节能技术 外遮阳技术在节能建筑中 的应用研究 上海市建筑科学研究院 王孝英 范宏武 陆善后 摘 要：分析外遮阳对建筑物全年采暖空调能耗的影响，介绍通常采用的几种外窗遮阳技术：内遮阳、 本体遮阳和外遮阳及其热工性能指标．并采用建筑能耗模拟分析软件ＤｅＳＴ，对外遮阳技术应用于上海地 区典型多层住宅、生态办公和住宅示范楼的节能效果进行了模拟分析。 关键词：节能建筑，能耗模拟，外遮阳技术 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｓｕｎ－Ｓｈａｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ Ｗａｎｇ Ｘｉａｏｙｉｎｇ Ｆａｎ Ｈｏｎｇｗｕ Ｌｕ Ｓｈａｎｈｏｕ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｓｕｎ－ｓｈａｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｐｏｎ ｔｈｅ ａｎｎｕａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｉｎｎｅｒ ｓｈａｄｉｎｇ，ｓｅｌｆ—ｓｈａｄｉｎｇ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｓｈａｄｉｎｇ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｓｈａｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｓｏｍｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅｓ， ｄｅｍｏ ｏｆｆｉｃｅ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ ｅｃｏ——ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｉｎ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ＤｅＳＴ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｏｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｎｅｒｇｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｂｕｉｌｄｉｎｇ；ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｕｎ－ｓｈａｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １外窗对建筑能耗的影响 窗户所处的环境条件不同，外窗的能耗水平和对窗 户的要求也有所差别。南方和北方，办公建筑和住 宅建筑，冬季和夏季对外窗的节能要求都存在很大 不同，例如北方地区注重外窗在冬季的保温、得热 性能，而南方地区则强调外窗在夏季的隔热、通风 能力。 与建筑围护结构的其他部分，即墙体和屋面相 比较，外窗属薄壁轻质构件 是建筑能耗损失的最 薄弱环节，其保温隔热性能最差，另外通过窗户缝 隙的空气渗透，特别是夏季通过玻璃的太阳辐射传 热，都影响了室内热环境舒适性，增加了采暖空调 的负荷及能耗。另一方面，由于外窗服务的建筑对 象所处的地域、气候和时间等诸多因素的不同，即 上海地区属夏热冬冷地区，冬季寒冷、夏季湿 热的气候特点决定了推进住宅建筑节能必须兼顾 【作者简介】王孝英硕士上海市建筑科学研究院科技开发部。 范宏武博士上海市建筑科学研究院新技术研究所。 上海节能 ＳＨＡＮＧＨＡＩ ＥＮ￡ＲＧＹ Ｃ０ＮＳＥＲＶＡＴｌｏＮ ２００８年第７期 节能技术 冬、夏两个方面。其中外窗的作用十分重要，以上海 地区的某一典型多层节能住宅为例，采用《民用建 透明材料的本体遮阳和外遮阳等几种形式，其中外 遮阳又有固定和活动之分。衡量窗户遮阳效果的好 坏，主要采用遮阳系数的概念，同时还有保证一定 的窗户玻璃的可见光透过率，以满足窗户采光的基 本要求。 ２．１遮阳技术相关定义 筑热工设计规范》（ＧＢ５０１ ７６—９３）中建筑能耗静态 计算方法，计算分析窗户在整个采暖空调能耗中所 占的比例，结果见图１、图２。其中窗户（温差）仅代 表由于室内外温差造成的能耗，窗户的能耗还应包 括部分空气渗透和太阳辐射的能耗。 内遮阳——各种内设窗帘是内遮阳。其优点是 安装方便安全，缺点是隔热效率不高，因为热量已 进入房间。采用各种热反射膜（如铝膜）的窗帘，其 隔热效果还是很好的。 本体遮阳——指通过玻璃着色涂膜或贴膜，降 低材料的遮阳系数，达到遮阳目的。 外遮阳——指采用各种窗外遮挡物遮挡太阳 能。 图１节能建筑冬季建筑能耗构成 遮阳系数——窗户获得的太阳能与玻璃窗在 透明、无遮蔽及其他情况相同时的得热（太阳能）量 之比率，是表征窗户系统控制太阳能的指标。可以 用公式（１）表示： Ｓｃ＝ｇ／Ｇ…………………………（１） 上式中，ＳＤ＿＿试件的遮阳系数； ９＿＿试件的太阳能总透射比，％； Ｇ一３ｍｍ厚普通透明白玻的太阳能总透射 比，其理论值取８８．９％。 图２节能建筑夏季建筑能耗构成 可见光透过率——透过玻璃的可见光量与射 从上面计算结果可以看出，不同季节外窗在 整个建筑能耗中所占的比例大小有所差异，这主 要体现在外窗的传热方式上，冬季外窗以温差传 热和空气渗透为主，而夏季以太阳辐射得热为主。 从总体而言，外窗的热损失比其他建筑构件更为 在玻璃表面上的总可见光量的比率。 太阳能透过率——在太阳光波长全部范围内， 透过玻璃的太阳能量与射在玻璃表面上的总太阳 能的比率。 太阳能反射率——在太阳光波长全部范围内， 可观。节能潜力也更为巨大，尤其在夏季，由太阳 辐射造成的窗户热损失，是造成室内负荷剧增和 热环境恶化的主要原因（见图２），而在上海地区， 被玻璃表面向室外反射的太阳能与射在玻璃表面 上的总太阳能的比率。 太阳能吸收率——在太阳光波长全部范围内， 被玻璃吸收的太阳能与射在玻璃表面上的总太阳 能的比率。 降低夏季外窗太阳辐射得热最为有效的方式就是 采用遮阳措施。 ２遮阳技术 紫夕卜线透射率——透过玻璃的太阳紫外线与 射在玻璃系统上总太阳紫外线的比率。紫外线是太 阳光中导致纺织物及家具褪色、变质的主要因素。 常用的窗户遮阳措施主要包括内遮阳，玻璃及 国 嗍ｖ… … 节能技术 锄 综合遮阳系数——指的是把窗框、遮阳装置 （各种遮阳，外遮阳、玻璃中间遮阳等）的遮挡太阳 能的作用都计入的遮阳系数。 ２ｌ２内遮阳 南向外窗由于一年中有较长时间的日照，需要遮阳 的时间也较长，所以可以考虑设置永久性的固定遮 阳板，而东、西向外窗多采用活动式的遮阳板，以便 随着阳光照射的情况加以调节。此外，还可结合建 筑本身构件特点，使其产生遮阳效果，如通过加宽 由上面的遮阳的定义可以看出，降低玻璃和窗 户的遮阳系数能够降低透过窗户进入室内的太阳 辐射得热，达到节能和改善室内热舒适性的目的。 在各种遮阳方式中，窗内遮阳最方便。室外的活 动式遮阳设施由于易受风雨损坏、安装和维修较困 挑檐、外走廊、凹凸阳台的设计等。对底层建筑来 说，利用绿化也可作为一种有效而经济的遮阳方 式。几种常用的外遮阳示意图，如图３所示。 难等缺点，所以一般情况下，最方便和最经济有效的 方法是采用室内悬挂浅色窗帘，可隔离４０％左右的 太阳辐射热。表１给出了几种隔热窗帘的遮阳系数。 表１ 典型室内遮阳设施的遮阳系数 （ａ）垂直固定外遮阳 （ｂ）水平固定外遮阳 内遮阳类型 白窗帘 颜色 浅色 遮阳系数 ０．５０ 浅蓝布帘 深黄、紫红、深绿布帘 活动百叶帘 ２．３外遮阳 中间色 深色 中间色 ０．６０ ０．６５ ０．６０ （ｃ）百叶司调节外遮阳 （ｄ）水平＋垂直固足外遮阳 对外遮阳而言，只有透过的那部分阳光会直接 图３ 几种常见的外遮阳示意图 达到窗玻璃外表面，并有部分可能形成冷负荷。尽 管内遮阳同样可以反射掉部分阳光，但吸收和透过 ２．４本体遮阳 外窗采用遮阳技术，更多是直接利用窗户的本 体遮阳效果，比如采用吸热、热反射镀膜玻璃、低辐 射玻璃（Ｌｏｗ—Ｅ）、Ｓｏｌａｒ—Ｅ玻璃所组成的中空玻璃。 表２中列出了一些常见的玻璃及主要热工性能。 表２几种玻璃的热工性能参数 的部分均变成了室内的冷负荷，只是对得热的峰值 有所延迟和衰减。对于上海地区，气候属于夏热冬 冷分区，建筑节能要兼顾夏季空调和冬季采暖，一 般的固定式外遮阳设施，在夏季可 以使外窗的太阳得热显著降低，减 少空调能耗，但在冬季，也减少了透 过窗户进入室内的太阳辐射热，增 加了采暖能耗，所以在条件允许的 条件下，应优先采用活动式的外遮 玻璃名称 单片透明玻璃 透明中空玻璃 玻璃种类、结构 ６Ｃ ６Ｃ＋１ ２Ａ＋６Ｃ 透过率 遮阳系数 ８９％ ８１％ ０．９９ ０．８７ 单片热反射镀膜 ６ＣＴＳ１４０ ４０％ ０．５５ ０．４４ ０．３１ 阳设施。一般从构成上，外遮阳有水 平式、垂直式、综合式和挡板式几种 类型；从材料上，可以分为透光和不 透光两种。不同的外窗朝向也应该 采用不同的外遮阳形式，一般而言， 热反射镀膜中空玻璃 ６ＣＴＳ１ ４０＋１ ２Ａ＋６Ｃ ３７％ 低辐射玻璃 （Ｌｏｗ—Ｅ）中空玻璃 ６ＣＥＢ１２＋１２Ａ＋６Ｃ ３９％ 注：上表中６Ｃ表示６ｍｍ透明玻璃。ＣＴＳ１４０是热反射镀膜玻璃型号 ＣＥＢ１ ２是低辐射玻璃（Ｌｏｗ—Ｅ）玻璃型号。 ＳＨＡＮＧＨＡＩ ｃ 毒 节能技术 ３不同建筑类型遮阳效果节能分析 模拟计算采用的计算条件基本按照《夏热冬冷 地区住宅建筑节能设计标准》（ＪＧＪ１３４—２００１）的 规定进行选取。 为了量化地分析不同建筑类型遮阳效果，采用 清华大学的ＤｅＳＴ建筑能耗模拟分析软件，进行全 年能耗的动态模拟计算。 ３．１ 多层住宅 １）该住宅外窗玻璃的热工参数如表３所示。以 上数据仅是窗户玻璃的热工性能，在模拟计算过程 中，还应考虑到窗框对传热系数和遮阳系数等的影 ３）计算结果 通过模拟计算全年的采暖和空调能耗。结果汇 总如表４。 进一步，可以出分析３种窗户的采暖、空调和总 的节能效果（以类型①为基准），如表５所示。 表５采用３种类型窗户的节能效果分析 响，在此假设都选择断热铝合金窗框，传热系数和 遮阳系数作了相应的修正处理，对窗户的传热系数 窗户编号 采暖节电率 空调节电率 总节电率 ｒ应在玻璃传热系数的基础上加上０．６ Ｗ／ｍ２・Ｋ的修 正系数，对窗户的遮阳系数应乘上０．８的修正系数。 该建筑属典型的多层建筑，建筑面积２０２０ ｍ ，屋面和外墙分别采用了节能措施，达到了《夏 ① Ｏ ０ ０ ② ③ 一３．５８％ 一１５．５８％ １１．８６％ ２４．６７％ ５＿２５％ ７．４４％ 热冬冷地区住宅建筑节能设计标准》（ＪＧＪ１３４— ２００１）的相应要求。分别采用３种外窗来分析不同 类型窗户的节能效果。 ３．２低能耗办公示范楼 １】该建筑面积为１９９４ｍ ，按使用功能划分，西 向为环境实验室，东向为展示区和办公用房，东向 ２）计算条件 表３典型外窗玻璃及其热工参数说明 中部设有中庭，中庭上部有天窗。为了增大视野和 采光，示范楼南向采用大面积 窗。建筑体形系数Ｏ．２８；综合窗 墙比０．３０，其中：南向０．５９；北向 ０．２３；东向Ｏ．１４；西向０．１４。 ３．１％ 窗户 编号 玻璃类型说明 可见光 遮阳系数 传热系数Ｋ 透过率（％） Ｓｃ （Ｗ／ｍ Ｋ） ① 普通中空 ６Ｃ＋１ ２Ａ＋６Ｃ ７９ ０．８１％ ２）计算条件 ａ、外窗的热工性能（见表６） ｂ、６种遮阳措施（见表７） 在线低辐射玻璃 ② ⑧ （Ｌｏｗ—Ｅ） 中空窗６Ｃ＋１２Ａ＋６Ｃ ６１ ６０ ０．６０ ０．２．１ 内部热扰设置、内扰作息时 ＰＥＴ—Ｌ０Ｗ—Ｅ 双中空玻璃ＳＴ一７５ 间、室内环境控制参数设置参考 １．６６ ３８ 《公共建筑节能设计标准》 （ＧＢ５０１ ８９—２００５）。 注：上表中ＰＥＴ—Ｌｏｗ—Ｅ为薄膜低辐射玻璃，构造为：６ｍｍ清＋６ＡＳ ＋ＨＭＦｌｉｍ＋６ＡＳ十６ｍｍ清 ３）外遮阳及其他节能效果分 析（参见表８、表９） ３．３“零”能耗住宅 １）“零”能耗住宅建筑面积 总计约２７７．５ｍ ，体形系数０．５５。 各朝向窗墙比分别为：南向 表４采用３种类型窗户的全年能耗计算结果汇总表 窗户 采暖年耗电量指标 空调年耗电量 总年耗电量指标 编号 （ｋＷｈ／ｍ ） 指标（ｋＷｈ／ｍ ） （ｋＷｈ／ｍ ）， ① ② ③ １５．０８ １５．６２ １７．４３ ２０．１５ １７＿７６ １５．１８ ３５＿２３ ３３．３８ ３２．６１ ０．４５，北向０．２２，东向０．０１，西向 ０．０６ 冈 期ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶ— 节能技术 表６外窗热工性能汇总表 朝向 南向 南向 南向 北向 东、西向 天窗 西向 ＬＯｗ—Ｅ ＬＯｗ—Ｅ 普通 ＬＯｗ—Ｅ Ｓｏｌａｒ－Ｅ 双中空透明ＰＥＴ 固定ＧＥ 品种 中空玻璃 中空玻璃（氩气） 中空玻璃 中空玻璃 中空玻璃 ＬＯＷ—Ｅ节能 透光板 夹胶玻璃 遮阳系数 ０．６９ ０．６９ ０．８３ ．５８ 。５２ ０．６０ ０＿７０ 玻璃传热系数 ２ １．８ １．６ ２．９ １．６５ １．８９ １．８２ １．６ Ｗ／ｍ Ｋ 表７遮阳措施汇总表 序号 应用部位 遮阳措施 提供厂家 １ 东向外窗 智能可调遮阳百叶 Ｈｕｎｔｅｒ遮阳公司 ２ 南向外窗 水平可调铝合金遮阳百叶可调软外遮阳 临界点贸易公司 ３ 西向外窗 垂直可调铝合金遮阳百叶 临界点贸易公司 ４ 北向外窗 ５ 天窗 智能控制软外遮阳 满天路遮阳公司 ６ 东南向露台 电动软遮阳 满天路遮阳公司 表８节能效果 的遮阳系数取值为０．５，从４ｊＥ］中旬～１０Ｎ中旬，每天 同类未采取节能措施 采暖空调能耗 采暖空调能耗 节能率 ８：００～１ ８：００进行遮阳，计算结果如图４所示。 从计算结果可知，活动外遮阳对建筑夏季空调能 １ ６５ｋｗｈ／ｍ２ａ ６６ ｋｗｈ／ｍ ａ ６０％ 耗具有明显作用。对于该建筑，采用遮阳系数为０＿５的 表９各项节能措施对节能效果贡献 活动外遮阳时，空调能耗均可实现节能约２５％。 遮阳技术 墙体屋面 外窗 自然通风 ３５％ ３０％ ２５％ １０％ 该建筑是通过最先进的节能建筑设计、选用最 先进的材料和节能技术使建筑物的建筑能耗降到 尽可能低的水平，然后再采用可再生能源补充剩余 所需能量，从而实现建筑物采暖空调不使用常规能 源即“零能耗”目标。 图４节能效果分析 ２）计算条件（参见表１０、表１ １）。 ３）遮阳系统节能效果分析。 ４结论 为降低建筑的空调能耗，“零”能耗建筑安装了 外窗是建筑物冷、热量损失的薄弱环节，在整 软百叶活动外遮阳设备。为分析遮阳系统的节能效 个建筑物能耗中占有相当大的比例，同时也是影响 果，采用ＤｅＳＴ软件进行计算。计算过程中，遮阳系统 居住舒适性的重要因素，所以在住宅建筑节能的推 ＳＨＡＮＧＨＡＩ ｃ 毒 节能技术 表１０“零”能耗住宅外窗玻璃汇总表 建筑类型 部位 玻璃类型 可见光 玻璃传热系数 透过率（遮阳系数 ％） （Ｗ／ｍ Ｋ） ６７ ０７２ ．品牌 外窗 “零”能耗 住宅 开窗 Ｎ４＋Ｋ４＋Ｎ５ Ｌｏｗ—Ｅ真空 ６＋６夹胶＋１２Ａ＋ ６Ｌｏｗ—Ｅ钢化 １＿２ 新力基 上海耀皮玻璃 ７１ ０．６７ １．８ 有限公司 表１ １“零”能耗住宅外窗遮阳汇总表 建筑类型 部位 南向（一层） 玻璃类型 电动软遮阳＋遮阳铝合金百叶 品牌 太阳能集热器遮阳由山东力诺瑞 特提供 “零”能 南向（二层） 太阳能集热器遮阳＋遮阳铝合金百叶 西向 遮阳铝合金百叶 北向 天窗 内遮阳百叶 电动软遮阳 耗住宅 电动遮阳、遮阳百叶和内遮阳百叶 由德国ＷＡＲＥＭＡ遮阳公司提供 进中，应给予充分重视，并且不同地区应采用不同 的节能窗技术。 般而言，南向外窗由于一年中有较长时间的日照， 需要遮阳的时间也较长，可以考虑设置永久性的固 定遮阳板，而东、西向外窗可采用活动式的遮阳板， 以便随着阳光照射的情况加以调节。 外遮阳设置可以结合建筑本身构件的特点，使 其产生遮阳效果，如通过加宽挑檐、外走廊、凹凸阳 台的设计等。对低层建筑来说，利用绿化不失为一 种有效又经济的遮阳方式。 通过采用ＤｅＳＴ能耗分析软件进行计算，计算 结果表明上海地区的典型多层节能住宅，采用不同 类型外窗，产生的节能效果也有所不同。若将普通 中空窗换为低透型ＰＥＴ—Ｌｏｗ—Ｅ中空窗后，由于这 种低透型低辐射玻璃（Ｌｏｗ—Ｅ）窗遮阳系数很低，在 一定程度上会造成冬季采暖能耗的上升，但其夏季 节能效果十分显著，可达２４．６７％，综合分析ＰＥＴ— Ｌｏｗ—Ｅ窗比普通窗全年可以节约７．４４％的耗电量， 一参考文献 般的在线低辐射玻璃（ＬＯＷ—Ｅ）中空窗则为 上海地区属于夏热冬冷气候分区，建筑节能要 ［１】《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》 Ｏｑ１３４—２００１） ５．２５％。 ［２】《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》 （ＪＧＪ７５—２００３） 兼顾夏季空调和冬季采暖，一般的固定式外遮阳设 施，在夏季可以使外窗的太阳得热显著降低，减少 空调能耗，但在冬季，也减少了透过窗户进入室内 的太阳辐射热，增加了采暖能耗，所以在条件允许 ［３】｛ＤｅＳＴ￣户使用手册》清华大学建筑技术科学 系 ２００３．３ ［４】《民用建筑热工设计规范》（ＧＢ５０１７６—９３） ［５】“低能耗建筑节能技术研究”上海市科委重大攻 美项目研究报告 的条件下，应优先采用活动式的外遮阳设施 不同朝向的外窗应采用不同的外遮阳形式，一 ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶ…期
