筑比較適用。但是，由于自遮陽窗戶一般呈關閉狀態，因而容易造成室內通風不良。此外，玻璃自遮陽裝置的成本較高，并且很難兼顧早晚光照變化以及夏季遮陽與冬季采光取暖之間的平衡。因此，玻璃自遮陽技術的應用受到一定的限制。

1.2 根據可調節性分類

根據遮陽裝置的可調節程度，可將外窗遮陽技術分為固定式、半固定式和可收縮式三種類型[8-10]。

1.2.1 固定式遮陽

固定式遮陽裝置的位置和角度固定不變，使用過程中不可調節改變。典型的固定遮陽裝置有水平式遮陽板、垂直式遮陽板、格柵形遮陽板等。固定式遮陽的優勢在于構造簡單、成本較低、維護方便；缺點是不能遮擋所有時間段的太陽光線，并且難以協調處理遮陽、采光、通風的綜合要求[14]。

1.2.2 半固定式遮陽

半固定式遮陽裝置部分可調，但是總體位置不可大幅度調整，因此其適應性較差，實際應用不多。百葉窗、百葉擋板、半固定式遮陽板等，皆屬于半固定式遮陽裝置。

1.2.3 可收縮式遮陽

可收縮式遮陽裝置可以被收縮到窗口的頂部或窗口一側，甚至完全撤掉，遮陽比例可以自由調節。內遮陽的百葉簾和織物窗簾以及外遮陽篷、軟百葉簾均屬于這一類型。這類遮陽裝置能夠在較大范圍調節遮陽形態，因此可以適應早晚日照的變化和不同季節對遮陽需求的變化，并且在遮陽的同時可以兼顧室內通風的要求。另一方面，其缺點是當用于外遮陽時，存在安裝維護不便、高空墜落風險以及在大風中容易損壞和產生噪音等問題。

2 現有技術的缺陷及改進方向

2.1 技術缺陷

通過觀察分析發現，現有的遮陽技術尚不完善：內遮陽裝置的遮陽效果較差，很難兼顧遮陽與采光、通風、散熱的需求；外遮陽裝置位于建筑外側，影響建筑立面造型，而且存在高空墜落風險，需考慮防雨、防風措施，對材料的要求也高，安裝、維護均不方便，在高層建筑和繁華市區的使用會受到限制；玻璃自遮陽裝置的成本較高，且遮陽窗戶一般呈關閉狀態，容易造成室內通風不良，同時由于遮陽率固定，很難兼顧早晚光照變化以及夏季遮陽與冬季采光取暖的需求；固定式和半固定式遮陽裝置不能靈活調節，適應性一般較差；可收縮式遮陽由于活動部件較多，抗風雨能力較差，需要經常維護，因此主要適用于內遮陽方式，難以適用于高層建筑外遮陽。

目前，大部分研究者比較注重建筑遮陽的熱工性能研究[15-16]，缺少對遮陽與采光、通風、建筑安全、建筑美學、人的生理和心理舒適性等因素之間關系的綜合性研究。理想的遮陽設施應該是遮陽比例靈活可調，遮陽與采光、通風兼顧，夏季白天可用，早晚可收起，抗風雨，無高空墜落風險，安裝維護方便，費用經濟可行。要達到這些要求，遮陽設施的設計研究不應局限于單獨的外遮陽、內遮陽、固定遮陽、活動遮陽，而應積極開展具有創新性的、交叉融合的、復合類型的研究。

2.2 改進方向

現有單一型式的遮陽裝置，很難滿足綠色建筑、健康建筑、超低能耗建筑的建設要求。要進一步改進遮陽技術，滿足低碳節能的建筑要求，就應積極開展建筑遮陽基礎理論研究，借助計算機輔助技術，運用系統工程理論、空氣動力學理論、熱工學理論、光學、聲學等理論，綜合協調處理好建筑遮陽、采光、通風、建筑安全、建筑美學等功能的需要。以基礎理論為指導，大力開展建筑遮陽新材料研發活動，借助新材料的支持，才能更好地滿足多種功能要求。此外，建筑遮陽設施的設計，還必須考慮設施本身的安全性、經濟性、美觀性和耐久性等問題。只有綜合解決了以上問題，建筑遮陽技術才能得到更好的發展。

今后，我們對建筑遮陽技術的研究，可以從創新建筑遮陽裝置的型式和材料入手，深入研究不同型式裝置和不同材料裝置的遮陽效果、采光效果、綜合節能效果、熱傳輸機理、光傳輸機理、室內舒適性指標，以及遮陽裝置的安全性、經濟性、耐用性指標等問題，從而提出遮陽材料的技術要求和遮陽裝置的改進方向。

例如，為適應現代高層建筑的遮陽要求，可以將內遮陽卷簾和上懸窗通風換氣設施結合使用，由內遮陽卷簾在窗戶內側遮擋反射的太陽輻射熱（包括直射輻射、大氣輻射和環境反射），可從上懸窗及時排出室外。以此對內遮陽卷簾與窗戶玻璃之間的氣流進行合理調控，最大程度減小了太陽輻射熱對室內環境的影響。這樣的裝置既具有內遮陽卷簾在使用方面的便捷性、靈活性，又改善了其遮陽效果，提升了散熱功能，同時還滿足了防雨和通風換氣的要求。此外，在內遮陽卷簾材料的選擇上應注重更好的反光性、隔熱性和更低的吸熱性等因素。同時為了充分利用自然光照明，遮陽卷簾的材料應具有適當的透光性以及透光率可調的特點。

3 結語

隨著低碳經濟、綠色建筑、健康建筑等理念的提出，建筑遮陽技術作為建筑節能中的重要一環，也應順應社會發展的需求，不斷進行深入的理論探索與實踐檢驗。然而，目前的遮陽技術還存在一定缺陷，有待改進。要實現遮陽技術的進一步發展，就應充分利用新材料、新技術、新理論，積極開展創新融合研究，綜合協調處理好建筑遮陽、采光、通風、建筑安全、建筑美學等功能需要，將建筑遮陽技術朝著縱深化方向推進，為舒適的人居環境和節能減排目標服務。