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建筑设计中遮阳百叶的应用

2010-12-16

作者:郭清华  夏 斐
摘 要:结合国内节能建筑的现状,对
遮阳百叶的特点和形式作了阐述,并对固定式可动遮阳百叶的设计原理和应用作了分析,探讨了遮阳百叶的能效测定结果,指出采用可动遮阳百叶比固定遮阳百叶的节能效果好。
关键词:
太阳能建筑,建筑节能,遮阳百叶
引言
    能源问题日益引起有识之仕的高度重视,占国家全部能源消耗的30 %~40 %的建筑能耗问题在我国政府的宏观调控下正冲击着建筑师们的创作灵感,一些试验性的
太阳能建筑在全国各地正日益兴起。一个以节能为主题的建筑时代正悄悄地在我国拉开帷幕。
    太阳能,这种取之不尽、用之不竭的绿色能源,越来越受到人们的重视。太阳能的利用,就是利用太阳能在冬日为建筑物提供一部分热能。比较受欢迎的做法是被动式太阳能的应用,如南向开较大的窗,或附加日光间。在寒冷的冬季,的确受益匪浅;然而,夏日炎热的阳光仍然更多地进入室内,则造成大量的空调冷负荷。在窗口设置
遮阳后,对遮挡太阳辐射热量和闭窗情况下降低室内气温,效果都较为显著。广州地区四个朝向,在夏天一天内透进的太阳辐射热量及遮阳后的效果。附加了一定的遮阳措施,热量通过将明显减少,大约只占原先的1/ 3 左右。
    目前,国内外比较先进的遮阳措施是采用智能遮阳卷帘遮阳百叶。在此仅讨论一下遮阳百叶在国内外建筑设计中的应用。
1  遮阳百叶的特点和形式
1. 1  遮阳百叶的特点
遮阳卷帘相比,智能遮阳百叶有其独到的特点和优点:
1) 根据人们对室内光线的需求量,
外遮阳百叶可以光控、风控、通过变换角度来调整进光量;
2)
室外遮阳百叶置于玻璃幕之外,与建筑融为一体,丰富建筑立面造型;
3) 置于两层玻璃之间,形成“
可呼吸外墙”;
4)
遮阳百叶还可以解决私密性和防盗问题。
另外,结合
卷帘的做法,使百叶自由收放。即需要时散开百叶,不需要时折叠收起,做成可动的遮阳百叶,使冬日阳光通畅地进入室内,夏日阳光绝大部分被遮挡在外。
1. 2  遮阳百叶的形式
   
遮阳百叶就其系统本身而言,从位置上分“外部遮阳”和“内部遮阳”,其中又可分为“活动式遮阳”和“固定式遮阳”。固定式外遮阳,比较成熟的常用的做法有四种:水平式、垂直式、综合式和挡板式。
    一般来说,
水平式遮阳板多应用于南向及北向,遮挡入射角较大的阳光;垂直遮阳有利于遮挡从两侧斜射而入射角较小的阳光;综合式遮阳板主要适用于南向、南偏东以及南偏西向,适用于遮挡入射角较小、从窗侧面斜射下来的阳光;挡板式遮阳适用于东、西朝向的窗口,遮挡太阳入射角较低、正射窗口的阳光。各种遮阳设施采用的材料一般为混凝土、钢铁、木材、铝合金、篷布等,由于铝合金材料具有轻质高强、耐久性、蓄热性以及较低的导热性,工艺也比较成熟,所以成为当前国内外遮阳设施的常用材料。
   
活动式遮阳百叶,也称智能遮阳百叶,是目前比较先进的做法,在一些发达国家的生态建筑设计中有应用,目前我国应用极少。
2  固定式遮阳百叶的设计原理和应用
    在生态建筑设计中,夏季的遮阳措施不能阻挡冬季对太阳热能的利用,特别是对于夏热冬冷地区,南向采用水平固定遮阳时,最好根据建筑所处的地理纬度、经度,以及遮阳时日的太阳高度角、方位角等因素计算确定D , L 与h 的关系,以确保夏季遮阳和冬季被动采暖。
一般来说,任意朝向建筑的水平遮阳板挑出长度,按下式计算:
L = H·ctg hs·cosγs , w ,
γs
, w = As - A w 。
式中: L ———水平板挑出长度;
H ———水平板下沿至下一水平板距离;
hs ———太阳高度角,°;
γs
, w ———太阳方位角与墙方位角之差,°;
As ———太阳方位角,°;
A w ———墙方向角,°。
    实际应用中,将
水平遮阳板做成百叶式;或部分做成百叶式;或中间做成百叶式,这样便于热空气的逸散,并减少对通风、采光的影响。
   
固定遮阳百叶安装时,板面应离开墙面一定距离,以使大部分热空气沿墙排走。在材料的选择上,则要求轻质、坚固耐久。为了加强表面的反射,减少吸收,遮阳板朝向阳光的一面,应涂以浅色发亮的油漆,以避免产生眩光。
    但是,在许多地区,
固定遮阳板的水平设计长度并不能保证夏季遮挡住全部阳光进入室内,冬季阳光完全进入室内。所以,可动遮阳百叶成为新的发展趋势。
3  可动遮阳百叶的设计和应用
3. 1  百叶置于窗外
    百叶置于窗外,通过
旋转百叶的角度来调整进光量,冬季可将百叶收起,让更多的阳光进入室内;夏季将百叶散开,阻止阳光进入室内。这种做法与内遮阳相比,可以阻止太阳辐射热进入室内,同时美化了建筑造型。它适用于对隔热和防护要求较高的场所。一些金属百叶片还可以设计成包裹有玻璃或其他保温材料的复合结构,成为集遮阳、防护、保温、防盗为一体
的多功能百叶窗。
    另外,由国外的许多案例可以发现,以轻巧的金属板设计成优美的遮阳形式可成为建筑造型有趣的一部分。因此,在欧洲,已经把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,另一层是动态的遮阳状态的立面形式。
    澳大利亚suburb of Bregenz 中心的Mundane peace ,窗口外设计为带形花台,斜向支撑,见图3 。冬季,可动的遮阳板向上旋转,与花台的斜向支撑合为一体,以便让更多的阳光进入室内;夏季,
遮阳板向下旋转,以阻止阳光进入室内,遮阳板内置百叶,在保证室内凉爽的同时,保持室内自然采光与自然通风效果。这种可动水平遮阳板为平淡的立面增加一行行水平的韵律。这是一座优美的、绿色的、受外界温度变化干扰较少的宜人建筑,也是遮阳与建筑造型完美结合的典范。
3. 2  百叶置于两层玻璃中间
    将
百叶置于两层玻璃中间,称之为“可呼吸外墙”的做法。外表通透,幕墙玻璃没有镀膜处理;室内透光的玻璃窗可以向外开启,此时并不是直接接触外界,而是还有一层固定玻璃阻隔;双层幕墙之间有0. 5 m 的中间层,内部幕墙窗开启的状态下,室外空气首先经过外层幕墙底部的百叶、过滤设施进到中间层,在室内循环后,通过外层幕墙顶部的百叶逸出。另外,双层幕墙之间安装可随阳光照射自动调节的百叶,适时地起到遮阳作用。
    位于弗兰克福特市的普锐思玛大厦,该建筑从整体到细部均体现生态节能思想。整体上,三角形的平面,三边围合为三角形的中庭,自然通风,自然采光,冬暖夏凉。南向的双层玻璃幕墙,中间置百叶,冬季将百叶收起,让冬日的阳光进入室内,且室外新鲜的空气从底部风道进入被加热后再进入室内;夏日将百叶落下,阻止阳光进入室内,外层玻璃和百叶之间的热空气上升从顶部旁通管排出;内层玻璃可开启,实现室内自然通风。据测试,当室外温度达到32 ℃时,室内温度仅有28 ℃,室外温度在- 5 ℃时,室内温度可达20 ℃。如果气流能被看到,人们可清楚地看到这座建筑节能的活动方式,并识别到它的呼吸性。
    这种自由呼吸的外墙提升了人们在建筑中的舒适度。其优点表现在:房间空气始终舒适宜人;隔音性能好;光能利用率高;与普通外墙的安装在外观上无异;外观轻盈美观。目前对“可呼
吸外墙”的推广还存在着种种现实困难,原因是造价较高。但是,随着社会经济的迅速发展和人们对室内绿色环境的追求,这种“可呼吸外墙”将会得到普遍应用。
4  遮阳百叶的能效测定
    采用DOE21N 软件作为计算工具。它是由中国建筑科学研究院建筑物理研究所开发的建筑能耗动态模拟分析计算软件,采用美国劳伦斯伯克力国家实验室(Lawrence Berkeley National
Laboratory) 开发的DOE22 程序为设计内核。
     为便于计算,简化计算过程,建筑模型为一般的内廊式多层办公楼,层高2. 8 m ,开间3. 6 m ,所处地区为夏热冬冷地区。为更加直观地比较,所有窗户都为1. 5 m~3. 0 m 的单玻璃PVC 塑料窗, 无任何遮阳措施时, 建筑全年单位建筑面积耗电量是50. 5 kWh/ m2 为100 %,将计算出的南向外窗外遮阳耗电量结果与之相比得出总能耗百分比,以比较百叶窗的节能效果。
通过比较可知,
活动遮阳百叶固定遮阳百叶相比,其节能效果是相当可观的。
5  结语
    采用
可动遮阳百叶的外窗,使得每一个月的电费都在减少,投资成本回收期只须2 年~8 年,无须过多的保养,使用时间长。更为重要的是绿色、健康、舒适。
    随着节能建筑的日益推广,采用
智能遮阳百叶,对于解决冬季充分利用太阳能和夏季遮阳问题是可行的、有效的。

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