遮阳技术的应用与研究

摘要：介绍了遮阳技术的作用和使用状况；给出了目前遮阳技术的研究状况、研究方法和研究工具以及遮阳设计中应该考虑的问题；指出了遮阳技术研究中存在的问题。

关键词： 遮阳 方法 工具 设计

0 引言

在能源危机和环境问题不断困扰现代人的生产和生活的今天，社会各界人士纷纷致力于不同角度和立场来解决这两个顽疾。建筑业作为能耗大户更应该积极地研究解决这些问题的途径和方法。

现代建筑中，从墙面到屋顶越来越多的采用玻璃，玻璃的通透性能使人们充分感受到自然+自然景观、自然光线和自然空间，但它同时带来采暖和制冷上能耗提高的隐患，又是与生态建筑这一历史发展趋势相抵触的。而传统的节能技术——建筑遮阳，能防止有害的直射阳光，减少传入室内的太阳辐射热量，是消除或防止夏季室内过热的有效措施之一。所以遮阳设计的应用在建筑节能大环境中变得越来越重要。

1 建筑遮阳的作用

遮阳系统的传统作用是通过降低过热和眩光来提高室内热舒适性和视觉舒适性，并且还能提高隔绝性——独处而不受干扰。遮阳设施可以发挥一个方面或所有三个方面的作用。上个世纪初空调的出现，使得传统自然降温技术的使用大大降低。一段时期内传统的自然降温技术被完全地忽略了，直到二十世纪七十年代早期的能源危机才推动了传统技术的复苏。仅仅在二十世纪九十年代，传统技术才重新应用到公共建筑领域中。

遮阳设施可以被设计通过遮蔽不透明或透明表面来限制直射太阳辐射进入室内。第二个作用是限制散射辐射和反射辐射进入室内。

太阳辐射是由在光谱中可见光和不可见光等比例的电磁辐射组成的。不可见光部 分包括紫外线和红外线。光谱中的可见光部分占有大概太阳能的50%，一般用光通量、照度、发光强度、亮度等参数来描述。

到达一个表面的太阳辐射可能来自三个部分：太阳直射辐射（短波辐射），天空散射辐射，来自周围表面和建筑的反射辐射。外遮阳设施能阻挡直接辐射部分，和降低散射辐射和反射辐射的影响，但是也能影响日光、眩光、视觉和通风。气候条件和建筑类型、使用等参数将影响这些因素的相对重要性。直射辐射得热对于居住建筑在供热季节是好的、有利的。但是对于医院无论什么气候条件，直射辐射任何时候都是不利的。

2 常用的遮阳系统

2.1 固定遮阳系统

固定遮阳设施通常作为外遮阳，并且具有很好的外观可视性，为建筑师提供更多的设计手段。典型的设施有水平式遮阳板、垂直式遮阳板或是板条格形无花板等等。那种隐藏式窗户也是一种固定遮阳设施。它们相对来说比较简单和便宜，并且在阻挡直射阳光上很有效，但是在阻挡散射和反射光上不是很有效。

水平式遮阳板是一种最常见的固定遮阳设施，并且是用于控制太阳高度角比较大的直射太阳辐射的最简单的设施。在北半球，它主要被用在南向立面上。在比较低的纬度上，它倾向于被用在东向和西向的立面上。在比较温暖的气候下，如地中海式气候，制冷是必要的，遮阳板经常被做成百叶来使空气能够自由通过立面。

综合式遮阳板是综合式遮阳，实际上是水平遮阳和垂直遮阳的组合，可据窗口朝向的方位而定，设计成对称或不对称的，能有效遮挡太阳高度角中等的直射太阳光，从窗口前方斜射下来的阳光，遮阳效果均匀，主要适用于东南或西南向窗口遮阳，其次也适用于东北或西北向窗口遮阳。

挡板式遮阳板，这种遮阳特别利于遮挡平射过来的阳光，适用于东向、西向或接近该朝向的窗户。

立面花格式遮阳结构，有时可以成为很好的建筑墙体元素，而成为建筑立面的活跃因素。白角套方，六角菱形、长方形等，仿佛花墙洞、漏窗一般、既可装饰又可遮阳。

在固定遮阳设施设计中，洞口的朝向是主要的决定因素。在南向立面上完好设计的水平式遮阳板能在盛夏时提供好的遮阳，同时在冬季时允许太阳辐射渗入。为了使遮阳板能够在早上和下午比较低的太阳高度角时也能有效，应该在窗口两侧延长遮阳板的长度。遮阳板的长度应该决定于洞口的宽度和纬度。挑出宽度决定于纬度、窗高和窗户到遮阳板的竖向距离。

固定遮阳设施在低角度的早上和下午不能有效地阻挡太阳辐射热，尤其是在东向和西向立面上。固定垂直式遮阳板能在这方面提供一些保护，但是同时也降低了室内照度。仔细布置的植物或是活动式外遮阳设施能够在比较低的太阳高度角的时候一样提供比较好的控制。

2.2 可调节遮阳系统

可调节式或活动式遮阳设施能安装在室外，室内或是在两层或三层玻璃窗之间。可调节遮阳设施经常被使用在室内，在室内它很容易被控制而且还很便宜。然而，它也能应用于室外遮阳设施。在可调节的外遮阳设施能够阻挡阳光的同时，需要时也能允许阳光进入。尤其在处理低角度的直射、散射和反射光时非常有效。不像固定遮阳设施，它能够使室内照度不过多地降低。能适应大部分地区的气候。然而，它的成功决定于坚固的结构和正确的使用，假如是自动的话，它可能是昂贵的。

对于自动的可调节遮阳设施，如果想能节能，决定于气候和调节的频率。可调节的外遮阳系统主要关心的是耐用性，它们比内遮阳和固定式遮阳设施需要更多的维护。

2.3 可收缩的遮阳系统

可收缩的遮阳设施可以被收缩到窗口的顶部或是窗口的一侧，甚至完全撤掉。内遮阳的百叶帘和窗帘都属于这一类，外遮阳，如布篷、软百叶帘和百叶窗也属于这一类。这类遮阳设施不用考虑在设计上兼顾夏季遮阳和冬季得热两方面的要求。而且在遮阳的同时，它还能够满足通风的要求。

•可折叠布篷装于铁架可折叠的布篷，用时放下，不用时折起，并可调整。

•内置活动软百叶板，帘大多装置于室内，一种为合金铝片或硬木薄片。成横式或竖式上下留空穿叠，同时随太阳射入情况可全放全遮，或局部放下，不用时全部折叠于窗顶。而且百叶角度可调整，既可以遮阳，又利于通风；另一种是帘幕织物窗帘，它可以使光亮表面的眩光及反射光线大幅度减小，紫外线照射减弱，营造清雅舒适的室内环境，同时大大节省能源。而且手调弹簧控制系统、手调链条控制系统或电动控制系统也方便了控制。

此种形式遮阳唯一的缺点是由于内遮阳悬于室内，故仍有太阳辐射余热进入室内，易于在玻璃窗内引起温室效应，不可避免的使室内热量积聚，效率较之外遮阳要低。

•外遮阳卷帘,如上所述，外遮阳卷帘在遮阳效率上远高于内遮阳。在欧洲被广泛应用，其不仅优于室内遮阳效果，美观大方，而且兼具防护功能，是国内建筑外遮阳防护的新潮流。

2.3 植物遮阳系统

在建筑附近或上面种植树木、攀爬植物、灌木和一些建筑结构如藤架、梁，再结合城市形状，能够帮助调节微气候。合适的使用以上措施，对于内遮阳和外遮阳的需求就会减少。选择性的种植不仅可以遮挡窗口、其他洞口，还可以遮挡整个立面和屋顶，继而降低了热传导和热辐射得热。

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。常青的灌木和草坪对于降低地面反射和建筑反射很有用。常青的植物对于挡风也很有效。

植物的遮阳效果主要决定于植物的类型、品种和年龄。这些因素决定了树叶的类型和植被的密度。如果是落叶树木，树叶的密度随着季节的变化而变化，Givoni指出植物会以下面几种方式影响室内温度和室内负荷：
1）高的树木和藤架位于距离墙和窗口的较近的地方时，将能提供很好的遮阳同时不会降低通风。
2）墙上的攀爬植物和离墙近的灌木将不仅提供遮阳而且降低墙附近的风速。
3）外墙表面附近的空气温度降低了，降低了传导和渗风得热。
4）建筑周边的草坪植物降低了反射辐射和长波辐射，从而降低了太阳辐射得热和长波辐射得热。
5）空调冷却器附近的植物降低了周边的温度，因而提高了系统的COP，以至于减少了用于制冷使用的电能。
6）建筑东、西两侧的植物能够在夏季有效地阻挡太阳得热。

在夏季最热的时候，由树木或灌木遮挡的墙体表面的温度可以降低高达15度，攀爬植物可以降低达12度。Givoni的研究也发现，植物的隔热性能也可能在某些情况下降低它遮阳功能的效果。由于墙体的长波损失也被降低了，所以通过植物遮挡墙体可能达不到预期的效果。墙体的颜色和植物与墙体的距离都是非常重要的影响因素。

2.4 高级玻璃遮阳系统

所有的高级玻璃遮阳系统都是通过某些方式影响光线和热通过玻璃的。它们的性能可以通过测量它们的反射率、吸收率、透过率和发射率得到。

上面提到的每一个特性都被生产商提到，是在标准条件下计算的。玻璃结构的透过率在计算冷负荷时是最重要的因素。它包括三方面的内容：热透过率，光透过率和总的太阳透过率。热透过率是来自物体长波辐射、天空和地面的散射辐射。光透过率指的是太阳辐射光中的可见光部分，占有透过日光的大部分。总的太阳透过率指的是太阳辐射中的直射部分和由玻璃结构吸收后再发射的长波辐射。

高级玻璃遮阳系统通常被用于遮阳和隔热，但在一些情况下也用于日光调节。它们被证明当没有遮阳设施的情况下可以很好的替代遮阳设施。这些玻璃遮阳系统可以在生产过程中镀上一层薄膜，使得他们对于不同波长的光谱具有很好的选择性。随着材料科学的发展，高级玻璃遮阳系统也得到极大的发展，但是一些高级玻璃类型还停留在雏形阶段，限制了他们的使用。例如变色玻璃，被广泛用于太阳镜，但很难用于建筑目的。

2.5 城市形态
在气候炎热的地区，城市的布局环境一般比较拥挤。街道比较狭窄，在酷夏的季节，部分街道或整个街道都被布篷或水平遮挡板所覆盖，在最热的时候，甚至被附近的建筑遮挡。倾斜的地面被设计来加强建筑的相互遮挡。这些措施的主要目的就是提供一个舒适的室内室外环境。这些设计可能导致较差的通风，所以像日光一样，通风也应该被和遮阳一起考虑进去。

在寒冷气候条件下，城市设计更多的受到冬季供热需求的影响。

在有些气候地区，两个季节的需求都要考虑。第一，夏季周围较高的空气温度和较强的太阳辐射能产生强烈的得热。第二，直射和反射太阳辐射能产生较高的眩光。完好的城市设计构思能抵消消极的影响。建筑间距，主要表现在公共街道上，是主要考虑的因素，能够通过计算来确定在供冷季节遮挡能取得多少节能。

3 遮阳系统的研究现状

目前国内外都很重视遮阳技术的研究和发展。在欧洲，提到建筑遮阳，大部分为建筑外遮阳，因为如果采用建筑物内遮阳，实际上是仅仅挡住光线，并不能挡住热量，当光线遇到内遮阳产品时，其辐射热已经透过玻璃进入室内，并会使玻璃的温度升得很高，从而达不到建筑节能的目的。建筑物外遮阳在欧洲应用很普遍，即使是日照不太充足的国家和地区，都广泛的在建筑上使用遮阳产品。在国内，我们在以往的建筑中可能更加注重建筑的外在形式（包括门窗和幕墙在内），很少考虑建筑在遮阳、节能方面的要求，所以在目前国内建筑中很少见到合理、有效的遮阳系统。但可喜的是，在近一、两年，国内已出现一些采用现代遮阳系统的建筑，说明我国已经开始建筑节能遮阳方面的实践工作。

3.1 相关研究方法

随着气温的变暖和能源的紧张，遮阳技术越来越受到建筑行业的重视。目前用于遮阳系统研究的方法主要有实验法、理论推导、软件模拟等。

•实验法
实验是一种很传统的方法。目前，主要的实验方法是通过实验测量遮阳设施对室内照度、室内温湿度、玻璃表面温度、热流量、墙和玻璃表面温度和墙、玻璃的辐射强度等参数的影响。

•理论推导
理论推导也是一种传统常用的方法。理论推导的方法一般是提出一个控制变量（如遮阳系数、遮挡系数、有效得热量、透光率、遮阳衰减系数等）来评价遮阳设施某些参数（如外遮阳百叶的间距与宽度的比值、外遮阳板的宽度等）对于这个关键变量的影响。

•软件模拟
由于实验条件的限制，软件模拟正成为科研常用的工具。目前，针对外遮阳的问题提出了很多新的理论推导模型和算法，继而在这基础上提出了很多新的软件。如，TRNSYS、ECOTECT、TRNSHD、LT Method 3.0和WINSHADE等等。

3.2 遮阳技术研究存在的问题

由于遮阳系统本身的复杂性、对于气候和地理位置的依赖性，缺乏有效的模拟和设计工具等障碍，目前仍然存在很多的问题需要解决：

•因为遮阳设施不仅可以遮挡太阳的辐射得热量而改变室内的空调供暖的负荷，而且改变进入室内的日光而改变室内的灯光负，所以光和热的效应对于遮阳的设计都有很大的影响。但是目前的研究大都把两者分开了，单独通过光或热的方面来研究。因此，如何有效的结合光和热的效应来研究遮阳设施是当前需要解决的问题。

•外遮阳设施（如外遮阳百叶、建筑之间的遮阳等）不仅影响室内的光、热负荷，而且也将影响建筑的通风状况。但是对于这方面的研究还是比较少的，因此，需要对此方面进行大量地研究。

•遮阳的理论推导上，目前主要着眼于太阳直射辐射得热量等变量的影响，很少考虑考虑太阳散射辐射得热量的影响，这可能也是有关太阳辐射理论基础方面研究的不足有关。所以也需要对此作进一步的研究。

•随着建筑节能观念的深入人心，建筑遮阳越来越受建筑师的关心。遮阳产品也发展得越来越快，出现了很新的遮阳设施。但是对于这些新的遮阳设施研究的还少，所以也需要对此进行大量地研究。

4 遮阳结构设计时应考虑的问题

遮阳系统的设计应该综合考虑以下几个因素：太阳能的控制，日光和通风的需要。室内日光水平和自然通风某种程度上不应该妥协，额外的人工照明或机械通风是需要的。

好的遮阳设计的目的能简单的定义为：

在需要的时候，能调节或阻挡太阳直射辐射
•控制散射辐射和反射辐射
•防止室内和室外的眩光
日光和通风没有包括在内。

4.1 遮阳与制冷

遮阳系统具有很多的功能和作用，其中最主要就是阻挡直射太阳辐射和降低过多不必要的室内冷负荷。这种保护是通过遮挡建筑的玻璃和其他洞口达到的。遮挡建筑立面和屋顶能极大地降低室内冷负荷，尤其是当这些表面不隔热的时候。遮挡建筑围护结构和洞口直接降低了对于制冷的需求：遮阳系统降低建筑冷负荷的潜力不应该被低估。

公共建筑的室内得热很高，除了受到室内办公设备和人员的影响外，太阳辐射对于室内冷负荷起到了相当大的影响。太阳辐射中的直射部分比散射部分起到更大的作用。由于太阳直射到达玻璃和洞口时，将热量直接传递给室内，即形成了瞬时冷负荷。又由于太阳辐射的直射部分是直线运动的，所以它能被外遮阳设施有效地阻挡。对于散射和反射部分，由于他们的入射角度的范围很广，所以很难由外遮阳控制，可能由内遮阳或是软百叶帘设施控制会更有效。然而，内遮阳阻挡室内得热的有效性是很有限的。

太阳直射辐射和高的室外空气温度将使热流通过建筑立面进入室内。传导热流的速度主要决定于建筑立面材料的热惰性。一个被遮挡的建筑立面仍然将受到室外空气温度和散射、反射的影响，但是它不将受到太阳直射辐射的影响。所以一个被遮挡的墙将比一个未被遮挡的墙传递更少的热量，继而也降低了室内冷负荷。

通过遮挡降低室内冷负荷的同时，室内日光水平的降低可能导致人工照明负荷的增加。这将部分抵消由于遮阳而带来的室内冷负荷的益处。

一个系统如果能够在室内分配光线，降低窗口面积处的眩光，以及增加在房间后部的照度，那它就是可取的。太阳得热被减少应该在不损害照度和通风的情况下。可以活动的外遮阳设施通常能很好地取得这一点：理论上，外遮阳设施的上表面都涂有反射材料。Yener描述一个计算模型，用来设计固定遮阳设施，保证灯光负荷不会明显的增大的情况下，使热舒适性和视觉舒适性满足要求，而且眩光也被限制在允许范围内。

4.2 遮阳与灯光

尽管在一个室内的整个照度是很重要的，但是光的均匀性是决定室内光环境质量的决定因素。遮阳设施有再反射和再分配光的作用。遮阳的设施有从简单的光栅到高级的玻璃遮阳系统，还有软百叶帘，反射百叶，垂直遮阳板和玻璃薄膜。他们的主要作用就是提高光水平的一致性。这包括降低窗口附近的光照，提高室内离窗较远环境的光照等等。

不同的系统起到不同的作用，但是他们都有一个共同的目标：他们能提高室内光水平的均匀性，典型的就是将窗口附近的光线重新分配到进深较大的地方。潜在的眩光处也可以通过改变光线的方法来避免。一些实验表明通过提高光照水平的一致性，人们能够适应更低的整体光水平。当光线被完全分配到整个室内空间的时候，即使实际的光照水平低于理想的水平，人们也很少倾向去开灯。当人们的眼睛要适应更高的照度梯度的时候，倾向开灯的可能性就会增大。那种即能阻挡不必要的太阳辐射，又能重新分配太阳光的遮阳设施，自然就有可能在两个方面上取得能耗最小。首先，通过遮阳降低了室内冷负荷；其次，通过提高室内照度的一致性降低了人工照明的使用，从而降低了室内灯光负荷。

4.3 遮阳与热舒适性

热舒适性可以简单地被定义为人们对于周围热环境的感觉满意度。人们的活动水平、衣着和室内微气候如，空气温度、空气湿度和空气流速等因素，都是影响人们热舒适性的基本参数。不舒适一般是由于整体上过冷或过热引起的。它也可能由于一股不理想的气流或身体上部和下部形成的比较大的温差引起的。

人类的热平衡系统允许我们在一个热环境中适应比较大的变化范围。这个控制系统的基础是视丘下部的腺体，它的设置平衡点为37oC。当这个腺体察觉到这个温度变化时，一系列生理反应会驱使身体重新回到37oC。当身体的生理反应，如出汗或战栗，不能调节恢复这个温度时，人们就会感到不舒适。
根据Szokolay的方法，这个使人们既不感到热也不感到冷的点称为热平衡点。它决定于气候变量、生理因素和室外综合温度，如下式：
Tn = 17.6 + 0.31 x Tav,
其中 18.5 < Tn < 28.5oC。

这个热平衡是一个动态的平衡，因为建筑内的温度在一天内总是变化的。这个平衡除了受到建筑设备的影响外，还有以下两个重要因素的影响：
1）室内温度：由于太阳辐射和室外温度的变化，所以室内温度一直在改变人体得失热的速率。
2）建筑的热惰性：因为建筑结构不会立刻随着辐射和室外温度变化而变化。

人体的得失热量过程受到以下几个因素影响，如传导、对流、辐射、新陈代谢和蒸发。热平衡时，
Met - Evp +/- Cnd +/- Cnv +/- Rad = 0
其中:
Met = 新陈代谢
Cnd = 热传导
Cnv = 热对流
Rad = 热辐射
Evp = 蒸发

4.4 遮阳与视觉舒适性

视觉舒适性通常是决定光环境的主要因素。视觉舒适性受到人为的主观因素和年龄影响，还受到日期、季节的变化的影响。当下面的内容满足的时候一个满意的亮度环境是可能取得的。

•合适的照度
•眩光控制
•用于工作的适度对比度
•用于工作的适度色彩

在建筑的日光设计上，足够的照度是第一要求的。光线的正确分配对于视觉舒适性也是很重要的。仅仅提供一个好的表面照度是不够的。像前面提到的，均匀的日光分配能够弥补照度的降低。

当眼睛从一个明亮的地方到一个暗淡的地方时，眼睛将要调整来适应照度的变化，此时会产生短暂的视盲。这就是眼睛要适应眩光时人们会产生不舒适的原因。研究表明：来自自然光的眩光比来自人工灯光的眩光更容易适应。不过，眩光应该被避免。

人工光源的色彩应该尽可能的接近自然光的颜色。自然光能够提供最好的色彩。理论上，高级玻璃遮阳系统（如，三棱镜）不应该干扰日光的颜色质量。

5 结论
遮阳系统的作用对于建筑节能是极其重要的。但由于现代遮阳技术在我国的发展才刚刚起步，研究水平和使用状况都相对滞后，所以需要我们的建筑师、结构工程师和建筑设备工程师的共同努力，推动遮阳技术在我国的健康蓬勃发展。

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