外窗遮阳设计关键问题综合分析

姚立民，王伟芳，李小林，李超，翟波Yao Limin,Wang Weifang,Li Xiaolin,Li Chao,Zhai Bo

（渭南职业技术学院，陕西渭南 714000）

0 引言

随着工业的迅速发展，能源过度消耗已成为全球关注的焦点问题。据估计，2014-2035年期间，全球能源需求将增长34%，到2035年我国将占世界能源消耗总量的25%[1]。我国的能源消耗主要集中在建筑、交通运输和工业三个领域。其中，我国当下的建筑能耗已接近社会总能耗的1/3[2]。随着能源紧张逐步成为限制我国经济和社会发展的关键障碍之一，以及世界范围内低碳经济的持续发展，深入开展建筑节能研究，才能为积极应对相关挑战提供理论支持。

据有关部门测定，南方夏季下午两点每平方米窗户会导致房间温度升高2℃甚至更高，如果一个房间的窗户在10:00～14:00能够避免直射阳光照进室内，则此时段室内气温平均可以降低2℃～5℃[3]。通过窗户进入室内的太阳辐射热量，一般可占建筑太阳辐射总得热的80%左右[4]。研究表明：与不采用遮阳设施的建筑比较，采用遮阳设施的建筑空调耗电量降低幅度为3.37%～11.04%[5]。

从上世纪四五十年代开始，建筑设计开始青睐大面积开窗，建筑窗户面积和外墙面积的比例不断提高，从15%～25%上升到35%以上，甚至接近100%。这在提升采光、通风、景观效果的同时，也带来了制冷和采暖方面的问题[6]。在夏季炎热地区,由建筑外窗形成的太阳辐射得热是造成空调能耗大和室内热环境不良的主要因素[7]。要解决这一矛盾，建筑遮阳技术的同步发展至关重要。

建筑遮阳是建筑节能技术的组成部分之一，科学合理地运用遮阳技术，对防止夏季室内过热，降低空调使用能耗，以及维持室内环境的舒适性等发挥着重要作用。由于太阳辐射透过窗户直接进入室内的热量是造成室内过热以及空调制冷负荷增加的主要原因。因此，如何合理利用建筑遮阳来降低进入室内的太阳辐射热，改善建筑热环境，便成为建筑节能研究中不可忽视的重要课题。

1 外窗遮阳技术发展现状分析

1.1 根据安装位置分类

根据遮阳装置的安装位置，可将外窗遮阳技术分为内遮阳、外遮阳和玻璃自遮阳三大装置类型[8-9]。

1.1.1内遮阳

内遮阳装置安装在窗户内侧，当太阳辐射透过玻璃进入室内后，才由遮阳装置进行遮挡。这样的安装方式不可避免地会使部分太阳辐射热传入室内，引起室温升高或空调负荷增加。因此，其遮阳效果相对较差。内遮阳装置一般均为活动式，主要包括百叶帘和织物帘两类。由于内遮阳不影响建筑外立面造型，不存在高空坠落风险，安装维护比较方便，能够适应夏季遮阳和冬季采光取暖要求的变化，所以目前应用较多。

1.1.2 外遮阳

外遮阳装置安装在窗户外侧，能够将太阳辐射热阻挡在室外，遮阳效果较好。根据其遮阳形态是否可调，又分为固定式外遮阳和活动式外遮阳两大类[9-10]。固定式外遮阳包括遮阳挑檐、固定遮阳板、固定遮阳蓬、固定遮阳百叶等；活动式外遮阳包括百叶窗扇、百叶帘、织物帘、活动遮阳篷等。其中，遮阳板和遮阳百叶根据其板条或百叶片的安装方向不同，又可分为水平式、垂直式和复合式三种类型。

遮阳板的材料通常为钢筋混凝土，遮阳百叶的材料包括不锈钢、铝合金、塑料、竹、木等，织物帘和遮阳蓬的材料通常为各种纤维织物。

日本、美国、欧洲以及中国香港等国家和地区都把提高窗户的热工性能和遮阳控制作为夏季防热、降低建筑空调负荷的重点。这些国家和地区普遍在建筑的窗外安装外遮阳设施，将窗的遮阳作为夏季建筑节能的一个重要措施来考虑。同时逐渐以百叶挡板等遮阳方式，取代不透光的传统挡板，以更好地解决遮阳、通风与观景的矛盾[11]。相关研究表明，外遮阳设施可以降低建筑表面80%的太阳辐射得热，是比内遮阳设施更为有效的降温措施。例如，相同的布帘或软百叶等遮阳设施，内遮阳变更为外遮阳后，传入室内的热量将由60%降低为30%[12]，对使用空调的建筑来说，外遮阳更是节约电能的主要措施之一[13]。

由于外遮阳装置位于建筑外侧，因此会影响建筑立面造型，还存在高空坠落的风险，在大风中容易损坏和产生噪音，需考虑防雨、防风措施，同时其对材料的要求也高，安装、维护均不方便，所以在高层建筑和繁华市区一般限制使用。

1.1.3 玻璃自遮阳

玻璃自遮阳是指在窗户上安装具有遮阳功能的玻璃，一般可分为低透射玻璃和中置百叶的双层玻璃两种。随着技术更新，许多新型建筑玻璃品种本身就可具有很好的遮阳隔热性能，对不同频谱的太阳光波段能够体现出选择性吸收或透过的功能。现在各种新型玻璃产品，如低辐射玻璃、多功能镀膜玻璃、薄膜型热反射材料贴膜玻璃、光致和电致变色玻璃等，都具有良好的遮阳效果[9-10]。

与内遮阳及外遮阳装置相比，玻璃自遮阳不用在窗户内侧或外侧安装其他装置，无突出部件，对于高层或超高层建筑比较适用。但是，由于自遮阳窗户一般呈关闭状态，因而容易造成室内通风不良。此外，玻璃自遮阳装置的成本较高，并且很难兼顾早晚光照变化以及夏季遮阳与冬季采光取暖之间的平衡。因此，玻璃自遮阳技术的应用受到一定的限制。

1.2 根据可调节性分类

根据遮阳装置的可调节程度，可将外窗遮阳技术分为固定式、半固定式和可收缩式三种类型[8-10]。

1.2.1 固定式遮阳

固定式遮阳装置的位置和角度固定不变，使用过程中不可调节改变。典型的固定遮阳装置有水平式遮阳板、垂直式遮阳板、格栅形遮阳板等。固定式遮阳的优势在于构造简单、成本较低、维护方便；缺点是不能遮挡所有时间段的太阳光线，并且难以协调处理遮阳、采光、通风的综合要求[14]。

1.2.2 半固定式遮阳

半固定式遮阳装置部分可调，但是总体位置不可大幅度调整，因此其适应性较差，实际应用不多。百叶窗、百叶挡板、半固定式遮阳板等，皆属于半固定式遮阳装置。

1.2.3 可收缩式遮阳

可收缩式遮阳装置可以被收缩到窗口的顶部或窗口一侧，甚至完全撤掉，遮阳比例可以自由调节。内遮阳的百叶帘和织物窗帘以及外遮阳篷、软百叶帘均属于这一类型。这类遮阳装置能够在较大范围调节遮阳形态，因此可以适应早晚日照的变化和不同季节对遮阳需求的变化，并且在遮阳的同时可以兼顾室内通风的要求。另一方面，其缺点是当用于外遮阳时，存在安装维护不便、高空坠落风险以及在大风中容易损坏和产生噪音等问题。

2 现有技术的缺陷及改进方向

2.1 技术缺陷

通过观察分析发现，现有的遮阳技术尚不完善：内遮阳装置的遮阳效果较差，很难兼顾遮阳与采光、通风、散热的需求；外遮阳装置位于建筑外侧，影响建筑立面造型，而且存在高空坠落风险，需考虑防雨、防风措施，对材料的要求也高，安装、维护均不方便，在高层建筑和繁华市区的使用会受到限制；玻璃自遮阳装置的成本较高，且遮阳窗户一般呈关闭状态，容易造成室内通风不良，同时由于遮阳率固定，很难兼顾早晚光照变化以及夏季遮阳与冬季采光取暖的需求；固定式和半固定式遮阳装置不能灵活调节，适应性一般较差；可收缩式遮阳由于活动部件较多，抗风雨能力较差，需要经常维护，因此主要适用于内遮阳方式，难以适用于高层建筑外遮阳。

目前，大部分研究者比较注重建筑遮阳的热工性能研究[15-16]，缺少对遮阳与采光、通风、建筑安全、建筑美学、人的生理和心理舒适性等因素之间关系的综合性研究。理想的遮阳设施应该是遮阳比例灵活可调，遮阳与采光、通风兼顾，夏季白天可用，早晚可收起，抗风雨，无高空坠落风险，安装维护方便，费用经济可行。要达到这些要求，遮阳设施的设计研究不应局限于单独的外遮阳、内遮阳、固定遮阳、活动遮阳，而应积极开展具有创新性的、交叉融合的、复合类型的研究。

2.2 改进方向

现有单一型式的遮阳装置，很难满足绿色建筑、健康建筑、超低能耗建筑的建设要求。要进一步改进遮阳技术，满足低碳节能的建筑要求，就应积极开展建筑遮阳基础理论研究，借助计算机辅助技术，运用系统工程理论、空气动力学理论、热工学理论、光学、声学等理论，综合协调处理好建筑遮阳、采光、通风、建筑安全、建筑美学等功能的需要。以基础理论为指导，大力开展建筑遮阳新材料研发活动，借助新材料的支持，才能更好地满足多种功能要求。此外，建筑遮阳设施的设计，还必须考虑设施本身的安全性、经济性、美观性和耐久性等问题。只有综合解决了以上问题，建筑遮阳技术才能得到更好的发展。

今后，我们对建筑遮阳技术的研究，可以从创新建筑遮阳装置的型式和材料入手，深入研究不同型式装置和不同材料装置的遮阳效果、采光效果、综合节能效果、热传输机理、光传输机理、室内舒适性指标，以及遮阳装置的安全性、经济性、耐用性指标等问题，从而提出遮阳材料的技术要求和遮阳装置的改进方向。

例如，为适应现代高层建筑的遮阳要求，可以将内遮阳卷帘和上悬窗通风换气设施结合使用，由内遮阳卷帘在窗户内侧遮挡反射的太阳辐射热（包括直射辐射、大气辐射和环境反射），可从上悬窗及时排出室外。以此对内遮阳卷帘与窗户玻璃之间的气流进行合理调控，最大程度减小了太阳辐射热对室内环境的影响。这样的装置既具有内遮阳卷帘在使用方面的便捷性、灵活性，又改善了其遮阳效果，提升了散热功能，同时还满足了防雨和通风换气的要求。此外，在内遮阳卷帘材料的选择上应注重更好的反光性、隔热性和更低的吸热性等因素。同时为了充分利用自然光照明，遮阳卷帘的材料应具有适当的透光性以及透光率可调的特点。

3 结语

随着低碳经济、绿色建筑、健康建筑等理念的提出，建筑遮阳技术作为建筑节能中的重要一环，也应顺应社会发展的需求，不断进行深入的理论探索与实践检验。然而，目前的遮阳技术还存在一定缺陷，有待改进。要实现遮阳技术的进一步发展，就应充分利用新材料、新技术、新理论，积极开展创新融合研究，综合协调处理好建筑遮阳、采光、通风、建筑安全、建筑美学等功能需要，将建筑遮阳技术朝着纵深化方向推进，为舒适的人居环境和节能减排目标服务。