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建筑遮阳与建筑节能
现代建筑是能源消耗的重要组成部分，同时也是构成建筑物使用成本的主要内容，在当前能源日趋紧张的形势下，建筑节能已成为社会关注度极高的现实问题，为此，国家制定了建筑节能规划，推广应用新的节能技术，其中建筑隔热保温是重要的内容，也是建筑节能技术的重点，代表着建筑节能技术的发展方向。

　　我们平时经常谈到绿色建筑、生态建筑，所谓的绿色建筑、生态建筑,指的就是为人们提供健康、舒适、安全的居住、工作和活动的空间，同时实现高效率地利用资源，既节能、节地、节水、节材、最低限度地影响环境的建筑。绿色建筑、生态建筑的内涵，其实就是“以人为本”、“人-建筑-自然”三者之间的和谐统一，也
　　就是“天人合一”。这，既是世界建筑的发展趋势，也是中国建筑的发展趋势。
　　那么，什么样的建筑适合人类呢？在通常情况下，建筑必须具有相应的舒适性，既必须保证一定的日照、通风、温度、湿度。现代的高科技手段已能轻松地解决这些问题。
　　然而，这种舒适是有代价的，那就是能源耗损。为了维持建筑内部的温度，特别是玻璃幕墙建筑内部的温度，空调和锅炉的能耗非常巨大。
　　当今世界，能源已成为最关键的问题之一。能源是国民经济的命脉，对于社会、经济发展，提高人民生活质量以及国家未来生存安全都极为重要。
　　一个国家的总能耗可分为建筑能耗、交通运输能耗和工业能耗三大部分。当前，我国的建筑能耗已接近社会终端总能耗30%，到2020年可能逼近40%。在我国既有和新建建筑中，高能耗建筑分别为99%和95%。中国重要能源的紧缺正逐步成为制约中国经济发展的“瓶颈”。建筑节能已成为刻不容缓的问题。
　　一方面，建筑必须满足人们的舒适性要求，而另一方面，建筑还必须满足节能要求，这似乎是一个矛盾。例如：绿色建筑强调自然采光、通风和加大迎面光以便利用太阳能，但是这样就会增加窗墙比，建筑的保温性能降低，只能强化采暖系统和制冷系统来进行弥补，运营中耗费大量能耗，增加了业主的开支。不少建成与建设中的居住建筑，采用大面积的落地窗，大面宽小进深住宅，在房地产市场中颇受欢迎，但如何运用建筑节能？如何实现政府明确规定的节能指标？
　　如果提高维护结构的保温性能，这必定会增加相应的造价。因此，我们必须在舒适性和节能之间找到一个平衡点。
　　建筑节能的技术途径有很多，比如：提高空调的效率，减少围护结构的散热，提高供热系统的热效率；采用高效保温材料复合，使用多层门窗，提高建筑物的气密性等等。
　　我们公司通过实践认识到，采用建筑遮阳的方式，同样能达到建筑节能的目的，而且是一个自然降低能耗的、经济实用而又效益不错的好方法。
　　现代建筑由于大量的采用了玻璃幕墙结构，致使阳光可直接进入室内，从而使室内温度迅速上升，产生温室效应。为达到降温目的，不得不加大空调的功率，耗能巨大。
　　同时，由于紫外线也毫无阻碍的进入室内，不但对人和物品造成伤害，也使人在直接辐射热的照射下，感觉空调的功率不足。
　　在这种状况下，建筑遮阳的设施作用就突显了出来。建筑遮阳系统可以起到阻隔热量的作用。如果设置室外遮阳系统的话，那么太阳光线到达玻璃窗之前就已经被拦截了；如果是室内遮阳，那么它也能将透过玻璃窗的太阳光线反射回去。同时，遮阳系统隔断了紫外线，能有效地保护人类免受伤害。其次，遮阳系统还可以调节可见光，防止眩光，这对于现代办公是非常必要的。此外，遮阳系统还能调节自然气流并达到改善环境的作用。而最为重要的是，由于遮阳系统的阻隔，减少了空调的功耗，从而达到了节能的目的。

1玻璃幕墙的遮阳节能技术

玻璃幕墙是现代高档建筑较多采用的外围护结构，是建筑物热交换、热传导最活跃、最敏感的部位，是传统墙体失热损失5～6倍，幕墙的能耗约占整个建筑能耗的40%左右，故幕墙的节能有极其重要的地位。
随着我国玻璃幕墙热的发展，去年全国已经超过150万平方米， 近几年玻璃幕墙总面积超过300万平方米。金属玻璃幕墙具有轻量化、不燃化、耐震、施工迅速等优点，在现代都市高楼化，防火、防震、施工安全的要求前提下，已成为不可阻挡的趋势，今后将成为高楼建筑的设计主流。金属玻璃幕墙可以减少传统混凝土外墙大量的钢筋、混凝土使用量，对于减少高耗能建材使用所达到的节约能源、资源有很大的帮助。而且金属玻璃幕墙较易于回收利用，也可达到环保的目的。
　　一、玻璃幕墙遮阳的必要性 ：
　　建筑外围护结构的节能设计，由开窗、方位、遮阳到隔热材料等因素环环相扣， 这些因素左右建筑物的耗能量。台湾的西拉雅研究室曾对台湾的办公建筑的外围护结构进行研究，对建筑外围护结构的各要素的耗能量进行分析，其结果分析如下：
　　地点 　  开窗率　  建筑方位 　外遮阳和玻璃遮蔽因素　   玻璃Ui值　外墙隔热因素
　　台北 　　49.0 　　　13.8 　　　　　 22.3 　　　　　    1.2　　 　　    1.2
　　从以上可以得出结论 ：
　　1) 外墙的开窗率是外墙节能的最重要因素，降低开窗面积率是节能最重要手 段 ，但是降低开窗率也必顾及确保适当的自然采光，并免除心理的封闭感。但是对于追求通透效果的玻璃幕墙而言，只能采用降低开启窗面积并加强不透光地方的隔热设计来达到节能要求。
　　2) 外遮阳和玻璃遮蔽是外墙节能的第二重要因素，玻璃材质及外遮阳都影响遮蔽率的大小，但是装设遮阳板、遮阳百页等外遮阳远比改变玻璃材质的效果大。玻璃材质可选择高反射率的反射玻璃和吸热玻璃(唯反射率太大的反射玻璃会造成眩光污染的公害)。
　　3) 建筑方位因素是外墙节能设计的第三要素(占了12％的比重)。大面积的玻璃幕墙应避免东照西晒。建筑的长向应朝南北向配置。
　　在国内，随着市场经济的发展，建筑节能是中国经济社会可持续发展的迫切需要，建设单位和设计单位的节能环保意识也不断提高，对玻璃幕墙的节能要求也不断的提高，现阶段提高玻璃幕墙隔热保温性能的主要措施有：
　　1)采用镀膜玻璃、LOW-E玻璃、热反射玻璃、中空玻璃等玻璃处理技术以减少太阳透过玻璃的直接辐射。
　　2)采用铝塑复合材料、断热桥型材等高热阻材料应用技术。
　　以上隔热保温措施原理比较简单，使玻璃幕墙结构的传热系数大大降低。这些节能措施在建筑现阶段已应用较广。虽然玻璃幕墙建筑采用遮阳措施能达到更好的隔热节能作用，但在国内，现阶段各方对此重视不够。一栋设计不良的全为玻璃幕墙建筑的全年空调耗电量，可能是一般混凝土外墙大楼的四倍。而玻璃幕墙的使用寿命达五十年之长，其节能效果当然远胜于短寿命的冷气机、冰箱、锅炉等。故玻璃幕墙建筑的节能比其他建筑产品节能更为重要。所以发展玻璃幕墙的遮阳技术也是建筑物是节约能源最有潜力的工具。
　　另外，在建筑设计中要求，当建筑具备下列条件时（建筑标准较高的房间，仅有1～2两项）就要采用遮阳措施：
　　1) 室内气温大于29℃；
　　2) 太阳辐射强度大于240千卡/米时 ；
　　3) 阳光照射室内深度大于0.5米 ；
　　4) 阳光照射室内时间超过一小时 ；
　　采用遮阳措施不仅是玻璃幕墙建筑节能设计的必要手段，而且是标准较高玻璃幕墙建筑的建筑设计的必要手段。
二、遮阳的作用与效果
　　由于玻璃幕墙由玻璃和金属结构组成，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。
　　在玻璃幕墙上设置遮阳系统，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：
　　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。在广州地区进行实测得到的各主要朝向窗口的遮阳系数分别为：西向17%，南向45%，北向60%。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。
　　2) 遮阳对室内温度作用。遮阳防止室内温度上升有明显作用，在广州某西向房间试验观测表明：在闭窗的情况下，有、无遮阳，室温最大差值达2℃,平均差值1.4℃。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) 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。
　　4) 遮阳对建筑外观的作用。一般人都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。
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。而对玻璃表面上升的热空气有阻挡作用，不利散热，因此在遮阳的构造设计时应加以注意。
三、遮阳的形式及构造设计
　　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，以位置上来分有“外部遮阳”与“内部遮阳”之区别，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。（见图5）这种遮阳设施的灵活性大，使用合理，因此近年在国外的建筑中应用较广。

　　就我国所处地理纬度来说，各种遮阳板基本形式适应是朝向范围如下
1．水平式遮阳（见图1） 在玻璃前采用伸出重叠的平板这种形式的遮阳，能有效地遮挡太阳高度角较大的，从玻璃幕墙上方投射下来的阳光。故它适用于南向的玻璃幕墙建筑物。

　　2．垂直式遮阳（见图2） 设于玻璃前之凸出板的垂直式遮阳，能有效地遮挡角度较小的，从玻璃窗侧斜射进来的阳光。但对于角度较大的，从玻璃窗上面射下来的阳光，或接近日出、日没时平射的阳光，它不起遮挡作用。故垂直式的遮阳主要适用于东北，北和西北向附近的玻璃幕墙建筑。

　　3．综合式遮阳（见图3） 综合式遮阳能有效地遮挡高角度中等的，从玻璃窗前射下来的阳光。遮阳效果比较均匀，故它适用于东南或西南向的玻璃幕墙建筑。

　　4.挡板式遮阳（见图4） 这种式的遮阳，能有效地遮挡高度角较小的，正射窗口的阳光。故它主要用于东西向的玻璃幕墙建筑。

　　由于遮阳系统对室内采光，通风及冬季日照等亦带来不同层次的影响。目前出现一种遮阳采光系统。其采用遮阳板和导光板组合的遮采光系统，形式一般为在建筑玻璃幕墙或窗上部装设一水平遮阳设施，其功用除了可直接阻碍太阳的直射光热外，更可间接利用遮阳板设计将太阳光反射至天花板，再经天花板将自然光导入室内较深处（见图6）。
　　遮阳的效果除与遮阳形式有关外，还与构造设计有很大的关系，设计时要特别注意以下几点 ：
　　1．遮阳板面的组合与构造 在满足阻挡直线阳光的前提下，可以有不同板面组合的形式，应该选择对通风，采光，视野，构造和立面处理等要求更为有利的形式。
　　为了使于热空气的散逸，并减少对通风，采光的影响，常将板面做成百页的或部分做成百页的，或中间层做成百页的。遮阳板可用铝板，轻金属或混泥土制做。
　　2．遮阳板的安装位置 遮阳板安装的位置对防热和通风的影响很大。例如将板面紧靠墙面布置时，受热表面加热而上升的热空气将受室外风压作用导入室内。这种情况对综合式遮阳更为严重，为了克服着个缺点，板面应该离开玻璃墙面一定的距离安装，以使大部分热空气沿着墙面排走，且应使遮阳板尽可能减少挡风，最好还能兼起导风入室作用。
　　3．材料与颜色 为了减轻自重，遮阳构件以采用轻质量为宜。遮阳构件经常暴露在室外，受日晒雨淋，容易损坏，因此要材料坚固耐久。如果遮阳室活动式的，又要求轻便灵活，以便调节或拆除。材料的外表面对太阳辐射热的吸收系数要小，设计时可根据上述的要求并结合实际情况来选择适宜的遮阳材料。
　　遮阳的构件的颜色对隔热效果也有影响。以安装在玻璃幕墙内侧的百叶帘为例，暗色、中间色和白色的遮阳系数分别为：86％、74％和62％.白色的比暗色的要减少24％.为了加强表面的反射,减少吸收,遮阳帘朝向阳光的一面,应为浅色发亮的颜色,而在背阳光的一面,应为较暗的无光泽颜色,以免引起眩光。
4．外遮阳和内遮阳 一般来讲，明色室内百叶只可挡去17％太阳辐射热，而室外南向仰角45度的水平遮阳板，可轻易遮去68％的太阳辐射热，两者间的遮阳效果相差甚大。装在窗口内侧的布帘，软百页等遮阳设施，其所吸收的太阳辐射热，大部分将散发给室内空气。如果装在外侧的遮阳板，则吸收的辐射热，大部分将散发给室外的空气，从而减轻了室内温度的影响。因此采用外遮阳（遮阳板）是最好的建筑节能之道。
四、外遮阳构件尺寸的计算
　　(一) 水平式遮阳
　　任意朝向建筑的玻璃幕墙的外水平遮阳板挑出长度，按下式计算
　　L-=H*coths*cosγs，ω
　　式中

　　L----水平板挑出长度，m;
　　H---水平板下沿至下一水平板高度，m;
　　hs---太阳高度角，deg;
　　γs，ω----太阳方位角与墙方位角之差，deg;
　　γs，ω=As-Aω
　　As---太阳方位角，deg;
　　Aω---墙方位角,Deg.
　　(二) 垂直式遮阳
　　任意朝向建筑的玻璃幕墙的外垂直遮阳板挑出长度，按下式计算：
　　L⊥=B·cotγs，ω
　　式中
　　L⊥---垂直板挑出长度，m；
　　B---板面间净距，m；
　　γs，ω---太阳方位角与墙方位角之差，deg

　　(三) 综合式遮阳
　　任意朝向建筑的玻璃幕墙的综合式遮阳的挑出长度，可先计算出垂直板和水平板两者的挑出长度，然后根据两者计算的数值按构成的要求确定综合式遮阳挑出长度。
　　附：太阳高度角和方位角的计算公式 ：
　　1.求太阳高度角hs ：
　　sin hs =sinφ·sinδ+cosψ·cosδ·cosΩ
　　式中 hs-太阳高度角，deg;
　　φ-地理纬度，deg;
　　δ-赤纬，deg;
　　Ω-时角，deg。
　　2，求太阳方位角As ：
　　COSAs= sinhs·sinψ-sinδ/(coshs·cosψ)
　　As-太阳方位角，deg.
五、遮阳系统智能化设计
　　现今高资讯科技化的社会，人们是生活形态已逐渐改变，创造高资讯科技化和人性化的生活空间与环境,已成为目前建筑物生产力与经济效益外的另一项重要规划设计课题。智能化建筑的室内环境的控制是以智能化的方式控制物理或以自动化的方式，以达到建筑物的安全，健康，节能，舒适与高效率的工作环境，智能化建筑不仅需要令各种设备系统的效能均处与最适化的运转下，更需要使设备系统和空间的使用及构造材料，施工方法系统整体结合，充分考虑视觉，听觉及触觉和感觉感受，以满足高性能及高感性的人性化设计。当暖通和综合照明系统的智能化正被人们接受并广泛成为大型楼字和现代家居之必需时，遮阳系统智能化的诸多优点却被忽略，或仅仅作为楼宇的点缀而已。我们认为智能遮阳系统是建筑智能化系统不可或缺的一部分,相信越来越多的现代建筑将采用，并在设计阶段就应被集成进去。遮阳系统为改善室内环境而设，遮阳系统的智能化将是建筑智能化系统最新和最有潜力的一个发展分支。
建筑幕墙的遮阳系统智能化就是对控制遮阳板角度调节或遮阳帘升降的电机的控制系统采用现代计算机集成技术。目前国内外的厂商已经成功开发出以下几种控制系统:
　　1.时间电机控制系统 这种时间控制器储存了太阳升降过程的记录，而且，已经事先根据太阳在不同季节的不同起落时间作了调整。因此，在任何地方，控制器都能很准确地使电机在设定的时间进行遮阳板角度调节或窗帘升降。并且还能利用阳光热量感应器(热量可调整)，来进一步自动控制遮阳帘的高度或遮阳板角度，使房间不被太强烈的阳光所照射。
　　2.气候电机控制系统 这种控制器是一个完整的气候站系统，装置有太阳/风速/雨量/温度感应器。此控制器在厂里已经输入基本程序包括光强弱/风力/延长反应时间的数据。这些数据可以根据地方和所需而随时更换。而 “延长反应时间” 这一功能使遮阳板或窗帘不会因为太阳光的小小改变而立刻作出反应。
　　遮阳系统能够实现节能的目的，需要靠它的智能控制系统，这种智能化控制系统是一套较为复杂的系统工程，是从功能要求到控制模式到信息采集到执行命令到传动机构的全过程控制系统。它涉及到气候测量、制冷机组运行状况的信息采集、电力系统配置、楼宇控制、计算机控制、外立面构造等多方面的因素。智能遮阳系统的节能功效可以在设计阶段就能被计算机推导软件容易并可靠地计算出来。（图7为德国柏林议会新穹顶，其遮阳叶板由计算机控制随太阳移动）

六、结语
　　研究遮阳系统对建筑物艺术与建筑技术作用和效果，尤其是建筑节能与智能化方面，需要我们的不断的开发和研究。对国内外建筑遮阳技术的调研 ；对适用性遮阳构造方案研究 ；对遮阳构造的性能系数研究 ；对适用遮阳系统节能软件开发 ；和遮阳构造艺术性的评价将是我们以后的工作重点。
　同时也希望国内企业和同行在掌握和学习国外新技术的同时，能够全面地研究遮阳系统相关技术的发展和配套产品的开发，真正使国内的建筑幕墙的遮阳系统跟上时代步伐。