樊旭燕
(太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030027)
從建筑遮陽(yáng)看節(jié)能
樊旭燕
(太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030027)
建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能及門窗的氣密性是影響建筑能耗的主要因素。隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能建筑的日益重視,加強(qiáng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫,特別是窗戶的保溫性和氣密性,設(shè)置科學(xué)合理的遮陽(yáng)設(shè)施是節(jié)約建筑能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文章著重從建筑遮陽(yáng)存在的問題、意義、作用等方面對(duì)建筑遮陽(yáng)設(shè)置進(jìn)行了介紹和綜合分析,指出未來(lái)建筑遮陽(yáng)的發(fā)展趨勢(shì)。
建筑遮陽(yáng);建筑能耗;節(jié)能;采光
夏日炎炎的正午,寒風(fēng)凜冽的冬日,人們往往將門窗緊閉,以躲避炎熱的陽(yáng)光或阻擋刺骨的寒風(fēng)……但效果甚微。此時(shí),人們常常會(huì)想,為什么建筑外窗不能采取一些行之有效的措施以遮擋烈日寒風(fēng)呢?
其實(shí),為了遮擋陽(yáng)光,古今中外的人們想到了許許多多的辦法,如窗口懸掛窗簾,窗扇開啟方式的調(diào)節(jié)變化,窗前綠化遮陽(yáng),利用建筑的大坡頂、大挑檐、寬外廊、百葉窗等等。
當(dāng)前,我國(guó)建筑能耗已占到社會(huì)總能耗的30%左右,到2020年將達(dá)到40%,如果加上原材料的運(yùn)輸和損耗等,建筑能耗可能高達(dá)50%。在我國(guó)既有建筑和新建建筑中,高能耗建筑分別占99%和95%。建筑節(jié)能已成為刻不容緩的問題。
建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能及門窗的氣密性是影響建筑能耗的主要因素。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,我國(guó)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱損失約占建筑能耗的70%~80%;通過(guò)外窗散失的能耗占建筑總能耗的20%~45%,在寒冷及嚴(yán)寒地區(qū),通過(guò)外窗傳熱所散失的熱損失占建筑能耗的25%左右,通過(guò)門窗縫隙空氣滲透熱損失約占建筑能耗的22%~37%。采用遮陽(yáng)設(shè)施,可以節(jié)約空調(diào)用電25%左右,設(shè)置有效遮陽(yáng)設(shè)施的建筑,可以提高外窗保溫性能,節(jié)約建筑采暖能耗10%左右。若2020年我國(guó)有一半建筑采用遮陽(yáng)設(shè)施,每年可節(jié)約1億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,占全國(guó)能耗總量的4%以上。加強(qiáng)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫,特別是窗戶的保溫性和氣密性,設(shè)置科學(xué)合理的遮陽(yáng)設(shè)施是節(jié)約建筑能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。
歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在19世紀(jì)后期就普遍使用遮陽(yáng)物,甚至在人們思想中形成了“沒有遮陽(yáng)的建筑是不完整的建筑”的觀念。在我國(guó),建筑遮陽(yáng)僅有短短的一二十年歷史,隨著建筑節(jié)能的逐步發(fā)展和節(jié)能相關(guān)政策的推行,建筑遮陽(yáng)作為建筑節(jié)能的一項(xiàng)重要技術(shù)手段,近年來(lái)越來(lái)越受到重視。但由于經(jīng)濟(jì)原因及人們對(duì)遮陽(yáng)的作用認(rèn)識(shí)不足,目前建筑遮陽(yáng)發(fā)展主要存在以下一些問題:
1.在我國(guó)大部分地區(qū),夏季降低室內(nèi)溫度、改變室內(nèi)熱舒適度大多靠空調(diào),加之人們認(rèn)為設(shè)置各種遮陽(yáng)板影響了建筑的立面造型,建筑本身多數(shù)沒有進(jìn)行科學(xué)合理的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)。
2.已經(jīng)進(jìn)行了遮陽(yáng)處理的,只是在建筑建造完成后,針對(duì)實(shí)際使用情況,由住戶自行安裝遮陽(yáng)設(shè)施,各家各戶的遮陽(yáng)方法五花八門,遮陽(yáng)材料各式各樣,不顧及立面效果,破壞了建筑造型的整體效果,影響了建筑的美觀。
3.住戶自行設(shè)置的遮陽(yáng)設(shè)施不論窗口朝向如何,多數(shù)為水平遮陽(yáng),缺乏建筑物理相關(guān)知識(shí),達(dá)不到應(yīng)有效果。如住宅北向陽(yáng)臺(tái)或窗口采用水平遮陽(yáng),在夏季,當(dāng)太陽(yáng)照到北立面時(shí),高度角已經(jīng)很低,水平遮陽(yáng)效果甚微。
4.住戶自行設(shè)置的遮陽(yáng)設(shè)施采用PVC材料或布篷,易老化,抗腐蝕能力差,安全性較差,使用壽命非常短暫。
2010年6月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了通知,建筑遮陽(yáng)技術(shù)推廣工作正式開始。建筑采取有效的遮陽(yáng)措施,能合理控制太陽(yáng)光線進(jìn)入室內(nèi),減少建筑空調(diào)能耗,降低室溫,改善室內(nèi)熱環(huán)境、光環(huán)境,是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能最為立竿見影的方法,遮陽(yáng)構(gòu)件也是影響建筑形體和美感的重要因素之一。
1.有效遮擋太陽(yáng)光,夏季降低空調(diào)能耗,冬季減少采暖能耗
建筑遮陽(yáng)是建筑節(jié)能措施中一種操作簡(jiǎn)單、行之有效的手段。建筑如果采用遮陽(yáng)系統(tǒng),可有效阻擋太陽(yáng)輻射熱進(jìn)入室內(nèi),使建筑物室內(nèi)溫度降低,從而大幅度降低建筑用電能耗。
2.利用自然采光節(jié)約照明能耗,改善室內(nèi)熱舒適度
通過(guò)科學(xué)合理地選擇遮陽(yáng)形式與遮陽(yáng)材料,可以合理地調(diào)節(jié)可見光,防止眩光,減少陽(yáng)光中的紫外線所帶來(lái)的各種危害,還能調(diào)節(jié)自然氣流并達(dá)到改善室內(nèi)熱舒適度的作用。遮陽(yáng)構(gòu)件還可以遮蓋墻面開口部分,造成空氣壓力差,加速室內(nèi)空氣流通,以增強(qiáng)通風(fēng)換氣效果。
3.裝飾建筑立面
把建筑室外遮陽(yáng)系統(tǒng)作為一種建筑立面元素加以利用,形成雙層立面形式,一層是建筑本身立面,另一層是動(dòng)態(tài)的遮陽(yáng)形成的立面,將功能性和裝飾性完美地融為一體。
4.建筑遮陽(yáng)可以有效地降低工程成本和減少建筑物運(yùn)行費(fèi)用
建筑遮陽(yáng)在改善人們的工作和生活環(huán)境的同時(shí),還能夠有效降低建筑建造和運(yùn)行成本。數(shù)據(jù)顯示,就建筑制冷系統(tǒng)單項(xiàng)而言,采用遮陽(yáng)系統(tǒng)可降低成本約26%,減少建筑物運(yùn)行費(fèi)用30%左右;在同樣設(shè)置空調(diào)的情況下,有遮陽(yáng)系統(tǒng)比無(wú)遮陽(yáng)系統(tǒng)建筑節(jié)能可達(dá)44%。
在建筑能耗分析中,外窗對(duì)建筑能耗的損失主要有兩個(gè)原因:一是窗的熱工性能太差所造成夏季空調(diào)、冬季采暖室內(nèi)外溫差的熱量損失的增加;二是窗因受太陽(yáng)輻射影響而造成的建筑室內(nèi)空調(diào)采暖能耗的增減。減少窗的溫差傳熱是建筑節(jié)能中減少窗口熱損失的主要因素。
在建筑方案設(shè)計(jì)階段,在平面布置和立面處理上,應(yīng)避免炎熱季節(jié)直射陽(yáng)光照射到房間內(nèi),要充分利用綠化遮陽(yáng)及建筑構(gòu)件遮陽(yáng)。如果這些措施仍不能滿足遮陽(yáng)要求時(shí),才宜采取專設(shè)的窗戶遮陽(yáng)。在保證良好室內(nèi)自然光的同時(shí),外置式遮陽(yáng)可遮擋100%的太陽(yáng)直接輻射,對(duì)散射輻射、反射輻射的遮擋率也可大于70%,綜合對(duì)太陽(yáng)光總輻射的遮擋率可達(dá)85%以上,這是內(nèi)遮陽(yáng)、小百葉遮陽(yáng)無(wú)法達(dá)到的效果。
建筑遮陽(yáng)的措施主要包括:(1) 利用綠化進(jìn)行遮陽(yáng);(2)結(jié)合建筑構(gòu)件設(shè)置外窗遮陽(yáng);(3)專門設(shè)置的遮陽(yáng)設(shè)施。
1.利用綠化遮陽(yáng)
利用綠化遮陽(yáng)是一種經(jīng)濟(jì)有效的措施,特別適用于低層建筑,或在窗外種植藤蔓植物,或在窗外一定距離種樹。按照樹木的直徑和高度,根據(jù)不同朝向的窗口需遮陽(yáng)時(shí)的太陽(yáng)方位角和高度角來(lái)正確選擇適宜的樹種和樹形,確定樹的種植位置。樹的位置除滿足遮陽(yáng)的要求外,還要盡量減少對(duì)通風(fēng)、采光和視線的影響。
(1)在建筑周圍種樹,一般選用高大、樹枝伸展較寬、夏天茂盛、冬天落葉的喬木,應(yīng)注意不能影響窗口自然通風(fēng)與采光。在夏季主導(dǎo)風(fēng)向上,不應(yīng)種植太密的樹木,以免降低風(fēng)速甚至改變風(fēng)向,造成自然通風(fēng)受阻。此外,枝葉茂密的樹木不宜距離窗口太近,以免成年樹木枝葉遮擋自然光線或在刮風(fēng)時(shí)對(duì)外窗玻璃造成一定的破壞。
(2) 墻面綠化遮陽(yáng),一般選擇爬藤類植物如爬山虎、牽牛花、爆竹花、中華長(zhǎng)春藤等,可以有效降低外墻面熱量傳遞,改善室內(nèi)熱環(huán)境,對(duì)于東西朝向建筑外墻遮陽(yáng)效果明顯。在低層建筑中可選擇南瓜、絲瓜、葫蘆等,既具有一定的遮陽(yáng)效果,又具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
2.結(jié)合建筑構(gòu)件設(shè)置外窗遮陽(yáng)
建筑物采取遮陽(yáng)措施,往往對(duì)室內(nèi)的通風(fēng)、采光產(chǎn)生較不利的影響。在遮陽(yáng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)建筑本身的要求和建筑條件,注意通風(fēng)、采光和防雨、視野等問題的處理及遮陽(yáng)和建筑立面造型的協(xié)調(diào),力求遮陽(yáng)系統(tǒng)構(gòu)造簡(jiǎn)單,經(jīng)濟(jì)耐用。
目前常用的遮陽(yáng)基本形式包括水平式、垂直式、綜合式和擋板式等四種。
(1)水平式遮陽(yáng)。這種遮陽(yáng)形式能有效遮擋高度角較大的、從窗口上方投射下來(lái)的陽(yáng)光。一般適用于接近南向的窗口和低緯度地區(qū)北向附近的窗口遮陽(yáng)。
密斯·凡德羅(Ludwig Mies·Van der Rohe,1886~1969)提出了“少則多”(Lessis more)的設(shè)計(jì)原則,所謂“少”是針對(duì)當(dāng)時(shí)建筑界流行的古典裝飾手法提出的,而“多”則指的是大工業(yè)條件下形式簡(jiǎn)潔而功能豐富的建筑。該設(shè)計(jì)觀念最初是為了追求所謂的單純建筑,引起了極大的爭(zhēng)議,但深遠(yuǎn)地影響了 20 世紀(jì)以來(lái)從事各個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)師、設(shè)計(jì)教育,他可以說(shuō)是 20 世紀(jì)對(duì)于世界設(shè)計(jì)影響最大的一個(gè)人物。
(2)垂直式遮陽(yáng)。這種遮陽(yáng)形式能夠有效地遮擋高度角較小的、從窗口側(cè)向斜射過(guò)來(lái)的陽(yáng)光;對(duì)于高度角較大的、從窗口上方投射下來(lái)的陽(yáng)光,或接近日出、日落時(shí)平射窗口的陽(yáng)光,起不到遮擋作用。一般適用于東北、北和西北向附近的窗口。
(3)綜合式遮陽(yáng)。這種遮陽(yáng)形式能夠有效遮擋高度角適中的、從窗前斜射下來(lái)的陽(yáng)光,遮陽(yáng)效果比較均勻。一般適用于東南或西南向附近的窗口。
(4)擋板式遮陽(yáng)。這種形式的遮陽(yáng)能夠有效遮擋高度角較小的、正射窗口的陽(yáng)光。一般適用于東、西向附近的窗口。
設(shè)計(jì)遮陽(yáng)時(shí),應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和窗口所在朝向,把遮陽(yáng)做成永久性或臨時(shí)性的遮陽(yáng)設(shè)施。
遮陽(yáng)設(shè)施遮擋太陽(yáng)輻射熱除取決于遮陽(yáng)形式外,還與遮陽(yáng)設(shè)施的構(gòu)造處理、安裝位置、材料與顏色等因素有關(guān)。遮陽(yáng)設(shè)施遮擋太陽(yáng)輻射熱的效果,一般以遮陽(yáng)系數(shù)來(lái)表示。遮陽(yáng)系數(shù)越小,說(shuō)明透進(jìn)窗口的太陽(yáng)輻射熱越小,防熱效果越好。
3.專門設(shè)置的遮陽(yáng)設(shè)施
(1)活動(dòng)式外遮陽(yáng)
活動(dòng)式遮陽(yáng)設(shè)施可以根據(jù)需要,自由地控制其開啟角度,避免與采光、自然通風(fēng)、視野之間的相互矛盾。
外遮陽(yáng)卷簾是一種有效的遮陽(yáng)措施,可有效遮擋強(qiáng)光進(jìn)入室內(nèi),自身具有透光、透景、調(diào)節(jié)溫度。它能夠遮擋幾乎所有的太陽(yáng)輻射熱,基本不占用室內(nèi)空間,可以有效調(diào)節(jié)自然光線,使太陽(yáng)光線透射面料后產(chǎn)生漫反射,使刺眼的強(qiáng)光被過(guò)濾成柔和的漫射光,提高了人的視覺舒適度。適當(dāng)拉開遮陽(yáng)卷簾與窗戶玻璃之間的距離,利用自然通風(fēng)帶走卷簾上的熱量,能有效減少卷簾吸收的熱量向室內(nèi)傳遞。
活動(dòng)百葉簾既可以升降,又可以調(diào)節(jié)角度,在遮陽(yáng)和采光、通風(fēng)之間達(dá)到了平衡,在建筑遮陽(yáng)中得到大量應(yīng)用。
遮陽(yáng)紗幕可根據(jù)材料選擇控制可見光的進(jìn)入量,防止紫外線,是一種適合于炎熱地區(qū)的外遮陽(yáng)方式。紗幕緊貼著窗戶外側(cè)。紗幕的稀疏度是決定有多少光線能夠穿過(guò)紗幕的關(guān)鍵因素,如稀疏度為14%或是6%,即分別阻擋86%和94%的太陽(yáng)熱輻射。同時(shí),使用遮陽(yáng)紗幕還保持了玻璃的可見度和自然采光,對(duì)東西朝向的窗戶來(lái)說(shuō),遮陽(yáng)更有效。
遮陽(yáng)蓬是比較常見的遮陽(yáng)方式,具有全面的外遮陽(yáng)功能,能夠使強(qiáng)烈的陽(yáng)光以漫射光的形式反射入室內(nèi),使室內(nèi)光線明亮而不眩目。遮陽(yáng)篷適用于低層、多層建筑的窗口外遮陽(yáng),不宜用在高層建筑。
(2)中置式遮陽(yáng)
中空玻璃目前大量應(yīng)用于建筑外窗,利用中空玻璃的中間隔層放置百葉、卷簾等遮陽(yáng)設(shè)施,和窗框及玻璃組合成為整扇窗戶,整體性較強(qiáng),遮陽(yáng)設(shè)施控制靈活,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,夏季可降低室內(nèi)溫度2~3℃,冬季可提高室內(nèi)溫度3~4℃。
(3)內(nèi)遮陽(yáng)設(shè)施
采用內(nèi)遮陽(yáng),太陽(yáng)輻射穿過(guò)玻璃,一部分直接透過(guò)遮陽(yáng)設(shè)施進(jìn)入室內(nèi),另一部分被遮陽(yáng)設(shè)施反射,還有一部分被遮陽(yáng)設(shè)施吸收,減少了最終進(jìn)入室內(nèi)的熱量,降低了室內(nèi)的太陽(yáng)輻射的熱量,還可使室內(nèi)光線柔和,采光系數(shù)均勻,緩解強(qiáng)烈的眩光。安裝內(nèi)遮陽(yáng)設(shè)施可使室內(nèi)溫度降低4~5℃,節(jié)省30%~45%空調(diào)能耗。
(4)玻璃自遮陽(yáng)
有關(guān)研究資料表明,玻璃內(nèi)表面?zhèn)鳠嵋暂椛錇橹?,?8%,減少熱能損失最有效的方法是抑制玻璃內(nèi)表面的輻射。利用玻璃自身的遮陽(yáng)性能,選擇遮陽(yáng)系數(shù)較小的玻璃,如吸熱玻璃、熱反射玻璃、LOW-E玻璃等,阻斷部分陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi),具有良好的遮陽(yáng)效果。玻璃貼隔熱、防輻射膜也可以改善普通玻璃的遮陽(yáng)性能。但利用玻璃進(jìn)行遮陽(yáng)時(shí)必須關(guān)閉窗戶,會(huì)對(duì)房間的自然通風(fēng)造成一定的影響,使滯留在室內(nèi)的部分熱量無(wú)法散發(fā)出去,應(yīng)配合百葉遮陽(yáng)等措施應(yīng)用,才能取得較好的遮陽(yáng)效果。
(5)形體遮陽(yáng)
“形體遮陽(yáng)”也稱“建筑自遮陽(yáng)”,是最廉價(jià)、最環(huán)保的遮陽(yáng)方式。運(yùn)用建筑形體的外挑與變異,利用建筑構(gòu)件自身產(chǎn)生的陰影來(lái)形成建筑的自遮陽(yáng),達(dá)到減少屋頂和墻面受熱的目的。
世博會(huì)中國(guó)館在建筑體形設(shè)計(jì)上,由下至上層層向外伸展,形成自遮陽(yáng)體型,避免上海夏季的強(qiáng)烈光照,也為下層空間遮陰節(jié)能,同時(shí)還能有效產(chǎn)生自然通風(fēng),創(chuàng)造了優(yōu)美和與眾不同的建筑形態(tài)。
根據(jù)建筑設(shè)計(jì)風(fēng)格和日照規(guī)律,可采用多種高效遮陽(yáng)技術(shù)來(lái)避免陽(yáng)光直射導(dǎo)致室內(nèi)溫度過(guò)高。較先進(jìn)的遮陽(yáng)技術(shù)包括戶外可調(diào)百葉簾、可伸縮外遮陽(yáng)蓬、戶外天窗遮陽(yáng)簾、戶內(nèi)百葉簾、日光增強(qiáng)型百葉簾、太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)卷閘簾、太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)風(fēng)光感應(yīng)及無(wú)線控制器等,使外窗的綜合遮陽(yáng)系數(shù)降到0.4,天窗遮陽(yáng)系數(shù)降到0.2。
1.電動(dòng)類智能遙控窗簾
遙控電動(dòng)窗簾在近年被廣泛應(yīng)用于高級(jí)智能公寓和私人別墅。只要遙控器輕按一下,窗簾就自動(dòng)開合(百葉窗可以自動(dòng)旋轉(zhuǎn)),非常方便。采用智能控制系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)窗簾的定時(shí)開關(guān)、場(chǎng)景控制等高級(jí)控制功能。隨著科技的進(jìn)步,又出現(xiàn)了直線電機(jī)新技術(shù),系統(tǒng)定時(shí)控制器能預(yù)先在24小時(shí)內(nèi)進(jìn)行多次自動(dòng)開啟與關(guān)閉的設(shè)置。如遇主人外出,系統(tǒng)會(huì)按照習(xí)慣在每天同一時(shí)間自動(dòng)開啟及關(guān)閉窗簾,確保安全。
2.磁驅(qū)直線電動(dòng)窗簾
磁驅(qū)直線電動(dòng)窗簾直接利用磁驅(qū)動(dòng)的力量驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行往返動(dòng)作,帶動(dòng)窗簾作來(lái)回往返運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)窗簾的開合。運(yùn)行中電機(jī)與軌道運(yùn)行無(wú)接觸,減少了機(jī)械故障,降低了噪音,確保了運(yùn)行的可靠性,設(shè)計(jì)更緊湊、結(jié)構(gòu)更合理、外觀更精美、可靠性更好、安全性更高、使用壽命更長(zhǎng)。
3.建筑外遮陽(yáng)一體化門窗
建筑外遮陽(yáng)一體化門窗是將節(jié)能門窗與外遮陽(yáng)組合在一起的新結(jié)構(gòu),是運(yùn)用空氣間層保溫原理和型材空腔斷熱結(jié)構(gòu)的高效節(jié)能新技術(shù)的有機(jī)組合。據(jù)測(cè)算,一體化卷簾式遮陽(yáng)窗,夏天可降低空調(diào)能耗58.4%;冬天可有效提高外窗保溫性能23.4%,降低建筑能耗48.7%。
4.生態(tài)遮陽(yáng)
生態(tài)遮陽(yáng)在綠化的基礎(chǔ)上,更重視新材料、新技術(shù)的運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和調(diào)節(jié),加強(qiáng)遮陽(yáng)效果,同時(shí)兼顧采光、通風(fēng)等功能和立面效果,使遮陽(yáng)成為綜合解決各種問題的多功能綜合構(gòu)件。
遮陽(yáng)板結(jié)合太陽(yáng)能光電和光熱轉(zhuǎn)換板,不僅避免遮陽(yáng)構(gòu)件自身可能存在的吸熱升溫問題,而且將吸收的熱量轉(zhuǎn)換成對(duì)建筑有用的電能、熱能加以利用。
5.智能窗簾
智能窗簾是帶有一定自我反應(yīng)、調(diào)節(jié)、控制功能的窗簾。根據(jù)陽(yáng)光照射的情況,自動(dòng)調(diào)節(jié)光線強(qiáng)度、空氣濕度、平衡室溫等。白天可將陽(yáng)光中熱能吸收,晚間釋放。在窗簾織物中加入儲(chǔ)光材料,在白天將光能吸收,夜間熄燈后仍有足夠的光照,節(jié)約能源。
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TU
A
1673-0046( 2012)2-0153-03