国内外建筑遮阳设计实践与研究进展

2019-05-28林波荣张沁宜LINBorongZHANGQinyi

世界建筑 2019年4期

林波荣，张沁宜/LIN Borong, ZHANG Qinyi

根据维基百科定义，遮阳指的是对阳光（特别是直射的阳光）进行遮挡的物体，建筑遮阳通常指屋檐、遮光帘、百叶、窗帘等建筑构件。遮阳系统作为一种活跃的立面元素，自出现之后便被建筑师灵活应用，既产生了丰富的动感形象，彰显了建筑立面的时尚精神，也充分体现了现代技术解决人类对绿色、健康、节能和享受自然需求而创造产生的一种新的现代建筑形态。

采取遮阳措施的益处是显而易见的：能阻挡直射阳光透过玻璃进入室内，防止阳光过分照射和加热建筑围护结构，为室内营造舒适的热环境，降低空调能耗。同时还能防止直射阳光造成的强烈眩光，使室内照度分布比较均匀，有助于视觉的正常工作。对周围环境来说，外遮阳也是避免光污染的有效措施。

近些年来，伴随着绿色建筑和现代科技的快速发展，建筑遮阳的新形式不断涌现。本文从新型建筑遮阳设计实践、绿色建筑和建筑节能标准对建筑遮阳的新要求、遮阳性能实测与模拟分析，以及遮阳控制策略等角度，梳理总结了近5年国内外建筑遮阳的实践和研究进展情况。

1 建筑遮阳的基本形式

从遮阳的方式和放置位置来看，遮阳主要分为以下几个种类：选择性透光遮阳、内置式活动遮阳（包括内遮阳、嵌入式遮阳、双层皮夹层遮阳等）、外遮阳和绿化遮阳等。不同的遮阳方式具有不同的遮阳特性，且适用于不同地区、不同朝向，各种遮阳方式的形式、特性描述表1所示。

表1 遮阳类型简介

2 新型建筑遮阳设计实践

近5年来，新型建筑遮阳层出不穷，它们的设计从改善建筑室外微环境、加强对太阳能的利用、优化调节性能和为优化室内光环境进行的遮阳形态优化等方面着手进行，对遮阳形式进行进一步的改进和创新。新型遮阳的设计形式与建筑地区、建筑功能相关。主要的改进基础即为以上几种遮阳的形式，在此基础上进行的创造发展。新型建筑遮阳的设计和应用具体包括：

（1）光伏发电与建筑遮阳一体化。即结合光伏遮阳构件的组成，对建筑遮阳和光伏一体化设计的策略和应用进行探索和实践。光伏发电与遮阳一体化常见的应用形式有百叶式光伏幕墙系统、双通道光伏玻璃幕墙系统、采光屋顶太阳能遮阳系统和光伏遮阳阵列等[1]。广州珠江城大厦项目在东西向遮阳百叶中结合应用多晶硅太阳能光伏发电板、顶部采用多晶硅太阳能光伏夹层-中空玻璃幕墙实现节能。珠江城大厦将光伏板与遮阳的窗檐相结合，扩建的美国德克萨斯州的金贝尔美术馆则在其复杂的屋顶系统上运用了集成光伏板的铝制百叶。

（2）太阳追踪自动遮阳。即根据阳光照射情况自动对遮阳设备进行调节，实现遮阳效果。目前的应用案例有广州的发展中心大厦等，国外也对相应的遮阳调控策略进行了研究。

（3）遮阳与再生水蒸发技术的结合。在日本东京的索尼大崎大厦中，其外遮阳百叶由陶土制成，在夏季通过自然蒸发作用，其百叶表面温度比常用铝质百叶平均低5～6oC，改善了建筑的室外微环境，同时降低了建筑的能耗。

（4）采光顶中空玻璃内置金属板网遮阳。该项创新适用于大规模采光顶，其中金属板网置于玻璃中空层内，具有可操作性、维护性佳的特性。北京大兴国际机场采光顶采用这种遮阳方式，并通过参数化设计确定了最优的遮阳网形状，保证更多光线进入，同时减少直射阳光进入。

（5）优化性能导向的固定遮阳板。深圳华侨城大厦建筑幕墙采用落地窗和固定遮阳板组成，通过遮阳板的变化，形成动态的立面效果。在方案设计过程中，通过定量分析遮阳板的遮阳性能，优化建筑的立面。

（6）垂直绿化遮阳。天友绿色设计中心建筑外立面的垂直绿化不仅可以实现遮阳效果，还在景观上实现了优化。尼科西亚城市中心的标志性建筑“白墙”南立面约80%的面积覆盖了垂直景观，在夏季实现遮阳防护。越南的纳曼百碧林度假酒店所有立面均采用了绿化遮阳的方式，强调与自然的亲近。

（7）单元式双层内呼吸幕墙自动遮阳系统。其中遮阳百叶的智能化控制根据建筑所在地理位置，立面朝向，太阳实时高度角和方位角并读取阳光感测器所提供的数值，经过电脑软件分析后，自动调节百叶的角度，特殊情况具备人为干预及定时功能，典型应用案例为位于北京奥林匹克公园的亚洲基础设施投资银行。

（8）CTS中控遮阳百叶窗。位于丹麦海泽胡瑟讷的DSV新总部在建筑立面玻璃窗外安置该设备，实现对外遮阳的自动调节控制。

（9）双向轴电动百叶遮阳系统。该遮阳方式可以实现百叶水平和垂直两个方向上的同时移动。位于德国埃森的蒂森克虏伯楼采用的这种新型遮阳方式，既可以防止建筑内部过热，又可以让室内视野不受影响。

（10）可调电动穿孔铝板外遮阳。奥地利的基弗技术展厅对这项技术的运用兼具美观性和功能性，其独特的外形作为公司的形象展示，而其调节功能使其可以根据日照调整采光和视野。

（11）建筑空间转向主动采光调节。伊朗的沙里夫哈住宅采用了旋转体的形式进行建筑设计，通过房间朝向的旋转，可以主动调节房间的采光情况。

（12）瓦幕墙系统的表皮运用。广元千佛崖摩崖造像保护建筑实验段工程具有特殊的建筑功能，其主要目的在于对石窟进行保护，采用瓦幕墙表皮确保了空间的通透性，且遮挡了西晒的直射阳光。

（13）遮阳与太阳能集热器相结合。将集热器集成在外遮阳设备上，不仅可以达到遮阳效果，还可以实现对太阳能的有效收集。罗松琴对夏热冬冷地区的某医院进行了遮阳设备集成太阳能集热器的性能测试，结果表明，该新型遮阳设备可以实现夏季100%的医院生活用水供给和过渡季31.7%、冬季10.8%的热水需求[2]。周鼎金（CHOU Ding-Chin）对中国台湾地区将水平百叶遮阳装置与太阳能集热器集成的装置进行了研究，发现集热器的各项效率指标均符合台湾省政府的相关标准，但仅适用于南向的窗户[3]。

1 嵌入式遮阳百叶

2 双层皮幕墙夹层遮阳

3 竖向遮阳（上：垂直式，下：倾斜式）

4 不同类型挡板遮阳（上：固定挡板，下：推拉挡板）（1-4图片来源：作者提供）

5 珠江城大厦，窗檐光伏一体化

6 金贝尔美术馆扩建，屋顶光伏一体化

7 发展中心大厦，太阳追踪自动遮阳

8 索尼大崎大厦，再生水蒸发技术（5,6,8图片来源：广州市设计院）

9 大兴国际机场，内置金属板网遮阳（摄影：王亦知）

10 华侨城大厦，优化性能导向遮阳板（图片来源：KPF建筑事务所）

3 绿色建筑和建筑节能标准对于遮阳的新要求

由于建筑遮阳会影响太阳辐射得热进而影响建筑的性能，同时也会对室内人员的视觉舒适度产生影响。出于节能和提升室内环境品质的考虑，绿色建筑相关标准对遮阳部分也分别提出了明确的要求。表 2 中对部分国际绿色建筑标准中涉及遮阳的条文进行了汇总。可以看到，在所有涉及光环境舒适度的相关标准中，均涉及了天然光的眩光和相应的设备控制要求，说明在室内光环境营造的过程中，遮阳设备作为改善眩光的工具，是必不可少的组成部分。同时，部分标准中也对遮阳在能耗方面的影响做出了要求，要求遮阳的设置不应增加建筑的照明能耗。

此外，国内《绿色建筑评价标准》（2019）在2014年版本的基础上针对遮阳也进行了一定的调整。《绿色建筑评价标准》（GBT 50378-2014）共有两个部分提及遮阳条文，分别设置于“室外环境”和“室内热湿环境”部分，主要包括停车场所的遮阳措施要求和可调节遮阳措施要求。2019年新版本的标准中总共3条遮阳条文，分别设置于“安全耐久”和“健康舒适”部分，其中两条是针对外遮阳安全要求的新增条文（控制项和评分项各1条）；还有一条位于“健康舒适”部分，在旧版的基础上对可调节遮阳措施要求的条文进行了调整，增加了可调节遮阳措施的评分阶梯。从国家标准中可以看出，遮阳作为一种减少太阳辐射得热的手段，在评分中占有较大比例；而改进的标准进一步强调了对遮阳耐久性的要求和在舒适度方面的影响，对其调节功能有更高的标准限定。相关条文如表3所示。

11 天友绿色设计中心，PC与垂直绿化遮阳（图片来源：天友建筑设计股份有限公司）

12“白墙”，垂直绿化遮阳（摄影：Yiorgis Yerolymbos）

13 纳曼百碧林度假酒店，垂直绿化遮阳（摄影：Hiroyoki Oki）

14 亚洲基础设施投资银行，双层内呼吸幕墙自动遮阳（图片来源：清华大学建筑设计研究院有限公司）

15 DSV新总部，CTS中控遮阳百叶窗（摄影：Tomas Bertelsen）

16 蒂森克虏伯楼，双向轴电动百叶遮阳（图片来源：JSWD/Chaix&Model）

17 基弗技术展厅，可调电动穿孔铝板外遮阳（摄影：Paul Ott）

18 沙里夫哈住宅，建筑空间转向采光调节（摄影：Salar Morahari）

4 遮阳性能实测和模拟新进展

遮阳在建筑中的应用不仅起到遮挡太阳直射、防止眩光、提升室内人员视觉舒适度的效果，还会对建筑的室内温度、照明能耗、空调系统能耗产生影响。一个合理的遮阳设计可以有效提升建筑的运行性能，带来极大的节能空间。建筑模拟作为一个有效工具，常被用来进行遮阳性能的评估，常用的模拟软件有光环境模拟软件Ecotect、Radiance、Daysim和建筑能耗模拟软件DOE、EnergyPlus、IES、e-QUEST等。

现有研究常借助模拟的手段，以评估新型遮阳方式的有效性。阿姆里塔·古什（Amrita Ghosh）利用建筑能耗模拟软件EnergyPlus，针对印度加尔各答的热湿气候进行模拟，探究不同形式的遮阳对建筑总能耗产生的影响，并根据当地的全年太阳高度角特性提出了一种新型遮阳布置方法，如图21所示，并有效降低了建筑的年运行能耗（图22）[4]。李丽针对遮阳与太阳能集热一体化的遮阳百叶性能进行了探究。以洛杉矶的一个中型办公室为研究对象，研究其南向窗上的水平集成百叶与东西向窗上的垂直集成百叶进行分析，借助于Daysim和EnergyPlus进行建模，通过模拟发现，该集成百叶的配置可以有效提升单一房间的光照水平；但对建筑总能耗的节省并不明显，3个立面的百叶布置带来了5.3%的总能耗节省；此外，对于水平和垂直方向集成百叶的安装，应尽量避免90%的板条角度，0o-60o之间的角度应作为首选[5]。金东苏（KIM Dongsu）研究分析具有内外遮阳百叶的双层皮幕墙对热环境和采光的影响，通过Daysim对不同内外百叶模型进行模拟，生成百叶升降作息并导入EnergyPlus中，计算年热负荷和照明负荷。结果表明，在使用了双层皮幕墙内置百叶和内外遮阳百叶模型具有降低建筑空调、照明能耗27～52%的潜力[6]。叶云阳的研究针对内遮阳的性能提升。相比于外遮阳设备，内遮阳的控制更加灵活、便宜且易于维修，在实际中的应用性更强。因此，通过EnergyPlus模拟并与实验相结合的方式，探究使用高反射系数材料的内遮阳替换外遮阳的可能性。结果表明，在使用合适材料的前提下，内遮阳系统可以达到外遮阳系统实现的效果，此外还通过灰度关联分析进一步明确了影响内遮阳性能的关键因素，其中，材料厚度、红外透过率、可见光反射率是决定内遮阳性能的最关键因素[7]。

此外，由于不同地区的光照和气候会使得遮阳性能具有巨大的差异性，因此，模拟成为辅助选定该地区最优遮阳方式的重要工具。刘克钦（LAU Allen Khin Kiet）针对马来西亚吉隆坡的一座高层办公楼进行研究，借助于IES（VE）建筑模拟软件，对于不同立面、不同透明围护结构和不同遮阳方式进行模拟，仿真结果表明，在马来西亚炎热潮湿的气候环境下，使用遮阳设备比使用高性能玻璃具有更好的节能效果，且应当在东西立面上优先考虑遮阳设备的安装，板条状的遮阳设施具有比垂直与水平遮阳更优的效果。国内的相关研究集中于不同气候区、特定建筑提出遮阳优化手段[8]。张晓彤选取某国际客运站为研究对象，通过Ecotect进行建模分析，计算主要功能房间遮阳构建对减少太阳辐射得热的贡献率，对建筑的遮阳构件设计进行优化[9]。楚洪亮对上海地区某居住建筑进行模拟，对多种不同参数的遮阳形式进行探究，结果表明，选用透射比为0的可升降活动具有最优的综合节能效果，降低建筑全年总能耗的4.78%[10]。郭而郛利用e-QUEST对寒冷地区遮阳系统进行探究，结果表明，改善遮阳系数并不能有效改善居住建筑能耗，需要借助外遮阳构件以实现较优的节能效果[11]。朱继宏则针对不同气候区，借助e-QUEST分别分析不同窗墙比、窗户类型和不同遮阳板长度对建筑空调采暖能耗的影响，并寻找5个气候区中建筑南向窗墙比、窗户类型和水平遮阳板长度之间的合理匹配关系[12]。

模拟作为遮阳性能研究中的重要工具，同样不可忽视的是模拟的准确性。面对日益复杂的遮阳系统，温特·弗雷德里克（Winther Frederik）提出了几种模拟遮阳设备的方式，并验证了模拟的准确性，解决了模拟软件中对复杂遮阳构件的模拟问题[13]。

19 千佛崖摩崖造像保护建筑试验段工程，瓦幕墙表皮（摄影：五季）

20 弧形遮阳集热设施（图片来源：参考文献[2]）

表2 部分国际绿色建筑节能标准遮阳有关条文标准限定条文

表3 《绿色建筑评价标准》遮阳相关条文及改进相关条文

5 遮阳控制策略研究进展

现有的遮阳手段中，内遮阳、双层皮幕墙中的遮阳百叶和部分外遮阳都具有一定的调节能力，而现有研究已通过模拟说明了对遮阳进行调节在节能上产生的重要影响。李翠以上海14幢办公建筑的944个遮阳调节应用数据为基础，分析办公建筑的遮阳调节行为模型，结果显示，遮阳调节行为具有明显的季节特性[14]。沈长亮针对重庆地区某建筑选取9种不同遮阳调控策略进行分析，通过实验与DesignBuilder模拟计算，发现布艺帘全闭和卷帘全闭是最优的控制策略，具有最高的节能率[15]。赵秀智（CHO Su-Ji）提出了一种可根据使用者控制意图进行控制的外遮阳调节算法，以能耗节省、照明满意率和眩光保护作为三种控制模式的控制目标，仿真实验测试表明，该算法可以实现遮阳调节在节能和视觉舒适度保持之间的折衷[16]。但是玛丽亚·康斯坦托格鲁（Maria Konstantoglou）的研究同样也指出，使用电动百叶的能耗节省取决于控制策略的种类和与可调照明系统的联系，而非一个孤立的调节系统；即便控制策略提升了建筑的性能和人员的舒适度，它们的复杂程度也极大影响了它们的效率，进而影响性能[17]。