略谈节能建筑中的遮阳问题

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  【摘 要】现代建筑遮阳在建筑节能领域起到越来越重要的作用。相关的资料表明,窗户的遮阳获得的节能是建筑能耗10%到24%,用于遮阳的建筑投资不足2%,其效益显而易见。因此,为减少建筑热负荷和光污染,增加建筑遮阳构件是有效措施。本文阐述了建筑遮阳形式、效果及现代建筑遮阳呈现了一体化发展的趋势。
  【关键词】遮阳形式;遮阳效果;一体化
  Brief Discussion on Energy-efficient Building of Sun-shade Topic
  Guo Liang
  (Zhejiang Province Construction and installation technique school Hangzhou Zhejiang 310022)
  【Abstract】Sun-shade in building energy-saving modern architecture play an increasingly important role in the field. Related information indicates that energy-saving window shade is the building energy consumption 10% to 24%, for sun-shade less than 2% of construction investment, the benefits are obvious. Therefore, in order to reduce building heat load and light pollution, increased building shade structures are effective measures.This article describes the architectural form of shading, shading effects and the integration of modern architecture trends.
  【Key words】Sun-shade form;Sun-shade effects;Integration
  1. 引言
  现代建筑对开放的空间和开阔外部视野的追求,使得建筑表皮上的窗洞越开越大或者形成大面积的玻璃幕墙。玻璃建筑将室内外空间融为一体,使人们充分感受自然景观、自然光线的同时,也带来建筑内部空间的采暖和制冷能耗提高的隐患。因此,针对不同朝向在建筑设计中采取适宜合理的遮阳措施是改善室内环境、降低空调能耗、提高节能效果的有效途径。而且良好的遮阳构件和构造做法是反映建筑高技术和现代感的重要组成因素。从节能效果来讲,遮阳设计是不可缺少的一种适用技术,在夏季和冬季都有很好的节能和提高舒适性的效果。特别是夏季,我们希望阻挡太阳辐射进入室内,因为即使是部分的太阳辐射透过窗户进入室内,也会造成很大的室内空调负荷,尤其是太阳辐射强度大的水平面和东西立面。这时,遮阳的设计就显得尤为重要,遮阳是隔热最有效的手段。有相关资料表明,窗户遮阳所获得的节能收益为建筑能耗的10%~24%,而用于遮阳的建筑投资则不足2%。
  建筑采取遮阳措施,不但降低夏季外窗的太阳辐射透过率,大幅度降低空调设备的能耗,还可明显的改善自然通风条件下的室内热环境。据资料统计:有效的遮阳可以使室内空气最高温度降低1.4℃,平均温度降低0.7℃,使室内各表面温度降低1.2℃,从而减少使用空调的时间,获得显著地节能措施。尤其对于炎热地区,窗户遮阳是建筑节能的最主要技术措施。但遮阳还需要解决夏季有效遮挡,冬季避免遮挡的矛盾。因此,选择合适的建筑开窗朝向和遮阳措施是有效的节能手段。
  2. 建筑的遮阳形式
  遮阳具有防止太阳辐射、避免产生眩光、改善室内环境气候、及建筑外观上光影美学效果之功能,但也对室内的采光、通风带来不同层次的影响。遮阳系统本身而言,根据位置分为外部遮阳与内部遮阳,其中又可分为活动式遮阳及固定式遮阳。就遮阳形式来分,一般分为四种:水平遮阳、垂直遮阳、综合式遮阳和挡板式。
  根据地区的气候特点和房间的使用要求,可以把遮阳作为永久性的或临时性的。永久性的就是在玻璃幕墙内外设置各种形式的遮阳板和遮阳帘,临时性的就是在玻璃的内外设置轻便的布帘,竹帘,软百页,帆布蓬等。在永久性的遮阳设施中,按其构件能否活动,有可分为固定式或活动式两种。活动式的遮阳可视一年中季节的变换,一天的时间变化和天空的阴晴情况,任意调节遮阳板的角度;在寒冷的季节,可以避免遮挡阳光,争取日照。以下介绍常见到的几种遮阳方式:
  2.1 水平式遮阳。
  水平式遮阳能够有效地遮挡高度角较大的、从窗口上方投射下来的阳光,故适用于接近南向的窗口,或北回归线以南低纬度地区的北向附近的窗口。水平式遮阳必须与建筑结构相结合,因此仅限于新建的建筑。
  水平遮阳板的缺点是易受风荷载,在北方地区易积雪。如果窗户高度较大,为减小遮阳板出挑长度,可以使其边缘突出或向下倾斜,以减小出挑长度;或沿窗户高度方向分层设置,美国新墨西哥州阿尔伯克基城的桑迪亚国家实验室南立面上的水平遮阳板起到了遮蔽中庭窗户的作用,并且构成了具有审美意义的建筑特征。
  2.2 垂直式遮阳。
   垂直式遮阳能够有效地遮挡高度角较大的、从窗侧斜射过来的阳光。但对于高度角较大的、从窗口上方投射下来的阳光不起遮挡作用。故主要适用于东北、北和西北向附近的窗口。
  2.3 综合式遮阳(格栅式遮阳)。
  综合式遮阳结合了前两者的优点,能够有效地遮挡中等高度角的、从窗前斜射下来的阳光,遮阳效果比较均匀,故主要适用于东南或西南向附近的窗口。
  2.4 挡板式遮阳。
  挡板式遮阳包括百叶、花格等,能够有效地遮挡高度角较小的、正射窗口的阳光。主要适用于东西向附近的窗口。在设计中往往根据实际情况和艺术构思综合运用,不拘于以上四种类型。勒.柯布西耶设计的印度艾哈万达巴德的棉纺织协会大楼西立面上的格栅式遮阳,由水平遮阳板和成一定斜角的垂直遮阳板组合而成,其中水平遮阳板遮挡刚到下午时的阳光,那时太阳高度角较大,而斜置的垂直遮阳板又类似于挡板式遮阳的形式,遮挡黄昏前低角度的西晒。
  2.5 活动式遮阳。
  固定遮阳会对冬季太阳能采暖产生不利影响,活动式遮阳从某种程度上缓解了这种影响,能根据需要人工调节角度,几乎可以遮挡任何角度的直射阳光,太阳传感器自动控制的活动遮阳装置节能效果更佳,但其初始成本和维护成本都比固定遮阳要高很多。活动式遮阳包括活动式水平遮阳板,活动式垂直遮阳板,活动式挡板遮阳板,即推拉式遮阳,遮阳卷帘等。此外还有活动百叶遮阳。有升降式百叶帘和百叶护窗等形式。百叶帘既可以升降,也可以调节角度,在遮阳和采光,通风之间达到了平衡,因而在办公楼宇及民用住宅上得到了很大的应用。根据材料的不同,分为铝百叶帘、木百叶帘和塑料百叶帘。百叶护窗的功能类似于外卷帘,在构造上更为简单,一般为推拉的形式或者外开的形式,在国外得到大量的应用。
  2.6 绿化遮阳。
  除了以上遮阳形式,还可以利用绿化遮阳:对于低层建筑来说,绿化遮阳是一种既有效又经济美观的遮阳措施。绿化遮阳可以通过在窗外一定距离种树,也可以通过在窗外或阳台上种植攀援植物实现对墙面的遮阳,还有屋顶花园等形式。落叶树木可以在夏季提供遮阳,常青树可以整年提供遮阳。植物还能通过蒸发周围的空气降低地面的反射。常青的灌木和草坪也能很好地降低地面反射和建筑反射。植物除了在建筑室外环境中能起到调节微气候的作用,在现代建筑中也常常和建筑的立面相结合,这需要在设计方案阶段就将植物的种植和维护问题考虑在内。建筑师恩里克.布朗和博尔雅于多布罗设计的智利圣地亚哥Consorcio-Vida办公楼利用种植架上的藤蔓植物来抵挡强烈的西晒,被称为“空中花园”。其种植架有2~4层高,距离外墙大约1.5m,可阻挡大约60%的太阳得热。
  2.7 其他遮阳。
  2.7.1 阳台:阳台和水平遮阳板有同样的功效,并且为多层和高层建筑的使用者提供了接触室外自然环境的使用空间。
  2.7.2 外部卷帘:一般铝制的。既可以遮阳,也起到安全防护作用。像室内卷帘一样,它们无方向性,室内采光效果不好。
  2.7.3 凹窗:使用凹窗要求墙壁很厚,从效果上看,就是利用窗户周围的墙壁遮阳,很显然它只适合于新建建筑和较小的窗口。凹窗不是控制阳光最合理的方法,通常这样设计是出于建筑风格的考虑,因为作为遮阳措施,它造价太高,并且浪费建筑的使用空间。然而,当气候条件决定了围护结构厚度很大时,凹窗也是有效可行的。
  2.7.4 固定百叶:百叶的最佳朝向取决于玻璃的方向。南向百叶应是水平的;北向百叶应是竖直的;其他朝向,百叶可以使倾斜的。百叶可以如反光板般水平排列,也可以如软百叶帘般垂直排列,或者以任何角度排列,像遮阳蓬一般。
  3. 建筑遮阳的作用与效果
  现代建筑窗口越来越大,尤其是玻璃幕墙。而玻璃表面换热性强,热透射率高,故对室内热条件有极大的影响。在夏季,阳光透过玻璃射入室内,是造成室内过热的主要原因。特别在南方炎热地区,如果人体再受到阳光的直接照射,将会感到炎热难受。在建筑上设置遮阳系统,可以最大限度减少阳光的直接照射,从而避免室内过热,是炎热地区建筑防热的主要措施之一。设置遮阳后,会有以下作用及效果 :
  3.1 遮阳对太阳辐射的作用。
  外围护结构的保温隔热性能受许多因素的影响,其中影响最大的指标就是遮阳系数。一般来说,遮阳系数受到材料本身特性和环境的控制。遮阳系数就是透过有遮阳措施的围护结构和没有遮阳措施的围护结构的太阳辐射热量的比值。遮阳系数愈小,透过外围护结构的太阳辐射热量愈小,防热效果愈好。由此可见,遮阳对遮挡太阳辐射热的效果是相当大的,玻璃幕墙建筑设置遮阳措施更是效果明显。
  3.2 遮阳对室内温度作用。
  遮阳对防止室内温度上升有明显作用,在夏热地区试验观测表明,在闭窗的情况下,有无遮阳,室温差值较大。而且有遮阳时,房间温度波幅值较小,室温出现最大值的时间延迟,室内温度场均匀。因此,遮阳对空调房间可减少冷负荷,所以对空调建筑来说,遮阳更是节约电能的主要措施之一。
  3.3 遮阳对采光的作用。
  从天然采光的观点来看,遮阳措施会阻挡直射阳光,防止眩光,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,遮阳可分散玻璃幕墙的玻璃(尤其是镀膜玻璃)的反射光,避免了大面积玻璃反光造成光污染。但是,由于遮阳措施有挡光作用,从而会降低室内照度,在阴雨天更为不利。因此,在遮阳系统设计时要有充分的考虑,尽量满足室内天然采光的要求。侧面采光有可能导致房间内的亮度过高,有时会引起眩光。选择何种形式的玻璃需要兼顾采光和节能两个方面的要求。采用遮阳篷可以兼顾能效和采光。
  3.4 遮阳对建筑外观的作用。
  一般人认为玻璃幕墙设计只能平板化,无法设计外遮阳等遮阳设施,但是由国外的许多案例我们可以发现金属玻璃幕墙能以轻巧的金属板设计成优美的遮阳形式并成为建筑造型有趣的一部份。遮阳系统在玻璃幕墙外观的玻璃墙体上形成光影效果,体现出现代建筑艺术美学效果。因此,在欧洲建筑界,已经把外遮阳系统作为一种活跃的立面元素,加以利用,甚至称之为双层立面形式。一层是建筑物本身的立面,另一层则是动态的遮阳状态的立面形式。这种具有“动感”的建筑物形象不是因为建筑立面的时尚需要,而是现代技术解决人类对建筑节能和享受自然需求而产生的一种新的现代建筑形态。
  3.5 遮阳对房间通风的影响。
  遮阳设施对房间通风有一定的阻挡作用,在开启窗通风的情况下,室内的风速会减弱22%~47%,具体视遮阳设施的构造情况而定;对玻璃表面上升的热空气有阻挡作用,不利散热,在遮阳的构造设计时应加以注意。
  4. 遮阳构件与建筑的一体化设计
  4.1 遮阳构件的发展趋势。
  随着现代技术的日渐成熟,遮阳构件呈现出新的发展趋势:
  4.1.1 多样化。遮阳构件多样性包括两个方面:一是遮阳构件本身是各地区建筑对当地文化气候的一种反映,具有一定的文化多样性和地域多样性;二是随着技术的进步,节能构件的种类、材料、工艺出现了更多的选择。
  4.1.2 智能化:遮阳构件的智能化是通过计算机等集成技术根据测到的室外气候数据及人的需求,对遮阳构件的角度、开合、升降等情况进行控制,来实现建筑物的安全,健康、节能、舒适与高效率的工作环境。以遮阳百叶为例目前的遮阳百叶系统,已经可以实现构件的单独控制、组控、通过日光、风雨的自动感应进行角度调节。
  4.1.3 复合化。国内常见的遮阳构件通常是功能明确,设计时与建筑其他构件分别考虑。近年来出现了另一种设计理念,构件与建筑浑然一体,这种做法目前得到越来越多的应用和实践,创造出与众不同的建筑立面。形成有节奏感的立面效果。
  4.2 遮阳构件与建筑的一体化的设计理念。
  遮阳构件是建筑功能与艺术和技术的结合体,精心设计的遮阳构件一方面具有完善的遮阳功能,另一方面具有令人赏心悦目的审美功效。如今很多建筑师都十分注重建筑遮阳功能与美学的结合,在设计中打破了各功能构件功能明确的界限,将遮阳作为建筑的有机部分进行综合设计,使遮阳构件与建筑浑然天成。许多大型的遮阳构件都有着双重意义:既满足了遮阳的要求,同时还兼具标志性和美学的意味。但凡优秀的建筑,其建筑元素通常同时兼具多重功能。许多著名的建筑也表现出对遮阳重要性的充分理解,并且运用它创造了强烈的视觉效果。赖特在其大多数建筑中运用了巨大的挑檐,既创造了温暖的舒适感,同时也营造出一种美学意味。柯布西耶认识到了太阳的双重性——人们冬日的朋友,夏季的敌人。他的作品即充分地表明了这一点。基于这种认识,遮阳成为其建筑的中心环节。对他来说,美学的机缘如同防晒处理一样重要。因此,其大量的建筑作品将光影作为一种视觉元素。最好的范例在印度昌迪加尔,柯布西耶在那设计了大量政府建筑。在高等法院建筑中,遮阳板和伞式屋顶营造出了强有力的视觉效果。
  5. 结束语
  合理的遮阳系统对建筑的艺术与技术的作用和效果,尤其是在建筑节能与智能化方面,都需要我们不断地去开发和研究。对国内外建筑遮阳技术的调研;对适用性遮阳构造方案的研究;对遮阳构造性能系数的研究;对适用遮阳系统节能软件的开发;对遮阳构造艺术性的评价将是我们以后的工作重点。
  建筑遮阳不应该仅是一组组物理数字计算,只要合理的整合技术和艺术,就可以成为具有表现力的建筑立面要素,成为可呼吸的建筑表皮,更好的发挥其作用,来实现建筑节能。
  参考文献
  [1] 杨柳 . 建筑气候学[M] . 中国建筑工业出版社,2010.
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  [文章编号]1006-7619(2011)02-23-117
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