國內(nèi)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(jù)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(tǒng)作為一種活躍的立面元素，自出現(xiàn)之后便被建筑師靈活應用，既產(chǎn)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(xiàn)了現(xiàn)代技術解決人類對綠色、健康、節(jié)能和享受自然需求而創(chuàng)造產(chǎn)生的一種新的現(xiàn)代建筑形態(tài)。

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(nèi)，防止陽光過分照射和加熱建筑圍護結構，為室內(nèi)營造舒適的熱環(huán)境，降低空調(diào)能耗。同時還能防止直射陽光造成的強烈眩光，使室內(nèi)照度分布比較均勻，有助于視覺的正常工作。對周圍環(huán)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(xiàn)代科技的快速發(fā)展，建筑遮陽的新形式不斷涌現(xiàn)。本文從新型建筑遮陽設計實踐、綠色建筑和建筑節(jié)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(nèi)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(nèi)置式活動遮陽（包括內(nèi)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(qū)、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(huán)境、加強對太陽能的利用、優(yōu)化調(diào)節(jié)性能和為優(yōu)化室內(nèi)光環(huán)境進行的遮陽形態(tài)優(yōu)化等方面著手進行，對遮陽形式進行進一步的改進和創(chuàng)新。新型遮陽的設計形式與建筑地區(qū)、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(chuàng)造發(fā)展。新型建筑遮陽的設計和應用具體包括：

（1）光伏發(fā)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(fā)電與遮陽一體化常見的應用形式有百葉式光伏幕墻系統(tǒng)、雙通道光伏玻璃幕墻系統(tǒng)、采光屋頂太陽能遮陽系統(tǒng)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(fā)電板、頂部采用多晶硅太陽能光伏夾層-中空玻璃幕墻實現(xiàn)節(jié)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(tǒng)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(jù)陽光照射情況自動對遮陽設備進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)遮陽效果。目前的應用案例有廣州的發(fā)展中心大廈等，國外也對相應的遮陽調(diào)控策略進行了研究。

（3）遮陽與再生水蒸發(fā)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(fā)作用，其百葉表面溫度比常用鋁質(zhì)百葉平均低5～6oC，改善了建筑的室外微環(huán)境，同時降低了建筑的能耗。

（4）采光頂中空玻璃內(nèi)置金屬板網(wǎng)遮陽。該項創(chuàng)新適用于大規(guī)模采光頂，其中金屬板網(wǎng)置于玻璃中空層內(nèi)，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(shù)化設計確定了最優(yōu)的遮陽網(wǎng)形狀，保證更多光線進入，同時減少直射陽光進入。

（5）優(yōu)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(tài)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(yōu)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(xiàn)遮陽效果，還在景觀上實現(xiàn)了優(yōu)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(xiàn)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(diào)與自然的親近。

（7）單元式雙層內(nèi)呼吸幕墻自動遮陽系統(tǒng)。其中遮陽百葉的智能化控制根據(jù)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(shù)值，經(jīng)過電腦軟件分析后，自動調(diào)節(jié)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(xiàn)對外遮陽的自動調(diào)節(jié)控制。

（9）雙向軸電動百葉遮陽系統(tǒng)。該遮陽方式可以實現(xiàn)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(nèi)部過熱，又可以讓室內(nèi)視野不受影響。

（10）可調(diào)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(diào)節(jié)功能使其可以根據(jù)日照調(diào)整采光和視野。

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

（12）瓦幕墻系統(tǒng)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(xiàn)對太陽能的有效收集。羅松琴對夏熱冬冷地區(qū)的某醫(yī)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(xiàn)夏季100%的醫(yī)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(qū)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(fā)現(xiàn)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(fā)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(fā)技術（5,6,8圖片來源：廣州市設計院）

9 大興國際機場，內(nèi)置金屬板網(wǎng)遮陽（攝影：王亦知）

10 華僑城大廈，優(yōu)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(jié)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(nèi)人員的視覺舒適度產(chǎn)生影響。出于節(jié)能和提升室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)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?，在所有涉及光環(huán)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(nèi)光環(huán)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(nèi)《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(diào)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(huán)境”和“室內(nèi)熱濕環(huán)境”部分，主要包括停車場所的遮陽措施要求和可調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)遮陽措施要求的條文進行了調(diào)整，增加了可調(diào)節(jié)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(diào)了對遮陽耐久性的要求和在舒適度方面的影響，對其調(diào)節(jié)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(nèi)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(diào)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(zhuǎn)向采光調(diào)節(jié)（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(nèi)人員視覺舒適度的效果，還會對建筑的室內(nèi)溫度、照明能耗、空調(diào)系統(tǒng)能耗產(chǎn)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(jié)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(huán)境模擬軟件Ecotect、Radiance、Daysim和建筑能耗模擬軟件DOE、EnergyPlus、IES、e-QUEST等。

現(xiàn)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(chǎn)生的影響，并根據(jù)當?shù)氐娜晏柛叨冉翘匦蕴岢隽艘环N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(fā)現(xiàn)，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(jié)省并不明顯，3個立面的百葉布置帶來了5.3%的總能耗節(jié)??；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(nèi)外遮陽百葉的雙層皮幕墻對熱環(huán)境和采光的影響，通過Daysim對不同內(nèi)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(nèi)置百葉和內(nèi)外遮陽百葉模型具有降低建筑空調(diào)、照明能耗27～52%的潛力[6]。葉云陽的研究針對內(nèi)遮陽的性能提升。相比于外遮陽設備，內(nèi)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(shù)材料的內(nèi)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(nèi)遮陽系統(tǒng)可以達到外遮陽系統(tǒng)實現(xiàn)的效果，此外還通過灰度關聯(lián)分析進一步明確了影響內(nèi)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(nèi)遮陽性能的最關鍵因素[7]。

此外，由于不同地區(qū)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(qū)最優(yōu)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(huán)境下，使用遮陽設備比使用高性能玻璃具有更好的節(jié)能效果，且應當在東西立面上優(yōu)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(yōu)的效果。國內(nèi)的相關研究集中于不同氣候區(qū)、特定建筑提出遮陽優(yōu)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(yōu)化[9]。楚洪亮對上海地區(qū)某居住建筑進行模擬，對多種不同參數(shù)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(yōu)的綜合節(jié)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(qū)遮陽系統(tǒng)進行探究，結果表明，改善遮陽系數(shù)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(xiàn)較優(yōu)的節(jié)能效果[11]。朱繼宏則針對不同氣候區(qū)，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(diào)采暖能耗的影響，并尋找5個氣候區(qū)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(tǒng)，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(jié)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(xiàn)有的遮陽手段中，內(nèi)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(diào)節(jié)能力，而現(xiàn)有研究已通過模擬說明了對遮陽進行調(diào)節(jié)在節(jié)能上產(chǎn)生的重要影響。李翠以上海14幢辦公建筑的944個遮陽調(diào)節(jié)應用數(shù)據(jù)為基礎，分析辦公建筑的遮陽調(diào)節(jié)行為模型，結果顯示，遮陽調(diào)節(jié)行為具有明顯的季節(jié)特性[14]。沈長亮針對重慶地區(qū)某建筑選取9種不同遮陽調(diào)控策略進行分析，通過實驗與DesignBuilder模擬計算，發(fā)現(xiàn)布藝簾全閉和卷簾全閉是最優(yōu)的控制策略，具有最高的節(jié)能率[15]。趙秀智（CHO Su-Ji）提出了一種可根據(jù)使用者控制意圖進行控制的外遮陽調(diào)節(jié)算法，以能耗節(jié)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(xiàn)遮陽調(diào)節(jié)在節(jié)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(jié)省取決于控制策略的種類和與可調(diào)照明系統(tǒng)的聯(lián)系，而非一個孤立的調(diào)節(jié)系統(tǒng)；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(qū)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(xiàn)代科技的快速發(fā)展，建筑遮陽新型形式不斷涌現(xiàn)。本文從新型建筑遮陽設計實踐、綠色建筑和建筑節(jié)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(nèi)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(huán)境、太陽能利用、更優(yōu)的調(diào)節(jié)性能和以優(yōu)化室內(nèi)光環(huán)境為導向進行的遮陽形態(tài)優(yōu)化方面進行。新型遮陽的設計形式與建筑地區(qū)、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(jié)能的考慮，對遮陽設備均存在要求。國內(nèi)相關標準也對遮陽設備進行了規(guī)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(diào)了遮陽設備的耐久性和可調(diào)節(jié)性。

（3）模擬是對遮陽性能進行驗證的有效方法。國內(nèi)外大量研究借助光環(huán)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(qū)進行建筑遮陽的優(yōu)化設計。此外，還有相關研究針對模擬方法進行了優(yōu)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(xiàn)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(diào)節(jié)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。