基于太阳辐射的水平外遮阳调控策略

丁勇，戴辉自，李百战，连大旗

（重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆，400045）

已有研究表明：采用固定式外遮阳方法，建筑节能率最高达58.52%；而采用可调控的水平外遮阳这一比例可达72.67%[1]。建筑外遮阳在大幅度降低建筑能耗的同时，还能有效改善室内自然采光环境[2]。对于外遮阳的设置，夏季需在白天时段尽可能降低进入室内的太阳辐射，以降低空调负荷，并营造良好的室内光环境；冬季需尽可能扩大进入室内的太阳辐射[3]。而由于太阳高度角和方位角的变化，在夏热冬冷地区，例如重庆，在建筑的不同朝向、形式和大小上都基本一致的固定式遮阳无法满足这一遮阳需求[4]。因此，需要设置可以随太阳高度角和方位角进行调节的活动式外遮阳，以满足对遮阳效果的需求。本文通过研究夏季不同朝向、不同挑出长度的水平外遮阳的遮阳效果，探索适应重庆地区建筑活动水平外遮阳的调控策略，为更好地实现建筑外遮阳的效果提供实际操作指导。

1 水平外遮阳作用

1.1 室内环境对水平外遮阳的需求

太阳辐射照射到外窗表面后，一部分被反射，不成为房间的得热；一部分直接透过外窗进入室内，全部成为房间得热；还有一部分先被外窗玻璃吸收使玻璃温度升高，然后，其中的一部分以对流和辐射的形式进入室内成为房间的得热[5]。室内空调负荷与室内得热有密切关系，太阳辐射引起的室内得热增加将显著提高室内空调负荷，因此，采用外遮阳可减少透过外窗进入室内的太阳辐射，从而达到减少夏季空调负荷的目的。

对于建筑垂直面围护结构即外窗，当晴天无外遮阳时，其表面接收的太阳辐射IZ主要为太阳直射辐射IDV、太阳散射辐射ISV和地面的反射辐射IRV3者之和。设置外遮阳后，外窗上会形成阴影区，该阴影区内将不能接收太阳直射辐射，因此，进入室内的太阳辐射量将减少。垂直面的太阳直射辐射计算如下[6]：

其中：IDN和IDV分别为地球法线平面和垂直面的太阳直射辐射强度（W/m2）；I0为太阳常数；β为太阳高度角（°）；P为大气透明度等级；γ为墙面法线和阳光投影线的夹角（°）；As为太阳方位角（°），太阳偏东为负，偏西为正；Aw为垂直墙面方位角（°），以正南点为0°，顺时针方向（偏西）夹角为正，逆时针方向（偏东）夹角为负。

根据地球的自转与公转的运行规律，太阳高度角与太阳方位角之间的关系可由式（4）和式（5）计算得到[5]。

其中：φ 为地理纬度（°）；δ为太阳赤纬角（°）；h为时角（°）。

经综合可知：太阳高度角和太阳方位角的变化，将直接导致地球法线平面以及建筑围护结构的垂直面太阳辐射强度变化。太阳高度角越大，地球法线平面太阳辐射强度也越大。而且某地接受的太阳辐射量的大小，与大气的透明度及云量有直接关系。例如，位于北半球的重庆地区，夏季的太阳高度角、大气透明度等级较冬季高，但云量较冬季小[7]。因此，夏季（尤其是7、8月份）室外太阳直射辐射比冬季大，见图1。而各个垂直墙面由于方位角不同，垂直墙面太阳辐射强度也存在差异[8]。由图1可见：在7月份，西向墙面月平均辐射强度约为北向的2倍；西向墙面8月份的月平均辐射强度为1月份的3倍。由此可见：一方面，夏季太阳辐射值高，需要降低透过外窗进入室内的太阳辐射，而冬季则需要利用透过外窗进入室内的太阳辐射；另一方面，在同一季节同一天的不同时刻，在建筑的各个朝向上，太阳辐射值具有明显的差别，这对于外遮阳的设置的合理性要求也不尽相同。因此，研究合理的外遮阳设置及控制策略，以适应变化的天气状况和资源状态，提高遮阳性能，是有效利用外遮阳降低室内空调负荷并营造良好室内环境的关键。

图1 重庆地区典型气象年全年室外和各朝向墙面月平均辐射强度[9]Fig.1 Monthly average radiation intensity of outside and walls with different orientations in typical meteorological year of Chongqing area[9]

1.2 水平外遮阳效果

水平外遮阳是通过在外窗上形成阴影，减少进入室内的太阳直射辐射达到遮阳的效果，形成的阴影面积越大，遮挡的太阳直射辐射也越多，遮阳效果就越显著[10]。影响阴影面积大小的因素众多，主要有：水平遮阳的外形、外窗朝向和太阳的方位（即时刻）。而阴影的几何参数可以根据计算时刻的太阳高度角β和墙面法线和阳光投影线的夹角γ计算得到，如图2所示。假设，水平外遮阳的挑出长度为X，则可由式（6）和（7）计算得到水平遮阳阴影的深度T和阴影的偏移量M[11]：

其中：T为水平遮阳阴影的深度（m）；X为水平外遮阳的挑出长度（m）；M为水平遮阳板阴影的偏移量（m）。

由式（6）和（7）可知，阴影的深度T和偏移量M与水平外遮阳的挑出长度成正比，与太阳高度角β成正相关。当墙面方向一定时，墙面方位角也就一定，1 d内太阳方位角As由负至正，进而引起γ变化，阴影偏移量M先减小后反向增加，而阴影深度T变化不定。因此，水平外遮阳由于挑出长度、太阳高度角和太阳方位角参数的变化，作用效果将存在明显的差别。评价水平外遮阳效果，需要综合考虑挑出长度、遮阳朝向、太阳高度角、太阳方位角参数的影响。根据研究测算表明：南向外遮阳在10:00时刻，太阳高度角为54°，太阳方位角为−82.37°，窗阴影区域占窗户面积比例为93.2%；在12:00时刻，这一比例变为100%；在14:00时刻，这一比例又降低至 73.7%。由此可知：1 d中各时刻外遮阳在窗上形成的阴影区域处于不断变化的过程，其大小与外遮阳长宽、建筑朝向和太阳方位等参数密切相关。

图2 水平外遮阳形成的阴影区域分析Fig.2 Analysis of shadow region formed by horizontal external shading

2 水平外遮阳效果

通过上述分析已得水平外遮阳效果会受到外遮阳长宽、建筑朝向和太阳方位角的影响。为寻找高效的外遮阳设置参数，使水平外遮阳的设置既能最大限度地满足遮阳的需求，又能满足自然采光的需求[12]。通过实验测试并结合理论分析，在不同遮阳、遮阳朝向和太阳方位角（随时间变化）下进行水平活动外遮阳设置策略研究。

2.1 实验装置

由于太阳光不因模型比例的缩小而改变自身的特性，且室内某点的太阳辐射和照度也不会因为比例的缩小而变化[13]。因此，实验利用几何相似的原理，构造几何相似比例为1:3的房间模型，并且保证模型房间和实际房间的室内围护结构的颜色和反射率一致[14]。开展实验测试房间内的太阳辐射值和照度值，分析比较遮阳前后的室内太阳辐射和室内照度变化，以便反映水平外遮阳的遮阳效果。

根据几何相似原理并依据现行标准，设计3个房间模型，测试研究的水平外遮阳朝向分别为东南、南和西南。参照标准规范[15−17]，确定室内外太阳辐射和照度的布点（1，2，3和4）和测试的方法（图3）。

图3 室内太阳辐射强度及室内照度测点布置图Fig.3 Layout of points for measuring indoor sun radiation intensity and indoor illumination

2.2 建筑水平外遮阳效果分析

为分析不同挑出长度水平遮阳的遮阳效果，研究中给出 5种水平外遮阳挑出长度分别为 0（无遮阳），0.3，0.6，0.9和1.2 m，并在重庆地区夏季典型的晴天天气条件下，实测西南，南和东南3种朝向水平遮阳，并得到3种朝向5种水平遮阳挑出长度下8:00，10:00，12:00，14:00和16:00的室内太阳辐射值和室内照度。对数据进行处理时，室内太阳辐射值取室内各个测点太阳辐射值的平均值，室内照度取室内各个测点照度的平均值，室内太阳辐射降低幅度以同时刻、同方向的水平遮阳挑出长度为 0（无遮阳）时室内太阳辐射为基准。

实验结果表明：对于同一时刻下的南向水平外遮阳，随着挑出长度的增加，室内太阳辐射降低但幅度逐渐变缓，其中由0 m增至0.3 m时降低幅度最大。在8:00时刻，外遮阳挑出长度分别为0（无遮阳），0.3，0.6，0.9和1.2 m时，水平遮阳引起的室内太阳辐射降幅变化趋势如图4所示，每增加的0.3 m挑出长度引起的室内太阳辐射降幅分别为 17.4%，15.7%，4.3%和 9.6%。由图 4可知：当水平外遮阳挑出长度达到0.6 m后，再增加外遮阳的挑出长度对降低室内太阳辐射幅度作用已不明显，称此状态点为外遮阳效果的分界点。表1所示为南向遮阳每增加0.3 m遮阳室内太阳辐射降低百分比。类似地，由表1可知：在10:00，12:00，14:00和 16:00时刻，外遮阳效果分界点分别在0.6，0.6，0.6和0.3 m。此时，在8:00—14:00时段和14:00—16:00时段分别按0.6和0.3 m设置水平外遮阳后，8:00—14:00时段内 8:00出现该时段室内照度最低，为635.8 lx；而14:00—16:00时段室内照度最低值为848.8 lx；这些数据均完全满足《建筑采光设计标准》中工作面的照度值大于300 lx的要求。因此，按上述设置外遮阳可同时满足遮挡太阳辐射和采光的要求。

图4 8:00时刻南向不同水平外遮阳室内太阳辐射变化Fig.4 Changing of indoor sun radiation shading at different horizontals external shading when 8:00 in South orientation

除遮阳尺寸产生的影响外建筑朝向也是影响遮阳效果的重要因素。对于东南向和西南向的房间，由于朝向成 90°夹角，可知太阳的运动将导致室内太阳辐射变化趋势相反。图5所示为8:00和14:00东南向和西南向各遮阳水平下室内太阳辐射变化趋势。在8:00未遮阳时，西南向的太阳辐射较低，仅为7.5 W/m2，而东南向的为129.6 W/m2。至14:00，西南向的太阳辐射增加至 146.5 W/m2，而东南向则降低至 16.5 W/m2。2种朝向同一时刻需要遮挡的太阳辐射量大不相同。若在同一时刻，各朝向设置同一遮阳，如表 2所示，例如8:00挑出长度为0.3 m时，西南向和东南向遮阳下室内太阳辐射的降幅分别为13.0%和31.3%，相差较大。因此，为充分达到遮阳效果，需针对不同朝向及时间设置水平遮阳长度。

对于西南向和东南向水平遮阳，采用类似于南向水平遮阳的分析和研究方法，分别得到关于西南向和东南向的不同时段的水平外遮阳控制策略。综合上述分析，可给出如表3所示的水平外遮阳控制策略。

表1 南向遮阳每增加0.3 m遮阳室内太阳辐射降低百分比Table 1 Reducing of indoor sun radiation when the length of south horizontal external shading increasing every 0.3 m %

图5 8:00和14:00时刻东南向和西南向各遮阳水平下室内太阳辐射变化Fig.5 Changing of indoor sun radiation in southwest and southeast orientations at different horizontals external shading when 8:00 and 14:00

表2 西南向和东南向不同时刻不同遮阳水平下的室内太阳辐射降幅（相对于无遮阳）Table 2 Declined indoor sun radiation in southwest and southeast orientations at different time and different horizontals external shading（compared with no-shading condition）%

表3 不同朝向水平外遮阳调控策略Table 3 Controlling strategy for horizontal external shading in different orientations

3 结论

（1）各个朝向下，随着遮阳挑出长度的增加，室内太阳辐射值降低，但随着遮阳挑出长度值的增大，遮阳的作用效果不再明显，出现明显的作用效果分界点。对于南向的遮阳，挑出长度由0.3 m增至1.2 m时，室内太阳辐射降低幅度由 16.5%增至 40.7%，但到0.6 m后每增加的0.3 m遮阳引起的室内太阳辐射降低值减至5.6%。

（2）在相同朝向和遮阳下，不同时刻遮阳效果也存在较大差别：南向遮阳水平为 0.3 m时，10:00和12:00时刻室内太阳辐射降幅分别为21.6%和13.7%。

（3）在相同时刻和遮阳下，不同朝向时，遮阳效果也存在较大差别，例如西南向和东南向8:00时刻水平外遮阳为13.0%和5.1%。

（4）南向水平外遮阳的最佳调控时段为 10:00—14:00；在8:00—14:00时段内遮阳最佳挑出长度为0.6 m；在 14:00—16:00时段水平外遮阳调至0.3 m；东南向水平外遮阳的最佳调控时段为8:00—10:00；且该时段最佳挑出长度为0.6 m；而在14:00—16:00时间段内水平外遮阳挑出长度为0 m；西南向水平外遮阳需求及趋势与东南向外遮阳相反，其最佳调控时段为14:00—16:00，此时段外遮阳最佳挑出长度为0.6 m，在8:00—12:00时段水平外遮阳挑出长度为0 m。

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