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建筑热环境论文

浅析建筑遮阳在建筑节能设计中的作用

论文摘要：

建筑能耗日益增加的今天，节能设计已经提上议案，而建筑遮阳设计正是其中的重点之一。

在设计中应综合考虑建筑所处地域的多方面因素,选用不一样的遮阳方式，使得建筑物遮阳设计既符合建筑造型和使用功能要求,又满高质量的室健康环境需求，更能起到建筑节能的多方位设计理念。

关键词：

建筑节能建筑遮阳建筑室环境

一、建筑节能的意义与定义

建筑使用的过程中所消耗的能量，即通常说的建筑能耗，在所有能耗中占很大的比例。

中国在改革开放后，在20年里建筑总量达到了105.6亿㎡，预计2020年还将新建建筑面积300亿㎡.但是，目前中国建筑中，95%以上都是高能耗建筑。

92年建筑能耗占总能耗的15%，00年为27.5%，2020年甚至可能达到40%，如果加上材料的能耗，建筑能耗可能更多。

所以国家提出了居住建筑节能标准：

第一阶段1996年改造能耗减少30%

第二阶段1996~2005能耗再减少30%即原来的50%

第三阶段2005年以后能耗再减少30%即原来的35%

因此，建筑节能技术已经成为当今中国建筑技术发展的重点之一。

二、建筑室物理环境状况

目前大部分地区新建的居住建筑室物理环境较以前有很大改善，但还是有很多急待解决的问题，例如窗户越开越大，窗户是建筑外围护结构保温、隔热和隔声薄弱环节，现阶段一般采用塑钢窗、中空玻璃，大大提高了窗户的热阻和气密性，但是夏季室过热的问题仍然没有很好解决，夏季的炎炎烈日透过窗户直接射入室是室热环境恶化的主因。

公共建筑如果不依赖空调、人工照明等耗能手段，室热环境、光环境状况将非常恶劣，现有良好的热环境、光环境是建立在能源高消费的基础上。

由于业主对富有强烈现代感的轻盈玻璃幕墙、玻璃穹顶的偏爱以及建筑师处理的简单化，这种高能耗、低舒适的建筑随处可见。

尽管冬季直射对改善室热环境是有利的，但是直射产生的强烈眩光严重干扰正常办公导致工作效率低下，常见的处理的办法有两种；一是用窗帘遮挡，室完全依赖人工照明；二是提高室人工照明照度以减少因亮度分布不均引起的不舒适眩光，这些都将使照明耗能增加。

夏季直射不仅显著增加空调的制冷负荷及照明能耗，而且太阳直射光线引起的眩光使室光环境差强人意。

总的说来，我国建筑的室物理环境和维持舒适的室物理环境的方式急需改善。

三、建筑遮阳的含义和意义

以减少太阳直接辐射热进入室为主要目的的隔热、放热措施称为建筑遮阳。

建筑遮阳系统是与遮阳有关的建筑构件、配件以及建筑布局绿化等要素共同作用，相互补充的一个完整系统。

建筑遮阳系统涉及围复杂，广义上，建筑布局、朝向、风向、气象、日照、植被等一系列建筑外环境的设置，都蕴藏着建筑遮阳因素；建筑围护构件如墙体、屋面等也都有遮阳效果。

狭义上，遮阳主要指采光口、建筑物出入口等外墙开洞部分的隔热、防热设施。

衡量窗户遮阳效果的好坏，主要采用遮阳系数的概念，同时还要保证窗户玻璃的可见光透过率，以满足窗户采光的基本要求。

目前,国家大力倡导绿色建筑、节能建筑,并且出台了多项具体的规规程,对建筑节能设计提出了很多具体的要求。

遮阳设施能合理控制太线进入室,减少建筑空调能耗和人工照明用电,改善室光环境。

采取有效的遮阳措施,降低外窗太阳辐射形成的建筑空调负荷,是实现建筑节能的最有效方法之一。

一方面,遮阳通过阻挡直射辐射和漫辐射的热,控制热量进入室,降低室温、改善室热环境,使空调高峰负荷大大削减。

另一方面,适量的又使人感到舒适,有利于人体视觉功效的高效发挥和生理机能的正常运行,给人们愉悦的心理感受。

四、建筑遮阳与建筑防热的关系

夏季室热量的主要来源：

（1）在太阳辐射和室外气温的作用下，外围护结构表面温度升高将热量传入室；

（2）通过窗口（或外围护结构透明和半透明部位）直接进入室的太阳辐射热；

（3）室生活及生产过程中产生的热量；

（4）自然通风过程中带迸或带出的一部分热量。

建筑防热的主要任务是减弱室外热作用，改善室热环境；

而建筑遮阳的主要任务便是：

减弱通过窗口（或外围护结构透明和半透明部位）直接进入室的太阳辐射热和在太阳辐射的作用下外围护结构表面温度升高而传入室的热量。

因此建筑遮阳的定义应该是：

遮挡太阳辐射热经建筑外围护结构传入室的措施，可防止室空气、墙面、地面、家具表面温度升高，是建筑防热、改善室热舒适的重要手段。

除防热的功能外，精心设计的建筑遮阳还能调节室光环境（包括避免眩光、改善窗口采光均匀度等）。

五、建筑遮阳设计方法

遮阳的措施主要分为三类:

1、利用绿化的遮阳;2、结合建筑构件处理的窗口遮阳;3、专门设置的遮阳设施。

（一）利用绿化的遮阳

对于低层建筑来说,绿化遮阳是一种既有效又经济美观的遮阳措施。

绿化遮阳可以通过在窗外一定距离种树。

落叶树木可以在夏季提供遮阳,常青树可以整年提供遮阳。

而在冬天叶子脱落，使可以穿越而过，照进室。

可以对不同植物在不同季节的生长情况有所了解，以选择适当的植物来遮挡。

比较符合生态学的设计方法是，把松柏类树木栽种在整个场地边缘以挡风，落叶树木栽种在靠近建筑的地方，葡萄藤、树篱或者爬行植物则栽种在建筑的边缘，室也可以在窗台和部结构中栽种一些植物，以提高空气质量，改善背景视觉效果。

植物还能通过蒸发周围的空气降低地面的反射。

常青的灌木和草坪也能很好地降低地面反射和建筑反射。

通过在窗外或阳台上种植攀援植物实现对墙面的遮阳,还有屋顶花园等形式，对于第五立面的美化也是有意义的。

（1）建筑周围植树。

在建筑周边一定距离种树,可以对低层的户型提供有效的窗口与墙面遮阳。

一般适宜选用高大、树枝伸展较宽、夏天茂盛、冬天落叶的乔木。

当利用植物进行窗口遮阳的时候,应当注意不能影响自然通风与采光。

在夏季主导风的方向上,不应种植太密的树木,比如大灌木和乔木,以免降低风速甚至改变风向,造成自然通风受阻。

此外,茂密的树叶也不宜靠窗口太近,以免遮挡自然光线的进入。

（2）屋面绿化遮阳。

屋顶花园,隔热效果是显著的,对于第五立面的美化也是有意的。

（3）墙面绿化遮阳。

绿化墙面遮阳,一般选择爬藤植物如爬山虎、牵牛花、爆竹花等爬墙生长。

必要的时候可以搭架拉绳,以辅助其生长。

（二）结合建筑构件处理的窗口遮阳

遮阳的基本形式可分为四种:

水平式、垂直式、综合式和挡板式。

选择何种形式的遮阳需根据地区气候特点、太阳高度角、纬度、遮阳日期、遮阳时间以及朝向不同来综合考虑。

例如水平遮阳能够遮挡从窗口上方射来的，适用于南向外窗；垂直遮阳能够遮挡从窗口两侧射来的，适用于北向外窗；挡板遮阳能够遮挡平射到窗口的；适用于接近于东西向外窗。

实际工作中中可以单独选用或者进行组合。

1.水平式遮阳

　　这种遮阳形式能够有效地遮挡高度角较大的、从窗口上方投射下来的。

因此在北半球，水平式遮阳适用于北回归线以北地区的南向的窗口遮阳。

连续水平式遮阳适用于回归线以南的南、北向窗口遮阳。

2.垂直式遮阳

垂直式遮阳能够有效地遮挡高度角较小的、从窗侧斜射过来的。

但对于高度角较大的、从窗口上方投射下来的,或接近日出、日没时平射窗口的,它不起遮挡作用。

故垂直式遮阳主要适用于东北、西北向附近的窗口。

3.综合式遮阳

综合式遮阳能够有效地遮挡高度角中等的、从窗前斜射下来的,遮阳效果比较均匀。

故它主要适用于东南或西南向附近的窗口。

4.挡板式遮阳

这种形式的遮阳能够有效地遮挡高度角较小的、正射窗口的、故它主要适用于东西向附近的窗口。

在设计遮阳时,应根据建筑所在地区的气候条件、建筑的朝向、房间的使用功能等因素,综合进行遮阳设计,可以通过永久性的建筑构件,如:

外檐廊、阳台、外挑遮阳板等,制作永久性遮阳设施。

（三）专门设置的遮阳设施

（1）活动窗口外遮阳

固定遮阳不可避免的会带来与采光、自然通风、冬季采暖、视野等方面的矛盾。

可调节遮阳可以根据使用者根据环境变化和个人喜欢,自由的控制遮阳系统的工作状况。

形式:

遮阳卷帘、活动百叶遮阳、遮阳篷、遮阳纱幕等。

可调节遮阳方式主要有两个优点:

　　1）可以进行调整，以适应室外气候条件的变化，最充分地利用太阳能和的好处，同时又可以遮挡刺眼强光和多余的热量。

2）在遮挡炫目的同时，尽可能多地获取漫射自然光。

避免光线不足时采用人工照明而浪费能源。

夏季夜晚打开遮阳板，加快建筑物的散热速度；冬季的白天不关闭保持建筑物部的天然采光，夜晚关闭遮阳板，减少建筑物部热量的损失。

A.遮阳卷帘。

窗外遮阳卷帘是一种有效的遮阳措施,适用于各个朝向的窗户。

当卷帘完全放下的时候,能够遮挡住几乎所有的太阳辐射,这时候进入外窗的热量只有卷帘吸收的太阳辐射能量向传递的部分。

这时候,如果采用导热系数小的玻璃,则进入窗户的太阳热量非常少。

此外也可以适当拉开遮阳卷帘与窗户玻璃之间的距离,利用自然通风带走卷帘上的热量,也能有效的减少卷帘上的热量向室传递。

B.活动百叶遮阳。

有升降式百叶帘和百叶护窗等形式。

百叶帘既可以升降,也可以调节角度,在遮阳和采光,通风之间达到了平衡,因而在办公楼宇及民用住宅上得到了很大的应用。

根据材料的不同,分为铝百叶帘、木百叶帘和塑料百叶帘。

百叶护窗的功能类似于外卷帘,在构造上更为简单,一般为推拉的形式或者外开的形式,在国外得到大量的应用。

C.遮阳蓬。

遮阳蓬比较常见,但质量和这样效果一般,目前市场使用有些杂乱。

D.遮阳纱幕。

遮阳纱幕既能遮挡辐射,又能根据材料选择控制可见光的进入量,防止紫外线,并能避免眩光的干扰,是一种适合于炎热地区的外遮阳方式。

纱幕的材料主要是玻璃纤维。

具有耐火防腐,坚固耐久。

（2）窗口中置式遮阳

中置式遮阳的遮阳设施通常位于双层玻璃的中间,和窗框及玻璃组合成为整扇窗户,有着较强的整体性,一般是由工厂一体生产成型的。

（3）窗口遮阳

遮阳的形式有:

百叶窗帘、垂直窗帘、卷帘等。

材料则多种多样,有布料、塑料（PVC）、金属、竹、木等等。

遮阳也有不足的地方。

当采用遮阳的时候,太阳辐射穿过玻璃,使遮阳帘自身受热升温。

这部分热量实际上已经进入室,有很大一部分将通过对流和辐射的方式,使室的温度升高。

（4）玻璃自遮阳

玻璃自遮阳利用窗户玻璃自身的遮阳性能,阻断部分进入室。

玻璃直身的遮阳性能对节能的影响很大,应该选择遮阳系数小的玻璃。

遮阳性能好的玻璃常见的有吸热玻璃、热反射玻璃、低辐射玻璃。

这几种玻璃的遮阳系数低,具有良好的遮阳效果。

值得注意的是,前两种玻璃对采光有不同程度的影响,而低辐射玻璃的透光性能良好。

六、建筑遮阳对室环境的影响

（一）室热环境

从室热舒适的角度出发，建筑遮阳对室热环境的积极影响主要是：

夏季减少太阳辐射进入室，改善室热舒适，尽量减少空调的冷负荷，降低对能源的依赖。

但是对于夏热冬冷地区的建筑遮阳，需协调建筑夏季需要尽量减少太阳辐射进入室与冬季需要尽可能利用太阳辐射及夏季隔热与冬季保温之间的矛盾。

（1）改善室热舒适

遮阳有助于在夏季创造良好的室热环境。

由于遮阳对太阳辐射的遮挡，可使夏季室气温，尤其是夏季室最高气温明显的降低；特别是对不开窗的空调房间，增加遮阳后一般可降低室温达2℃（不开窗，不开空调）；而且房间里的温度波动小，室出现高温的时间也较晚。

对一般房间，在开窗的情况下，遮阳也可使室温降低1℃多，而且遮阳挡住了从窗口进入的直接辐射，避免了烘烤感，有效地改善了室热舒适。

（2）减少建筑物制冷能耗

因为遮阳可使室温降低，所以遮阳可以减少设备制冷的时间，如果无遮阳的建筑物4月10号需要空调制冷维持室热舒适，那么有良好遮阳的建筑物可能要到5月10号才需空调制冷维持室热舒适。

据前面章节的计算，在需制冷时段，遮阳可明显著减少空调制冷负荷。

（3）建筑遮阳与通风

遮阳对房间通风有一定的阻挡作用，使室风速有所降低。

实测资料表明，在有遮阳的房间，室风速约减弱22％～47％。

风速的减弱程度和风场流向都与遮阳的设置的方式有很大关系。

在有风的情况下，遮阳板紧靠墙上会使进入室的风容易向上流动，不能吹到人的活动围。

因此遮阳设计时，应尽量减少遮阳对通风的不利影响，尽量通过遮阳设计引导风吹向人的活动区域。

（二）室光环境

无疑遮阳会减少进入室的光通量，因此过去无电器照明或电器照明没普及、对遮阳研究也不够深入时，从天然采光的观点来看，遮阳有挡光作用，从而会降低室照度，在阴天更为不利。

因此《建筑采光设计标准》（GB／T50033-2001）规定“侧窗采光口上部有宽度超过1米的外挑遮挡物，其有效采光面积按采光口面积的70％计算”。

现今研究表明，遮阳虽然会减少窗口附近的照度，但不一定会减少室深处的照度；实例证明设计良好的遮阳能扩大天然采光的围、消除或减弱眩光、提高采光的均匀度。

随着人们对室光环境品质的不断追求，尽量扩大天然采光区域已成为必然趋势，因为天然采光能提供比人工照明更理想、质量更好的光环境。

研究证明昼光照明能形成比人工照明系统更为健康和更兴奋的工作环境，这是因为自有人类以来，人们的视觉器官就是感受并不断适应天然光。

人们对五彩缤纷颜色的判断都是视觉正常的人在天然光条件下的感受为准，现今尚难找到与天然光光谱完全相同的人工光源。

再则良好的昼光照明光线的强度、颜色和视觉是不停地细微变化的，这有助于工作者神经兴奋，相关研究显示可以使工作效率提高约15％。

七、建筑节能设计中的遮阳设计

现在提到建筑遮阳，大部分为建筑外遮阳，因为如果采用建筑物遮阳，实际上是仅仅挡住光线，当光线遇到遮阳产品时，其辐射热已经透过玻璃进入室，并会使玻璃的温度升得很高，从而达不到建筑节能的目的。

对外遮阳而言，只有透过的那部分会直接达到窗玻璃外表面。

一般来讲，室百叶只可挡去17%太阳辐射热，而室外南向仰角45°的水平遮阳板，可轻易遮去68%的太阳辐射热，两者间的遮阳效果相差甚远。

另外，从节能的角度上讲，Low-E中空玻璃在建筑物窗户上的使用也是设计人员在实际工作中经常采用的节能遮阳方案之一。

Low-E中空玻璃，K值为1.8～2.2W/（㎡•k），而单向玻璃的K值为5.4～6.1W/（㎡•k），中空双向（6+12+6）玻璃K值为3.1W/（㎡•k）。

采用外遮阳还是Low-E中空玻璃，要结合建筑物朝向、窗墙面积比、传热系数限值等因素综合考虑。

就夏热冬冷地区而言，北向主要解决保温问题，东西向主要解决遮阳隔热问题，南向要同时解决冬季被动采暖、夏季自然通风以及遮阳隔热问题。

Low-E中空玻璃可以很好地解决东西向的外窗保温和遮阳隔热问题，但对于南向外窗，夏季通过窗户进入室的太阳辐射热构成了空调负荷的主要部分，冬季则恰好相反，透过窗户进入室的太阳辐射热可以减小采暖负荷，由于功能要求上相互矛盾，单纯采用Low-E中空玻璃就不是很合适了。

另外，从节能规的角度来讲，南向一般窗墙比较大，仅选用Low-E中空玻璃不能满足规的要求，必须通过设置遮阳才能符合相应的规要求。

因此，在夏热冬冷地区建筑物的节能设计中，南向提倡设置可调节式外遮阳。

所以，对于整个建筑物而言，最符合节能要求的措施就是中空玻璃加可调节式外遮阳。

而对于可调节式外遮阳，完全可以发挥它丰富建筑立面的积极因素，从以下几个角度出发进行设计。

（1）遮阳装置与建筑外墙面结合。

结合建筑整体设计，合理设置屋檐、阳台、外廊、墙面的遮阳板等遮阳构件。

在20世纪30年代，遮阳板设计曾经作为建筑国际化的重要标志风靡一时。

柯布西耶的马赛公寓在立面处理上，以富于韵律感的网格构图而为人们称赞，同时也获得了很好的遮阳效果。

打破原有建筑功能构件框架的遮阳综合设计，集遮阳、通风、排气、检修等物理功能和外廊、阳台等过渡空间于一身的思维模式，是建筑遮阳主要发展方向，得到了大多数建筑师的认同。

发展至今，已经被建筑师广泛推广。

（2）遮阳装置作为一种独立的设计元素，与建筑外墙面分开。

在扩大开窗面积、增设开敞空间的建筑中，利用色彩艳丽的外遮阳装置或支撑起曲面型遮阳布，使建筑动静结合，感性与理想并存，堪称“双层立面形式”。

一层是建筑物本身的立面；一层则为动感的遮阳状态的立面。

即使建筑物改造时后加装遮阳装置，也能起到形象变化等效果。

八、总结

目前，人们虽然认识到遮阳作为建筑的必备功能的重要，但研究工作还只停留在各建筑朝向的大致遮阳方法。

开发探讨适应我国不同地区的遮阳产品从而推动建筑节能科技的进步，已经刻不容缓。