现代建筑遮阳技术应用中的关键问题

2019-05-28赵群李峥嵘ZHAOQunLIZhengrong

世界建筑 2019年4期

赵群，李峥嵘/ZHAO Qun, LI Zhengrong

1 遮阳技术的发展与应用

遮阳技术是一项古老的被动式节能技术。工业革命之前，遮阳系统多与建筑融为一体，例如传统建筑中的挑檐、花格窗以及柱廊等这些兼具多重功能的建筑元素不仅满足了遮阳的要求，还创造了独特的视觉效果。随着工业化发展和技术的进步，建筑遮阳在勒·柯布西耶等一些大师的创新、发展和传播下，在功能性和建筑美学上发挥了重要作用，甚至出现了“遮阳美学”的研究[1]。

1970年代的能源危机再次唤起建筑师对建筑遮阳设计理念的兴趣，伴随着新技术和新材料的发展，建筑遮阳得到了更大的创新。建筑师将遮阳技术手段转化为形态设计手法，在不同的平面与体量之上，结合建筑类型、建筑构件探索各种技术组合的可能性[2,3]，不仅使建筑获得新的形式与意义，而且还获得良好的节能效果。

在高度工业化的欧洲和北美，遮阳形式与建筑立面融合设计已非常系统化，建筑师充分利用遮阳产品与构件的最新成果，展开遮阳与建筑一体化设计实践，完整体现了贯通一体的设计方式[4]。因此，国外建筑遮阳技术、形式和产品发展迅速。

遮阳技术在我国现代建筑中的推广应用得益于国家和地方节能标准的强制实施。由于气候因素，遮阳应用首先体现在我国南方地区的节能标准中。随着遮阳产品设计和功能的多样化，北方地区也涌现诸多案例。节能已经成为遮阳技术应用的主要标签，而其对室内环境舒适度的贡献尚没有引起足够重视。本文试图从现代建筑应用角度，分析遮阳技术运用中的几个关键问题。

2 多层玻璃窗的应用对于建筑外遮阳节能效果影响

建筑外遮阳技术一直被认为是降低空调负荷的关键技术之一。很多研究工作也证明了这一点。但是，随着超低能耗建筑的大力发展，建筑对围护结构的要求越来越高，透明围护结构的性能提升显著，除了传热性能和气密性能外，多层玻璃的使用导致窗户自身遮阳性能迅速提高，在这种背景下，对建筑遮阳设施或者遮阳构件的设计和选择提出更高要求。

本节通过一个位于上海的建筑模型，采用软件E+对该问题进行分析，阐述建筑外窗构造变化时，对外窗太阳得热系数、建筑负荷与外遮阳节能效果的影响。

1 建筑模型示意图

2 5种外窗遮阳构造建筑全年空调负荷值

表1 模型建筑围护结构热工参数

表2 5种外窗构造及参数

建筑模型如图1所示，围护结构热工参数见表1。模型建筑标准层面积取1200m2，长宽比2∶1，建筑层高4.8m，4个朝向窗墙比都取0.3，气密性指标n50为0.2h-1。参考《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015），冬夏季的室内设计温度分别为20oC和26oC，室内温度控制时间为7∶00—18∶00，照明功率密度设置为9W/m2，室内无其他发热源。

与其它工况相比，工况1和2的外窗太阳得热系数基本不变，仅外窗传热系数变化，建筑空调负荷值变化较小；而外窗太阳得热系数变化较大时（工况3、4和5），建筑空调负荷值出现大幅度降低。可见，对于夏季空调负荷，外窗太阳得热性能是重要的关键因素。

超低能耗建筑技术的发展，导致多层玻璃窗广泛推广，其自身太阳辐射得热系数大幅降低，外遮阳设施的节能效果则相对弱化。例如，为上述5种窗户设计百叶外遮阳设施，其性能参数见表3。为简单起见，本部分认为外遮阳仅作用在夏季，故外遮阳百叶使用时间段为6-8月，模拟结果如表4所示。

显然，随着外窗构造层数的增加、以及Low-E技术的应用，外窗自身遮阳性能不断提高，导致建筑外遮阳对建筑负荷降低的贡献率逐渐减少。对于3层玻璃外窗，百叶外遮阳对空调负荷降低的贡献率仅为6.5%。

当然，外窗自身遮阳性能具有不可调节性，仅适用于全年都需要遮阳降温的地区，对于夏热冬冷地区，如何权衡冬夏矛盾，在窗户性能与遮阳技术应用之间寻找平衡点，是该地区节能设计必须考虑的一个问题。

3 遮阳对于室内环境影响

遮阳技术对室内环境的影响主要通过调节进入室内的太阳辐射得热与光通量，因此直接影响室内光环境和热环境的营造效果。

3.1 遮阳对室内光环境的影响

正如上文所述，遮阳技术在中国的推广源于夏季节能需求[5,6]，冬季似乎不具有存在价值。以上海某南向办公室内卷帘为例（图3），当遮阳帘完全收起（0%的关闭率），理论上可以最大限度利用太阳辐射能，室内照度达标率[7]（＞450lux）也更高。

事实刚好相反，在非常普及的空调建筑内，遮阳卷帘很少全部收起。冬季太阳高度角较小的太阳辐射可以更深更多地进入室内降低采暖负荷，同时也带来其他隐患——光环境的不舒适[8]。图4是作者针对上海地区办公建筑长居人群室内环境满意度的一项调研，结果显示眩光已经成为困扰办公人群的主要环境问题。

图5反映了室内中轴线进深2m处南向视野的全年眩光情况。其中DGP（daylight glare probability）是描述日光眩光可能性指标。该指标综合考虑了眩光源在人眼处的垂直照度和视野环境内的亮度对比度，当DGP值大于0.4时即认为出现“不可接受的眩光”。

从图中可发现11月-2月是眩光现象最严重的4个月，该时间内眩光出现小时数占工作时间段总时数的67%。

如果以上述考察点眩光是否出现作为控制遮阳卷帘的依据，并简单认为：“不可接受眩光”出现时即操作遮阳帘，且卷帘的垂直高度恰好遮挡一半窗户。同时假设：眩光现象消失时无人再次操作卷帘，其状态维持不变。容易得到该建筑遮阳卷帘全年的开关状态（图6），以及该考察点全年眩光的新分布状态（图7）。结果显示，遮阳帘下垂高度达到窗户一半的情境下，可以基本消除该考察点夏季和过渡季的眩光现象，并极大缓解了冬季眩光的出现频率。

图8反映了该调控策略使用后模型建筑全年UDI[9]分布区间的变化，即室内过度采光的现象（UDI＞2000lux）得到了显著缓解，可以降低至10%以下，同时有效采光指标UDI100～2000lux可以维持在70%左右。

3.2 遮阳对室内热环境的影响

通常认为温度、湿度、风速和平均辐射温度是影响室内热环境舒适程度的主要环境参数，在空调建筑中，人对于温度最为敏感。但是，建筑技术的发展催生了很多大窗墙比建筑，该类建筑增加了室内太阳直射辐射的影响范围和影响强度，在建筑外区造成明显的不舒适的热辐射问题。

图9为人体在室内辐射换热过程示意图，人体接收到太阳直射辐射、太阳散射辐射、周围壁面长波辐射，同时人体向外发射长波辐射。

表3 建筑固定百叶外遮阳参数

表4 5种外窗构造下建筑有无外遮阳空调负荷数值

3 不同遮阳帘关闭率下的室内照度达标情况

4 办公建筑遮阳调节问卷调研

5 考察点全年眩光水平

6 基于考察点眩光控制的全年遮阳帘启闭情况

7 应用遮阳控制后的考察点全年眩光水平

8 基于眩光的遮阳控制使用前后UDI区间比较

9 人体在室内的辐射换热示意图（图片来源：参考文献[10]）

为了反映太阳直接辐射对室内辐射热环境的影响，室内平均辐射温度计算采用新平均辐射温度计算模型[10]，该模型考虑了太阳辐射对人体的直接作用，见下式（1）：

式中

N ——室内壁面离散数量；

M ——室内玻璃幕墙离散数量；

Fs-i——人体与壁面i的角系数；

Fs-j——人体与玻璃幕墙壁面j的角系数；

Ti——壁面i的内表面温度；

αdir——人体直射辐射吸收率；

αdif——人体直射辐射吸收率；

fp——人体在太阳直射方向法平面上投影面积与人体表面有效面积比值，Ap/Ar，为人体在太阳直射方向法平面上的投影面积，m2， Ar为人体有效面积，m2；

Idir——到达人体表面的太阳直射辐射强度，W/m2；

Idif,j——玻璃幕墙壁面j内表面上散射辐射强度，W/m2；

εs——离散壁面i的表面发射率；

σ——斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67×10-8，W/（m2·K4）

对于使用遮阳的房间，太阳直射辐射受到遮挡，通过窗户体系进入室内后失去方向性成为散射辐射，因此遮阳房间的平均辐射温度MRT的计算式变化为下式（2）：

由式（1）与（2）可知，角系数与辐射得热两个参数对于平均辐射温度的计算至关重要。当太阳辐射经透明围护结构进入室内后直接作用于室内壁面，根据光线追踪原理，太阳光斑在室内分布必然具有不均匀性[11]。对人体而言，处于太阳辐照区内的平均辐射温度必将远远高于非直射区的平均辐射温度，因此近窗区域易出现过热现象[12]；同时，室内平均辐射温度分布出现明显不均匀，引起热不舒适。

选取上海地区某南向玻璃幕墙房间为例，该房间长3m、进深4.5m、高3m。图10为秋分日12∶00正午时刻使用遮阳前后南向房间室内0.8m坐姿高度处的平均辐射温度。

显然，未使用遮阳情况下，平均辐射温度最高值达38.2oC，位于室内近窗位置，而远窗位置的平均辐射温度为32.1oC，均在人体舒适范围之外。使用遮阳后，平均辐射温度明显降低，内、外遮阳房间近窗位置的平均辐射温度分别降低5.4oC和11.6oC。说明遮阳技术对于室内辐射热环境的改善效果明显，而且外遮阳技术在热调控方面优势突出。

图11则描述了该房间近窗区域与远窗区域平均辐射温度全年分布情况。未使用遮阳时，近窗位置的平均辐射温度可达48oC，远窗点夏季平均辐射温度波幅小于近窗点，而由于冬季太阳直射照射进深增加，远窗点的平均辐射温度波动也迅速增加。遮阳设施不仅可以降低近窗点平均辐射温度峰值（下降10.9oC），而且显著降低了近、远窗点平均辐射温度差值，促使室内辐射温度场趋于均匀。

4 建筑管理与遮阳调节

遮阳设施的可调性一直被认为是其重要优势，正因为可调性的存在，可以根据气候和天气变化的特点，满足建筑光热环境调节的需求，实现节能目的。但是研究表明[13]实际办公建筑中遮阳设施的调节频率非常低，室内人员对遮阳调节具有一定的“消极性”[14]，往往无法完全发挥遮阳应有的价值，无法完全落实原设计意图，导致遮阳的效果往往远低于理论分析预期，因此如何通过建筑管理优化遮阳调控策略成为节能建筑无法回避的一个问题。

目前，采用“远程控制”或者“自动控制”替代传统的“手动控制”已经成为有效提升遮阳技术应用潜力的一种趋势[15]。在控制策略的研究与工程应用中，多以遮阳电机运行与信号传输为主，属于机电类研究领域[16]；或与照明系统耦合，仅考虑人员在室情况，建立相应控制策略[17]。综合考虑室内光、热环境调控目标，以及在室人员需求的遮阳控制策略则相对较少。

4.1 在室人员遮阳调控行为的分类

从建筑管理角度研究遮阳的调节行为，首先需充分了解导致遮阳调控行为产生的驱动因素，对遮阳行为进行准确的描述，进而识别人员关于遮阳调节行为的习惯和偏好，帮助其改善室内的光热环境，并减少建筑的运行能耗。

通过现场调研及文献综述，可将导致遮阳行为产生的驱动因素分为两大类：时间相关的驱动因素与物理环境相关的驱动因素。

具体来说，时间相关的驱动因素可以理解为人员的调节行为习惯，即人员的习惯动作。例如当某人早晨上班进入房间时，发现遮阳处于完全下拉状态，他（她）会“下意识”地将其上拉；或者当某人准备午休时，发现遮阳处于收起状态时，他（她）会将其下拉。换句话说，这一时刻产生的遮阳调节行为，并不是由于人员对当前的室内光热环境不满导致的，而是一种“下意识”的行为，或者有其他目的需要而导致的行为。

物理环境相关的驱动因素，则与前者不同，是对当前的室内环境产生不满，想通过对遮阳的调节进行改变。可以理解为是一种对室内环境的偏好。该类驱动因素所导致的行为，并不一定与时间相关，而是与室内外环境参数的动态变化相关。

综上，在室人员遮阳调节行为可以分为习惯性和偏好性两种。

4.2 遮阳控制情境的提出与控制策略建议

为了准确描述与识别人员对于环境与遮阳的偏好与习惯，笔者认为可将上述导致行为产生的驱动因素提炼为不同的情境，从而量化识别对象，作为遮阳控制的基础。并通过不同“情境”的耦合，进而生成相应的遮阳控制策略，可最大限度挖掘遮阳技术对于节能与提升室内环境质量的潜力，并减少人员的“误操作”。

与遮阳控制相关的情境可分为人员、时间、季节、天气。具体来说，将人员分为有人、无人（上班期间）、无人（下班期间）3种情境；将天气分为晴天、阴天、极端天气（雨雪大风天气）3种情境；将季节分为冬季、夏季、过渡季3种情境；将时间分为上午上班、下午上班、午休、下班、加班5种情境。通过上述情境的结合，建立遮阳控制逻辑。