苏州地区公共建筑常见外遮阳形式应用效果研究

朱小波（启迪设计集团股份有限公司,江苏 苏州 215021）

人们对建筑舒适性要求的提高以及绿色建筑的发展，推动了各种建筑节能技术的快速发展。与建筑围护结构中的墙体和屋顶相比较，外窗又属于薄壁轻质型构件，因此也成了建筑能耗损失较严重的部位，尤其是夏季通过窗户玻璃的太阳辐射传热，对于室内环境的舒适性有着很大的影响，同时也增加了空调的能耗[1]。不同地区由于气候条件的差异，对于外窗的要求也不同，如夏热冬冷地区对于外窗的夏季隔热以及通风能力的要求严格，热环境条件比较恶劣，东、西、南 3 个方向的墙面在夏季直接受到大量的太阳辐射，通过无遮阳窗进入室内的太阳辐射能占到空调能耗的23%～40%[2]。基于公共建筑耗能大的特点，本文以江苏省苏州地区一公共建筑为例，对其外窗外遮阳形式的应用效果进行探讨研究。

1 外遮阳概述

1.1 遮阳类型

建筑遮阳系统所涵盖的类别比较广泛，包括诸如建筑朝向、植被、外围护结构等，凡是能减少太阳直接辐射热进入室内的均可作为遮阳的因素[3]。建筑外遮阳指设于室外的阳光遮挡物，这也是目前被广泛采用的遮阳方式。外遮阳在形式上又分为水平式、垂直式、挡板式和综合式几种类型[4]，如图 1 所示。

图1 外遮阳的 4 种类型

1.2 不同类型遮阳方式适用范围

根据夏热冬冷地区的热工设计特性，目前常见的外窗遮阳形式及适用场合[5]主要如下。

（1）水平遮阳：遮挡太阳高度角大且从窗口上方投射下来的太阳光，适用于接近南向的窗户。

（2）垂直遮阳：遮挡太阳高度角大且从窗侧斜射过来的太阳光，适用于接近东北、北和西北向的窗户。

（3）挡板式遮阳：遮挡太阳高度角中等且从窗前斜射过来的太阳光，适用于东南向的窗户。

（4）综合式遮阳：遮挡高度角较小且正射窗口的太阳光，主要适用于东西向附近的窗口。

2 案例研究

2.1 案例选择

选择苏州地区一栋办公楼为研究对象，并对建筑能耗损失严重的部位（窗户）变换其遮阳方式进行模拟，考虑其冬夏两季的建筑能耗，分析得出不同方向适用的遮阳方式。由于该地区夏天太阳辐射较强，为了有效地降低空调能耗，对于建筑外遮阳的选取显得尤为重要。基于案例所处地区气候特点，即夏季需要空调、冬季需要采暖，因此活动外遮阳会获得比固定外遮阳更好的效果。

2.2 案例模拟

基于不同类型遮阳方式的适用范围，模拟分为以下几种情境。

（1）南向外窗。由于地理位置、建筑朝向的影响以及人们对建筑外观的追求，南向的窗户面积所占的比例在不断增加，因此该方向的窗户节能问题必须引起密切关注，并同时考虑冬季保温和夏季隔热问题。

水平百叶遮阳：通过变换水平百叶的角度，得出最佳遮阳效果的百叶角。

模拟结果分析：冬季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射量如图 2 所示，冬季不同角透过外窗的总太阳能辐射量如图 3 所示，夏季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射量如图 4 所示，夏季不同角透过外窗的总太阳能辐射量如图 5 所示。由图 2～图 5 可以看出，透过外窗的太阳辐射量都在 13:00 左右达到最低值，且遮阳百叶旋转一定角度时，透过外窗的太阳辐射量均低于水平遮阳；在 12:00 和14:00 左右不同角度的遮阳均达到最大值，且在百叶向上旋转 60° 时，透过外窗的太阳辐射量最大。因此，在冬季，百叶遮阳向上旋转 60° 较为合适。在夏季，分别设置百叶水平，向下旋转 30° 及向下旋转 60°，从模拟数据上来看，百叶的存在使得透过窗户进入室内的太阳辐射量几乎为零。由此可知，遮阳百叶保持水平或向下旋转任何角度，都可以保证室内接收不到太阳辐射。

图2 冬季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射量

图3 冬季不同角度透过外窗的总太阳能辐射量

图4 夏季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射量

图5 夏季遮阳不同角度透过外窗的总太阳能辐射量

（2）西向和北向外窗。考虑到夏季太阳的位置，中午 12:00 后，太阳逐渐向西，建筑的西向受到太阳辐射；15:00 以后北向外窗会受到太阳直射辐射，因此在西侧和北侧设置垂直固定百叶遮阳，通过变换百叶的角度，分析得出最佳的遮阳效果角。

模拟结果分析：西向外窗冬季不同时间段透过外窗的太阳辐射量如图 6 所示。由图 6 可以看出，西向从 13:00 开始接收太阳辐射，在该方向接收太阳辐射的整个时间段，当垂直的百叶向南旋转 60° 时，可以在各时间段内获得更多太阳辐射，其次是向南旋转 30° 时接收到的太阳能，并远远大于向北旋转百叶时获得的太阳辐射能，如图 7 所示。因此，在冬季可以将西向的窗户外遮阳角度固定在向南旋转 60° 左右，这样可以有效地降低冬季的采暖能耗。

图6 西向冬季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射量

图7 西向冬季不同角度透过外窗的总太阳能辐射量

西向夏季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射量如图 8所示，西向夏季不同角透过外窗的总太阳能辐射量如图 9 所示。从单日的模拟结果可以看出，无论垂直遮阳百叶旋转任何角度，其变化趋势都呈现先增加后减少的趋势，基本在 14:00 达到最大值，之后逐渐降低，直至该方向不再接收到太阳辐射。比较模拟设置的 4 种旋转角度，向南旋转30° 时，透过外窗的太阳辐射最多；15:00 之前，向北旋转30° 时，透过外窗的太阳辐射最少；15:00 之后，向南旋转60°，透过外窗地太阳辐射最少。基于夏季制冷的需求，该方向的外窗垂直遮阳百叶在 15:00 之前，应该保持向北旋转30°左右；15:00 以后，应该向南旋转 60°，这样可以使得夏季的制冷需求减少，从而降低建筑能耗。

图8 西向夏季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射量

图9 西向夏季不同角透过外窗的总太阳能辐射量

北向夏季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射量如图10 所示，北向夏季不同角透过外窗的总太阳能辐射量如图11 所示。模拟结果显示，北向外窗的垂直遮阳百叶，在向东旋转 30° 时，进入室内的太阳辐射最少，且向东旋转 60°进入室内的太阳辐射能远大于向东旋转 30° 和与窗户处于垂直时的太阳辐射能。向东旋转 30° 和垂直位置获得的太阳辐射能相差不多。因此，在夏季时，保持北向外窗的垂直遮阳百叶处于垂直位置和向东旋转 30° 时，可以有效降低夏季的制冷能耗，从而降低建筑能耗。在冬季，北向外窗不会接收到太阳直射辐射，因此外窗百叶的角不会对进入室内的太阳辐射造成任何影响,不对其作要求。由分析结果可以得出，北向外窗可以保持垂直遮阳百叶处于垂直位置和向东旋转30°范围内，必要时可以做成可拆卸外遮阳，在冬季不需要遮阳，这样可以使外遮阳起到更好的效果。

图10 北向夏季一天不同时间段外窗透过的太阳辐射

图11 北向夏季不同遮阳角度透过外窗的总太阳能辐射量

3 结 语

（1）基于前人研究及本文验证，在该地区，活动外遮阳可以获得比固定外遮阳更好的效果。

（2）对于不同朝向的外窗，应选择最有效的遮阳方式来降低采暖空调能耗。① 对于南向外窗，宜设置水平活动遮阳百叶。冬季，百叶遮阳向上旋转 60° 左右可以使其接收到的太阳辐射能最多；在夏季，保持遮阳百叶水平或者向下旋转任意角度，可以有效降低建筑能耗。② 对于西向外窗，宜设置垂直活动遮阳百叶。在冬季可以将西向的窗户外遮阳百叶向南旋转 60° 左右，在 15:00 之前，应该保持向北旋转30° 左右；15:00 以后，应该向南旋转 60°，如此可以有效的降低建筑能耗。③ 在夏季时，保持北向外窗的遮阳百叶处于垂直位置和向东旋转 30°，冬季可拆除外遮阳，如此可以有效地降低建筑能耗。

本研究针对不同朝向外遮阳形式对建筑能耗的影响，提出了不同朝向的遮阳形式的选取，在控制变化因素上依然存在一定的局限性，期待在后续的研究中，可以综合考虑外遮阳的采光、通风，以及新技术的遮阳形式，提出更加准确的遮阳形式的选取方式，以获得更好的遮阳效果。