重庆地区教学建筑遮阳现状分析及改善措施

黄海静，王雅静

(重庆大学a.建筑城规学院；b.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)



重庆地区教学建筑遮阳现状分析及改善措施

黄海静a,b，王雅静a

(重庆大学a.建筑城规学院；b.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

建筑遮阳是一种十分重要的节能手段。对于教学建筑而言，合理的遮阳设计不仅可以调节太阳辐射，降低空调能耗，而且可以避免眩光，提高室内人员的视觉舒适度；然而，不当的遮阳设计却可能对室内采光、通风或视野等造成一定的影响。文章以重庆地区为例，通过对教学建筑遮阳现状的实地调研及分析，总结其存在的问题，并提出相应的改善措施，从而为该地区教学建筑遮阳设计提供一定的参考。

教学建筑；遮阳；现状调研；改善措施

目前，我国对建筑节能的研究主要集中在办公楼、住宅等，而对能耗较大的教学建筑节能研究比较少。一方面是因为教学建筑在全年的使用时间最短，另一方面是它避开了夏季最高空调能耗与冬季最高采暖能耗的两个极端时间。然而，教学建筑相较于其他建筑类型而言，人员集中度高，室内人员热扰较大，这会导致建筑内部温度上升幅度较大，增大空调的冷负荷，且教学建筑是学生长期使用的学习空间，其热环境和光环境的好坏直接关系到学生的身心健康和学习效率。针对外窗设置遮阳措施调节太阳辐射，不仅可以提高室内热环境舒适度，降低能耗，而且可以提高室内照度均匀度，防止眩光，改善学生学习的光环境。此外，我国目前的大学校园规模也在不断扩大，教学楼逐渐从耗能小户转型成耗能大户。因此，研究教学建筑遮阳具有十分重要的意义。

1 环境条件分析

1.1 地域气候特点

重庆属于夏热冬冷地区，夏季最热月平均温度25～30 ℃,平均相对湿度80%左右,因此，采取遮阳措施进行隔热和引导通风至关重要。而冬季最冷月平均气温0～10 ℃,平均相对湿度80%左右 ,气温虽然比北方高,但日照率远远低于北方，因此，冬季日照低、湿度大的特点要求遮阳在遮挡太阳直射光的同时不能影响室内的采光和通风，应采取一定的措施来提高室内的采光和通风效果。

1.2 建筑物理环境要求

根据重庆地区的气候特点，对教学建筑的室内物理环境主要有以下几点要求:

1)良好的采光。教学建筑光环境质量的好坏不但关系到学生的生理和心理健康，也直接影响学生的学习效率。合理利用遮阳构件进行采光设计，可以使教室保持足够照度的同时也具有较好的照度均匀度，从而避免直射光进入室内而引起眩光，提高室内人员的视觉舒适性。

2)舒适的通风。对于夏季高温高湿、冬季阴冷潮湿的夏热冬冷地区来说，保证室内良好的通风环境至关重要。利用遮阳构件的导风功能，可以增加建筑进风口的风压，对通风量进行调节，起到改善室内风环境的作用。

3)适宜的温度。夏热冬冷的气候特点，要求建筑能同时满足夏季隔热和冬季采暖的需求。这就需要加强建筑围护结构的保温隔热性能，重点是提高外窗的热工性能，而有效的遮阳装置是调节太阳辐射、提高其热工性能的必要手段。

建筑遮阳是建筑节能的重要手段之一，但不当的遮阳措施却会导致室内采光不足、通风不畅、影响冬季采暖等一系列问题。因此，笔者通过对重庆地区高校教学建筑遮阳现状的实地调研、数据统计和问题分析，提出相应的改善建议，以更好的实现建筑节能。

2 教学建筑遮阳调研概况

2.1 调研对象选择

文章以高校教学建筑为调研对象，因为高校教学建筑相对中小学而言，其寒暑假被利用的机会更多，如研究、学习等，而寒暑假恰恰是一年中温湿度最不舒适的季节，尤其是夏季，酷暑难耐，是使用空调设备最多的季节。良好的遮阳设计不仅可以极大地提高

室内环境的舒适度，还节约能耗。

2.2 调研工具及方法

实地调研测试的内容主要包括采取遮阳情况下室内的温度、照度、风速等。考虑太阳辐射及窗户传热特点，以西向、东向和南向教室为主，北向不作考虑。考虑日常教学安排，确定教室遮阳测试的有效时间为上午9时到下午5时。

针对调研要素选择的主要测试工具为风速仪和照度计，其中风速仪可以兼测温湿度和风速。测试方法是:从上午9时至下午5时，在全自然条件下，每隔一小时测一次。对于温度和风速，风速仪的风速感应器开口对应风来的方向，离地大约1.2 m高度处，室内外同时操作，连测三次，分别记录风速和温度数据；对于照度，将照度计的光检测器放在桌面高度(约0.80 m)处，室内外同时测。室内沿进深方向均匀分布三个点，分别测其照度，连测三次，记录数据。

2.3 前期调研概况

重庆地区高校教学建筑遮阳的调研现状如表1所示。为记录方便，表中将7个学校的名称进行简称。四川美术学院简称“川美”，西南政法大学简称“西政”，重庆大学虎溪校区简称“虎溪重大”，重庆理工大学简称“理工大”，重庆工商大学简称“工商大”，重庆师范大学简称“重师”，重庆交通大学简称“重交大”。由表3内容可知，“川美”的东向教室理论上宜采用挡板式的遮阳，实际上采用了竖直百叶遮阳；“西政”的西南向教室理论上宜采用综合式遮阳，实际上采用了水平式遮阳；“重交大”南向教室理论上宜采用水平式或综合式的遮阳，实际却采用了垂直式遮阳。因此，这三个院校均采取了不当的遮阳方式，笔者不对其做进一步实地测试，而只对其他四个院校进行测试研究。

表1 重庆地区高校教学建筑遮阳前期调研

续表

调研对象建筑方位朝向建筑立面立面朝向理论上宜采用遮阳形式实际采用遮阳形式恰当与否西政(博学楼)南偏西综合式水平遮阳不恰当虎溪重大(一教)南向、西南水平式、综合式综合遮阳恰当工商大(慧智楼)西南向综合式综合遮阳恰当理工大(博园一号楼)南向水平式、综合式遮阳综合遮阳恰当重师(一教)南向水平式、综合式综合遮阳恰当重交大(一教)南向水平式、综合式垂直遮阳不恰当

3 教学建筑遮阳现状分析

3.1 遮阳实测数据分析

3.1.1 重庆师范大学一教——南向

重师一教南向教室采用综合式遮阳。图中测点1、测点2、测点3分别是室内沿进深方向均匀分布的三个点。实地测试过程中无直射光进入室内。由图1a可知，在最热的时间段12—14点，室内外温度基本接近。由图1b可知，当室外最大风速为0.63 m/s时，室内风速为0.04 m/s，其他时间都低于0.04 m/s。由图1c可知，室内外照度相差很大，但是图1d中靠外窗的测点1照度远远大于测点2、3的照度。经计算，室内天然光照度变化范围为653～1 969 lx，室内采光系数为3%～6%。

图1 重庆师范大学南向遮阳数据统计图

3.1.2 重庆大学虎溪校区一教——西南向

西南向教室采用了综合式遮阳，观察记录显示，15点—17点有直射光进入室内。由图2a可知，在最热时间段12点—14点室内温度比室外低近1度；由图2b变化曲线可知，室外风速在1.29～3.29 m/s时，室内风速为0.4～0.5 m/s，其他大部分时间都处于0.4 m/s以下。由图2c可以看出室内外照度相差很大，但是图2d中靠外窗的测点1的照度远远大于测点2、3的照度。经计算，室内天然光照度变化范围为1 416～2 941 lx，室内采光系数为4%～8%。

图2 重庆大学虎溪校区西南向遮阳数据统计图

3.1.3 重庆工商大学慧智楼——西南向

慧智楼西南向教室采用了综合式遮阳。观察记录显示，15点40左右有少量直射光进入室内，其他时间都能很好遮阳。由图3a可知，整个测试时间段里室内外温度基本持平。由图3b可知，室内风速16点时最大，为0.3 m/s，其余时间都低于0.16 m/s。由图3c可以看出，在最热时间段12点—16点室内外照度差值最大。图3d中，经计算，9点—10点室内照度值在386～427 lx之间变化，其他时间都≥450 lx，室内采光系数为3%～8%。

图3 重庆工商大学遮阳数据统计图

3.1.4 重庆理工大学博园一号楼——南向

一号楼南向教室采用了综合式遮阳形式，整个测试过程室内无直射光进入。由图4a可知，在最热时间段12点—14点，室内外平均温度均在32.5 ℃左右，相差不大；由图4b可知，当室外最大风速为0.29 m/s时，室内风速为0.08 m/s，其余时间都低于0.06 m/s；由图4c可以看出室内外照度差值较大；图4d中，经计算，室内天然光照度在1 029～2 352 lx之间变化，室内采光系数为4%～12%。

图4 重庆理工大学南向遮阳数据统计图

3.2 遮阳现状评价

3.2.1 遮阳相关评价标准

外遮阳的设置将直接或间接的影响室内温度、采光、通风等，因此，遮阳效果的评价必须同时分析遮阳设施对室内光、热及风环境的影响效果，利用相关指标对其进行综合评价。

1)遮阳效果。遮阳设施最基本的作用是能遮挡进入室内的直射光。因此，一般根据其能否在各个朝向过热的时间段里(室内气温在以29 ℃以上，太阳辐射强度大于 240 W/m3)达到满窗遮阳作为遮阳效果的评判标准，在实地测试过程中可通过观察记录遮阳设施遮挡直射光入射的效果及室内阴影变化来判断。

2)照度。GB 50033-2013《建筑采光设计标准》中以采光系数和室内天然光照度作为采光设计的评价指标。标准规定:教育建筑的普通教室侧面采光的采光系数①不应低于3%，室内天然光照度不应低于450 lx，侧窗采光均匀度不作规定。

3)通风效果。室内通风效果一般以人员呼吸区的风速和室内气流分布作为评价指标。遮阳构件对室内通风舒适度的影响情况一般可以几个区间进行判断:风速为0～0.25 m/s时，人体感觉不到风；0.25～0.50 m/s时，舒适，不影响工作；0.50～1.0 m/s时，一般舒适，需提防薄纸被吹散；1.0～2.0 m/s时，有风，稍微不舒适，纸张被吹散；>2.0 m/s时，风速偏大，不舒适，学习工作受影响，需改正风量及控制风的路径。

3.2.2 教学建筑外遮阳现状评价

根据遮阳相关评价标准，从以下几个方面对教学建筑外遮阳实测数据进行评价。

1)遮阳与建筑朝向——大部分教室采用了合理的遮阳形式，但测试过程中仍有直射光进入室内，未能达到满窗遮阳。原因可能是未根据太阳高度角确定遮阳板尺寸，如:西南向教室正确的采用了综合式遮阳，但因其出挑尺寸不够而未达到满窗遮阳。

2)遮阳与隔热——调研数据显示，虽然有些遮阳形式达到了满窗遮阳，但是在最热时间段室内外温差相差并不大。一是因为紧贴着墙面的实心遮阳板阻止了室外热空气上升而反射进入室内使温度升高；二是室内通风不畅，热空气无法及时排走。

3)遮阳与通风——根据通风效果评价标准，舒适风速范围为0.25～0.50 m/s，而调研数据显示大部分时间室内风速处于0.25 m/s以下，因此，教室通风效果比较差，一是因为大部分教室内墙未设高窗，无法形成空气对流；二是遮阳板缺乏对自然通风的引导设计。

4)遮阳与采光——调研数据显示，室内外照度差值较大，说明遮阳起到了很好的遮挡太阳辐射的作用，并且大部分教室室内天然光照度能满足规定的标准照度值(≥450 lx)，室内采光系数也满足标准规定(≥3%)。虽然天然光是千变万化的，不能用采光均匀度来评价，但在设计中应尽量采取措施提高室内深处的照度，以改善整个教室的采光质量。

5)遮阳与视野——测试的教室中遮阳形式较为简单，对视野影响不大。

6)遮阳调节方式——遮阳均为固定式，应对气候和季节变化不够灵活。

综上可知，目前，重庆地区的教学建筑遮阳在建筑朝向、隔热、通风、采光及调节方式等方面存在诸多问题，应采取相应的措施对其进行优化及改善。

4 教学建筑遮阳改善措施

4.1 遮阳与建筑朝向

遮阳形式与窗口朝向和太阳高度角有关。一般情况下，南向窗口宜采用水平式遮阳，可有效遮挡高度角较大、从窗上方投射下来的阳光；东南向或西南向的房间宜采用综合式遮阳，可有效遮挡高度角中等、从窗口前方斜射下来的阳光；东向或西向的房间宜采用挡板式遮阳，能够遮挡高度角较小、正射窗口的阳光；东北、西北、北向宜采用垂直式遮阳，能有效遮挡高度角较小，从窗侧面斜射过来的阳光。此外，也可根据环境情况有效组合几种遮阳形式。

4.2 遮阳与隔热

根据热反射原理，为了防止室外的热空气因上升受阻而反射进入室内，宜采用空隙较多的遮阳板，产生的气流有利于带走室外热量。因此，水平遮阳宜选用格栅或者镂空的遮阳板。此外，遮阳设施的颜色和材质亦能影响遮阳设施对太阳辐射的吸收率。一般而言，外表面颜色较浅的遮阳设施可以降低对太阳辐射的吸收，隔热能力较强。透射率和吸收率较低、反射率较高的材质亦能提高遮阳的隔热能力。

4.3 遮阳与通风

调研中教学楼的遮阳板多与墙面紧紧相连，这会使风向直接被引导至室内的天花板而不流经人的活动区域。如果遮阳板与墙面隔开一段距离或者高于窗口，则可使风向被引导至室内下方人活动的范围，从而改善室内的通风状况。另外，也可通过在教室内墙适当高度设置高窗来加强空气流通。

4.4 遮阳与采光

虽然遮阳措施可以遮挡直射光，降低室内靠窗处的照度，防止眩光，但是室内深处的照度也会受到影响，在阴雨天更为不利。这就需要遮阳板有一定的导光功能，如可以利用采光搁板作为遮阳板，使窗口附近的直射光经过一次或多次反射进入室内，从而使整个房间的照度和照度均匀度得到提高，也可以利用VALRA系统②来提高室内进深较大空间的照度。

4.5 遮阳调节方式

固定式遮阳成本低，但是不能根据季节、天气或一天的日照变化进行调整以满足室内环境(如采光与热流控制等)的需求，缺少灵活性。可调节式遮阳可以根据季节、时间的变化以及天空的阴晴情况，任意调整遮阳板的角度或朝向。对于教学建筑而言，遮阳形式宜简单，方便使用对象操作，否则一旦出现调节故障，反而起不到应有的节能效果。因此，教学建筑应采用百叶与其他遮阳形式进行配合控制，在遮阳的同时也可以丰富建筑立面造型。

5 小 结

笔者通过对重庆地区高校教学建筑遮阳的现状调研和数据分析，总结了当前夏热冬冷地区教学建筑遮阳存在的一系列问题，如遮阳形式设置不合理，遮阳与隔热、通风、采光存在矛盾，遮阳均为固定式，调节不灵活等。然后相应提出了改善遮阳的建议，如根据建筑朝向合理确定遮阳形式，采用空隙较多的遮阳板带走过多的室外热量，合理设置遮阳板的位置以引导通风，利用采光搁板作遮阳板来提高室内照度均匀度等。下一步将对冬季的遮阳效果进一步调研，并对阴天室内照度的数据进行补充，以完善遮阳对采光的影响研究。

注释:

①采光系数——室内照度与室外照度的比值。标准中规定的采光系数标准值和室内天然光照度标准值均为参考平面上的平均值。

②VALRA系统——英文全称variable area light reflecting assembly，是一种高效的挡光板反射系统。它的挡光板是一层反射率很高的塑料反射薄膜，能最大量的反射直射阳光。薄膜由一个移动的滚轴控制，无论太阳高度角如何变化，都能将阳光反射至较深处的室内顶棚，从而能使从地板到窗顶距离的 4 倍的房间深处也可以保持足够的照度。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50033—2013建筑采光设计标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2012

[2] 邓盼盼.建筑遮阳节能计算及对自然通风影响的研究[D].重庆交通大学,2011

[3] 柳孝图.建筑物理[M].北京:中国建筑工业出版社，2000

[4] 宋德萱.遮阳+自然通风—一种建筑环境控制的协作方法[M].北京:中国建筑工业出版，1993

[5] 李海英，白玉星等.生态建筑节能技术[M].北京:中国电力出版社,2007

[6] 崔泽锋.建筑遮阳方式研究[D].哈尔滨工业大学,2008

Analysis and Improvement Measures of the Shading of Teaching Buildings in Chongqing Area

HUANG Haijinga,b, WANG Yajinga

(a.KeyLaboratoryofMountainTownConstructionandNewTechnology,MinistryofEducation,
SchoolofArchitecture,ChongqingUniversity,Chongqing40045;
b.CollegeofArchitectureandUrbanPlanning,ChongqingUniversity,Chongqing40045,P.R.China)

Building shading is a very important means of energy saving. For the teaching building, reasonable shading design can not only adjust the solar radiation, reduce the energy consumption of air conditioning, but also can avoid glare, improve indoor visual comfort; however, shading design improper may cause a certain impact on the indoor lighting, ventilation or vision etc.. Taking Chongqing as an example, through the investigation and analysis of the present situation of the teaching building of the sun, and summarized the existing problems, and puts forward the corresponding improvement measures, so as to provide a reference for the teaching of architectural shading design in this area.

teaching building; sun shading; current situation investigation; improvement measures

2016-04-25 作者简介：黄海静，女，重庆大学建筑城规学院副教授，博士，博导，主要从事绿色建筑设计及技术科学研究，(E-mail)cqhhj@126.com。