蘇州地區(qū)公共建筑常見外遮陽形式應(yīng)用效果研究

朱小波（啟迪設(shè)計集團股份有限公司,江蘇 蘇州 215021）

人們對建筑舒適性要求的提高以及綠色建筑的發(fā)展，推動了各種建筑節(jié)能技術(shù)的快速發(fā)展。與建筑圍護結(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重的部位，尤其是夏季通過窗戶玻璃的太陽輻射傳熱，對于室內(nèi)環(huán)境的舒適性有著很大的影響，同時也增加了空調(diào)的能耗[1]。不同地區(qū)由于氣候條件的差異，對于外窗的要求也不同，如夏熱冬冷地區(qū)對于外窗的夏季隔熱以及通風能力的要求嚴格，熱環(huán)境條件比較惡劣，東、西、南 3 個方向的墻面在夏季直接受到大量的太陽輻射，通過無遮陽窗進入室內(nèi)的太陽輻射能占到空調(diào)能耗的23%～40%[2]。基于公共建筑耗能大的特點，本文以江蘇省蘇州地區(qū)一公共建筑為例，對其外窗外遮陽形式的應(yīng)用效果進行探討研究。

1 外遮陽概述

1.1 遮陽類型

建筑遮陽系統(tǒng)所涵蓋的類別比較廣泛，包括諸如建筑朝向、植被、外圍護結(jié)構(gòu)等，凡是能減少太陽直接輻射熱進入室內(nèi)的均可作為遮陽的因素[3]。建筑外遮陽指設(shè)于室外的陽光遮擋物，這也是目前被廣泛采用的遮陽方式。外遮陽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 外遮陽的 4 種類型

1.2 不同類型遮陽方式適用范圍

根據(jù)夏熱冬冷地區(qū)的熱工設(shè)計特性，目前常見的外窗遮陽形式及適用場合[5]主要如下。

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

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

（3）擋板式遮陽：遮擋太陽高度角中等且從窗前斜射過來的太陽光，適用于東南向的窗戶。

（4）綜合式遮陽：遮擋高度角較小且正射窗口的太陽光，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象，并對建筑能耗損失嚴重的部位（窗戶）變換其遮陽方式進行模擬，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方式。由于該地區(qū)夏天太陽輻射較強，為了有效地降低空調(diào)能耗，對于建筑外遮陽的選取顯得尤為重要?；诎咐幍貐^(qū)氣候特點，即夏季需要空調(diào)、冬季需要采暖，因此活動外遮陽會獲得比固定外遮陽更好的效果。

2.2 案例模擬

基于不同類型遮陽方式的適用范圍，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)能問題必須引起密切關(guān)注，并同時考慮冬季保溫和夏季隔熱問題。

水平百葉遮陽：通過變換水平百葉的角度，得出最佳遮陽效果的百葉角。

模擬結(jié)果分析：冬季一天不同時間段外窗透過的太陽輻射量如圖 2 所示，冬季不同角透過外窗的總太陽能輻射量如圖 3 所示，夏季一天不同時間段外窗透過的太陽輻射量如圖 4 所示，夏季不同角透過外窗的總太陽能輻射量如圖 5 所示。由圖 2～圖 5 可以看出，透過外窗的太陽輻射量都在 13:00 左右達到最低值，且遮陽百葉旋轉(zhuǎn)一定角度時，透過外窗的太陽輻射量均低于水平遮陽；在 12:00 和14:00 左右不同角度的遮陽均達到最大值，且在百葉向上旋轉(zhuǎn) 60° 時，透過外窗的太陽輻射量最大。因此，在冬季，百葉遮陽向上旋轉(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)上來看，百葉的存在使得透過窗戶進入室內(nèi)的太陽輻射量幾乎為零。由此可知，遮陽百葉保持水平或向下旋轉(zhuǎn)任何角度，都可以保證室內(nèi)接收不到太陽輻射。

圖2 冬季一天不同時間段外窗透過的太陽輻射量

圖3 冬季不同角度透過外窗的總太陽能輻射量

圖4 夏季一天不同時間段外窗透過的太陽輻射量

圖5 夏季遮陽不同角度透過外窗的總太陽能輻射量

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

模擬結(jié)果分析：西向外窗冬季不同時間段透過外窗的太陽輻射量如圖 6 所示。由圖 6 可以看出，西向從 13:00 開始接收太陽輻射，在該方向接收太陽輻射的整個時間段，當垂直的百葉向南旋轉(zhuǎn) 60° 時，可以在各時間段內(nèi)獲得更多太陽輻射，其次是向南旋轉(zhuǎn) 30° 時接收到的太陽能，并遠遠大于向北旋轉(zhuǎn)百葉時獲得的太陽輻射能，如圖 7 所示。因此，在冬季可以將西向的窗戶外遮陽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間段外窗透過的太陽輻射量

圖7 西向冬季不同角度透過外窗的總太陽能輻射量

西向夏季一天不同時間段外窗透過的太陽輻射量如圖 8所示，西向夏季不同角透過外窗的總太陽能輻射量如圖 9 所示。從單日的模擬結(jié)果可以看出，無論垂直遮陽百葉旋轉(zhuǎn)任何角度，其變化趨勢都呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，基本在 14:00 達到最大值，之后逐漸降低，直至該方向不再接收到太陽輻射。比較模擬設(shè)置的 4 種旋轉(zhuǎn)角度，向南旋轉(zhuǎn)30° 時，透過外窗的太陽輻射最多；15:00 之前，向北旋轉(zhuǎn)30° 時，透過外窗的太陽輻射最少；15:00 之后，向南旋轉(zhuǎn)60°，透過外窗地太陽輻射最少?；谙募局评涞男枨螅摲较虻耐獯按怪闭陉柊偃~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間段外窗透過的太陽輻射量

圖9 西向夏季不同角透過外窗的總太陽能輻射量

北向夏季一天不同時間段外窗透過的太陽輻射量如圖10 所示，北向夏季不同角透過外窗的總太陽能輻射量如圖11 所示。模擬結(jié)果顯示，北向外窗的垂直遮陽百葉，在向東旋轉(zhuǎn) 30° 時，進入室內(nèi)的太陽輻射最少，且向東旋轉(zhuǎn) 60°進入室內(nèi)的太陽輻射能遠大于向東旋轉(zhuǎn) 30° 和與窗戶處于垂直時的太陽輻射能。向東旋轉(zhuǎn) 30° 和垂直位置獲得的太陽輻射能相差不多。因此，在夏季時，保持北向外窗的垂直遮陽百葉處于垂直位置和向東旋轉(zhuǎn) 30° 時，可以有效降低夏季的制冷能耗，從而降低建筑能耗。在冬季，北向外窗不會接收到太陽直射輻射，因此外窗百葉的角不會對進入室內(nèi)的太陽輻射造成任何影響,不對其作要求。由分析結(jié)果可以得出，北向外窗可以保持垂直遮陽百葉處于垂直位置和向東旋轉(zhuǎn)30°范圍內(nèi)，必要時可以做成可拆卸外遮陽，在冬季不需要遮陽，這樣可以使外遮陽起到更好的效果。

圖10 北向夏季一天不同時間段外窗透過的太陽輻射

圖11 北向夏季不同遮陽角度透過外窗的總太陽能輻射量

3 結(jié) 語

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

（2）對于不同朝向的外窗，應(yīng)選擇最有效的遮陽方式來降低采暖空調(diào)能耗。① 對于南向外窗，宜設(shè)置水平活動遮陽百葉。冬季，百葉遮陽向上旋轉(zhuǎn) 60° 左右可以使其接收到的太陽輻射能最多；在夏季，保持遮陽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 對于西向外窗，宜設(shè)置垂直活動遮陽百葉。在冬季可以將西向的窗戶外遮陽百葉向南旋轉(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，保持北向外窗的遮陽百葉處于垂直位置和向東旋轉(zhuǎn) 30°，冬季可拆除外遮陽，如此可以有效地降低建筑能耗。

本研究針對不同朝向外遮陽形式對建筑能耗的影響，提出了不同朝向的遮陽形式的選取，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的采光、通風，以及新技術(shù)的遮陽形式，提出更加準確的遮陽形式的選取方式，以獲得更好的遮陽效果。