文章精选丨不同气候区建筑外窗遮阳设计和选型探讨

不同气候区建筑外窗遮阳设计和选型探讨

张浚洲

引用格式：张浚洲.不同气候区建筑外窗遮阳设计和选型探讨[J].绿色建筑,2024,16(3):80-86.

摘要：

建筑外窗遮阳可以有效减少太阳辐射，降低夏季空调运行能耗和建筑碳排放。GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》的发布，对不同气候区的建筑类型和朝向的建筑遮阳提出了更高的要求，遮阳形式选型将有所改变。通过标准调研、产品调研和案例调研，聚焦公共建筑和居住建筑，梳理了建筑节能相关的各类标准对建筑遮阳的最新要求和遮阳系数计算公式，为建筑外窗遮阳设计和选型提供参考，推动建筑领域节能降碳，助力“碳中和”目标的实现。

关键词：

建筑节能 ；气候区 ；外窗遮阳 ；太阳能得热系数

0 引言

工业、建筑、交通是产生碳排放的三大重点领域[1]，随着我国在第 75 届联合国大会上提出“双碳”目标，建筑业节能减碳成为我国实现“双碳”目标的关键一环。据中国建筑节能协会发布的《中国建筑能耗研究报告（2022）》统计，2020 年我国建筑运行碳排放占建筑全过程碳排放总量的 42.6%[2]，其中，暖通空调系统能耗占建筑运行总能耗的50% 左右[3]。在建筑夏季空调制冷需求中，通过窗户进入室内的太阳辐射占很大一部分。因此，提高外窗遮阳性能是降低建筑能耗的重要措施。

我国幅员辽阔，涵盖 7 大主气候区、20 个子气候区，不同气候区对于遮阳的需求不一致。GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》[4]、GB/T 51350—2019《近零能耗建筑技术标准》[5]、GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源利用通用规范》[6]等标准对于不同气候区的透明围护结构太阳能得热系数（SHGC）提出了不同的要求。通过探讨研究形成规范要求下的建筑遮阳和外窗选型方案，为建筑遮阳设计和选型提供参考。

1不同建筑节能标准对不同气候区的要求及原则

1.1 对透明围护结构热工性能的要求

随着建筑节能标准的更新，GB 55015—2021 对于透明围护结构的遮阳性能提出了更高的要求。GB/T 50378—2019《 绿色建筑评价标准 》、GB/T 51350—2019、《 上海市超低能耗建筑技术导则（试行）》等相关标准中对于SHGC、外窗传热系数等热工性能的要求在 GB55015—2021 基础上有进一步提升。

笔者聚焦于公共建筑和居住建筑，分别选取体形系数≤ 0.30，窗墙比 50% 的公共建筑和体形系数≤ 0.40，东、西向窗墙比 0.06，南向窗墙比 0.30，北向窗墙比 0.20，外墙传热系数≤ 1.50 W/（m2·K），热惰性指标≥ 2.50 的居住建筑作为典型建筑，对比分析不同标准对不同气候区典型省市 2 种建筑类型的热工性能要求，分别如表 1 和表 2所示。

GB 55015—2021 对于夏热冬冷地区和夏热冬暖地区外窗遮阳性能的提升最为明显，相比 GB 50189—2015 分别提升 10% 和 25% 以上。针对寒冷 B 区的居住建筑，GB 55015—2021 也首次对东西向 SHGC 提出了要求。

1.2 气候适应型遮阳设计原则

笔者通过调研 GB 55015—2021、GB/T 51350—2019等国家及地方标准及工程实践经验，总结出以下 4 个气候适应型遮阳设计原则。

（1）严寒地区对遮阳无强制要求；寒冷地区对遮阳有一定要求但要求不高；夏热冬冷和夏热冬暖地区对遮阳有高要求。

（2）建议有条件的地区尽量采用活动遮阳，兼顾夏季遮阳与冬季太阳辐射，尤其是夏热冬冷地区。

（3）选用固定遮阳形式时，应注意不同气候区遮阳设置朝向及遮阳尺寸优选。

（4）营造高品质室内光热环境需要兼顾高透光率和低遮阳系数，可考虑组合式遮阳方式以及电致变色玻璃等新产品的应用。

2外窗遮阳形式及选型

2.1 外窗遮阳形式

常见的外窗遮阳形式主要包括玻璃自遮阳、固定式遮阳和活动遮阳，其中，活动遮阳根据位置分为内遮阳、中置遮阳和外遮阳。具体分类形式及相关优缺点如表 3 所示。

各种形式的遮阳在绿色建筑中均有使用，遮阳技术应用案例如图 1 所示。

2.2 外窗遮阳选型

2.2.1 不同外窗遮阳形式的 SHGC

GB 55015—2021 中以 SHGC 作为衡量外窗的热工性能参数，其计算公式如式（1）所示。

SHGC ＝外窗太阳得热系数 SHGCc× 建筑遮阳系数SCS（1）

SCS包含对固定式遮阳和活动遮阳的修正，遮阳系数的修正能够叠加。DGJ 08—107—2015《公共建筑节能设计规范》[10]和 JGJ 237—2011《 建筑遮阳工程技术规范》[11]分别对 SHGCc 和几类建筑外遮阳系数的计算进行了简化，SHGCc＝玻璃 SHGCg× 窗框系数，建筑外遮阳系数可根据遮阳类型及尺寸进行快速计算，更适用于设计阶段计算。从定义来看，SHGC 综合考虑了玻璃配置、窗框类型、固定遮阳及活动遮阳的遮阳效果。所以，外窗 SHGC 可以作为衡量外窗本身及各类遮阳设施抵御太阳辐射性能的参数，也是我国节能规范中评价遮阳效果的重要指标。

窗户本身的遮阳系数与窗户自身产品性能相关，可以根据产品样本确定。结合常见的玻璃厚度及配置，笔者共统计了 10 种配置的玻璃 SHGC。不同玻璃配置对应玻璃遮阳系数 SHGCg 参考如表 4 所示。

由表 4 可知，玻璃腔内填充氩气相比空气能够提升玻璃的遮阳和隔热效果，镀银 Low-E 玻璃隔热效果最好，但银膜数量增加对隔热效果的提升有限，同时会降低玻璃的透光率。经产品调研，目前玻璃在保证透光率 0.60 的前提下，玻璃 SHGC 最低为 0.28左右。因此，营造高品质室内光热环境，兼顾高透光率和低遮阳系数这对矛盾性要求，仅靠玻璃选型无法满足要求时，需要考虑组合式遮阳方式以及新型电致变色玻璃等新产品的应用。

窗框作为外窗的非透明部分，需对外窗遮阳系数进行修正，以 DGJ 08—107—2015 为例，常见的窗框类型的窗框系数为0.70 ～ 0.80，不同窗框材质的窗框系数参考如表 5 所示。

建筑遮阳系数与遮阳构造形式有关，计算较为复杂。JGJ 237—2011 给出了几类建筑外遮阳系数的简化公式，如式（2）所示。在已知外遮阳构造及尺寸下，可较为便捷地计算典型遮阳构造形式的遮阳系数。

外遮阳系数＝ax2＋bx ＋ 1；x ＝A /B（2）

式（2）中，x 为外遮阳特征值，x ＞ 1 时，取x＝ 1，x 值越小，说明外遮阳挑出距离相比外窗形体的比例越小，对建筑风貌影响越小；A、B 为外遮阳的构造定性尺寸，如图 2 所示，宜按 JGJ 237—2011 或不同地区建筑节能设计规范确定；a、b为拟合系数，宜按 JGJ 237—2011 或不同地区建筑节能设计规范选取，其反映了不同气候区及遮阳类型对外遮阳遮阳系数的影响。

对于活动遮阳，活动横竖百叶遮阳的活动遮阳系数在JGJ 237—2011 中也提供了对应的拟合系数供计算。其他常见的活动遮阳装置（如中置百叶、卷帘等）的遮阳系数可参照 GBT 51350—2019 中的简化值，如表 6 所示。

2.2.2 满足节能规范遮阳要求的外窗选型

根据不同气候区的遮阳需求，笔者主要以实现建筑节能规范对寒冷地区、夏热冬冷地区和夏热冬热地区的要求为目标，进行遮阳策略选配。3 个气候区分别以北京市、上海市、广州市作为典型案例，外窗选型兼顾 SHGC 与外窗保温性能均满足相应节能规范。

根据表 1、表 2 中 GB 55015—2021 和 GB/T 51350—2019 的 SHGC 和 K 值的限值要求，优先选 择 玻璃自身性能满足节能规范要求的产品，再考虑通过固定外遮阳或活动遮阳达到节能规范限值要求。当采用固定外遮阳或活动遮阳时，对于公共建筑，优先考虑固定外遮阳，若固定遮阳的外遮阳特征值x ＞ 0.3 时，对立面效果影响较大，再考虑采用活动外遮阳或中置百叶；对于居住建筑，优先考虑中置百叶或卷帘。经分析，不同标准对不同气候区典型省市两种建筑类型的遮阳形式选型参考分别如表 7、表 8 所示。

根据以上针对公共建筑和居住建筑的案例分析，寒冷地区和夏热冬冷地区的建筑通过玻璃产品选型可以达到 GB 55015—2021 的要求，夏热冬暖地区的建筑建议通过玻璃自遮阳＋建筑遮阳的形式。如果要达到 GB/T 51350—2019 的上限值要求，夏热冬冷地区和夏热冬暖地区的建筑尚需配合固定外遮阳或活动遮阳。

3建筑遮阳形式选型案例

为了解实际项目遮阳形式的选择，笔者共收集了不同气候区公共建筑和居住建筑的遮阳形式选型案例，分别如表 9、表 10 所示。以下案例均处于设计施工阶段，遮阳方案及参数（SHGC、K 值）源于施工图、节能计算书等设计文件，案例的可持续目标定位主要为对围护结构热工性能要求更高的绿色建筑和超低能耗建筑。

根据以上项目案例，为满足绿色建筑及超低能耗建筑的遮阳要求，对于建筑遮阳，公共建筑多采用组合外遮阳形式，考虑到立面整体性，各朝向外遮阳尺寸差异不大；居住建筑较多采用中置百叶，不常使用卷帘。对于外窗选型，镀银 Low-E 玻璃选择居多，三银 Low-E 玻璃在办公、商业建筑中也有应用案例。以下将结合 2 个超低能耗建筑案例详细介绍不同遮阳设计方案的技术细节及节能减碳效果。

3.1 上海市某超低能耗办公楼

上海市某超低能耗办公楼效果图及遮阳节点图如图 3所示。该办公楼外窗采用断热铝合金窗（TP8 双银 Low-E ＋12Ar ＋TP8 ＋12A ＋TP8），整窗传热系数为 1.40 W/（m2·K），玻璃 SHGC 为 0.34，窗框系数 0.75，采用水平及垂直固定外遮阳，外遮阳系数 为 0.90，SHGC 为 0.23，可见光透射比为 0.47。结合高性能围护结构、高效机组及太阳能光伏等节能措施，通过能耗模拟单位面积供暖供冷与照明能耗为 23.3 kW·h/m2，相 比 GB 55015—2021 附录 A 中的公共建筑平均能耗指标降低 56%，年减少碳排放量为 315 t。

3.2 上海市某超低能耗住宅

上海市某超低能耗住宅效果图及遮阳位置图如图 4 所示。该住宅采用外窗中置遮阳＋阳台自遮阳的遮阳策略。外窗选用塑料型材 (5Low-E ＋ 12Ar ＋ 5 ＋ 20A ＋ 5)，整窗传热系数 1.40 W/（m2·K），玻璃 SHGC 为 0.52，窗框系数 0.70。东西南向外窗设置中置百叶遮阳，活动遮阳系数为 0.40，SHGC 为 0.15。阳台尺寸为 3.6 m×1.6 m×4.0 m（长 × 宽 × 高），外遮阳系数为 0.62，SHGC 为 0.23。结合高性能围护结构、高效机组及太阳能光伏等节能措施，通过能耗模拟单位面积供暖供冷能耗为 9.1 kW·h/m2，相比 GB 55015—2021 附录 A 中的居住建筑平均能耗指标降低 46.2%，年减少碳排放量为 16.7 t。

4建筑遮阳新技术研究方向及进展

目前，外窗遮阳的新技术研究主要聚焦于玻璃自遮阳技术。对于静态自遮阳玻璃，新型气凝胶玻璃相比 Low-E 玻璃拥有更好的隔热性能和透光性能，Buratti[12]对气凝胶玻璃系统的性能进行了全面调研，气凝胶玻璃导热系数为 0.010 ～ 0.020 W/（m2·K），SHGC 为 0.02 ～ 0.63，透光率可达到 0.75。国内也已发布建材行业标准 JC/T 2669—2022《气凝胶中空玻璃》[13]，给出了常见规格气凝胶中空玻璃的传热系数。目前限于成本较高、规模化生产程度不高等问题，国内气凝胶玻璃尚处于实验或中试阶段，国外气凝胶玻璃已有小规模应用。

对于动态自遮阳玻璃，其具备环境适应调节能力，能够满足因地制宜、因时而异的需要。根据响应机制的不同，主要分为电致变色、热致变色、光致变色、气致变色。其中电致变色玻璃在国外的生产技术相对成熟，美国的 View 和 Sage Glass、瑞 典 Genic 和 德 国 Econtrol-Glass 都有商业化的产品；国内变色玻璃生产技术也在快速发展中，如合肥威迪变色玻璃有限公司在实际案例中将电致玻璃应用于天窗、室内隔断和幕墙玻璃[14]。市面上常见的可调变色玻璃的调制主要集中在可见光区（0.38 ～ 0.78 μm），忽略了近红外光区（0.78 ～ 3.50 μm）和长波红外光区（2.50 ～ 25.00 μm）的调控。可见光区的调控能影响室内视觉舒适度和照明能耗；太阳辐射中近红外光区约占 55%，近红外光区的调控能降低夏季冷负荷，提高冬季热负荷；长波红外区在高发射率时有利于玻璃实现辐射降温，低发射率时减少热量损失[15]。目前，多频段调控变色玻璃在可见光－近红外、近红外－长红外双波段的独立调控已取得研究进展，但全频段独立调控仍在研究中[16]。由于变色玻璃能够实现光谱波段透射率的选择性调节，其采光、遮阳和保温的灵活性远大于活动遮阳（中置百叶、卷帘等）。变色玻璃对于近红外－长红外双频的独立调控已经能够满足有冬季保温和夏季遮阳需求的地区，若能够实现全频段的独立调控，则可为使用者额外提供采光个性化调节功能。目前，关于变色玻璃变色和雾化对光环境和人员视觉舒适性的研究有限，更多关注于材料开发和节能效果。

5结论

基于不同建筑节能标准对于不同气候区的建筑类型和朝向的透明围护结构遮阳性能要求的提升，笔者通过标准调研、产品调研和案例调研得出了气候适应性遮阳设计原则和典型建筑遮阳选型策略，得出以下 5 点结论。

（1）严寒地区对遮阳无强制要求；寒冷地区对遮阳有要求但不高；夏热冬冷和夏热冬暖地区对遮阳有高要求。

（2）对于寒冷地区，通过玻璃产品选型可达到 GB55015—2021 遮阳要求，应重点考虑其保温性能，可采用单银 Low-E 玻璃或夹胶中空玻璃。

（3）对于夏热冬冷地区，需同时考虑遮阳和隔热性能的要求，玻璃配置可采用单银 Low-E 玻璃加固定外遮阳或中置百叶的遮阳形式。

（4）对于夏热冬热地区，应重点考虑其隔热性能，公共建筑玻璃配置可采用单银或双银 Low-E 玻璃＋组合式外遮阳的形式，居住建筑遮阳建议采用中置百叶的遮阳形式。

（5）智能变色玻璃是极具发展潜力的节能新材料，拓宽光谱调控范围能够提升对于不同气候区和使用场景的适应性。

6结束语

遮阳是降低建筑能耗、提升室内热舒适性的重要措施。笔者通过对不同气候区典型城市的典型建筑遮阳技术分析，归纳了满足现行节能标准的遮阳设计策略，为前期遮阳方案选型提供了参考。未来，智能玻璃技术的应用将进一步提升遮阳措施的灵活性和功能性，以满足人们对于高品质室内环境的需求。

参考文献：

[1] 徐 伟 . 建 筑 领 域 落 实“ 双 碳” 目 标 技 术 路 径 比 对 研 究 [J]. 建筑,2022(14):57-58.

[2] 中国建筑节能协会建筑能耗与碳排放数据专委会 .2022 中国建筑能耗与碳排放研究报告 [R]. 重庆 ,2022.

[3] 李德贤 , 徐舟 , 庞小辉 , 等 . 杭州某近零能耗居住建筑空调形式对比 [J]. 暖通空调 ,2023,53(6):75-84.

[4]GB 50189—2015, 公共建筑设计节能标准 [S].

[5]GBT 51350—2019, 近零能耗建筑技术标准 [S].

[6]GB 55015—2021, 建筑节能与可再生能源利用通用规范 [S].

[7]JGJ 26—2018, 严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准 [S].

[8]JGJ 134—2010, 夏热冬冷地区居建节能设计标准 [S].

[9]JGJ 75—2012, 夏热冬暖居住建筑节能设计标准 [S].

[10]DGJ 08—107—2015, 公共建筑节能设计规范 [S].

[11]JGJ 237—2011, 建筑遮阳工程技术规范 [S].

[12]BURATTI C, BELLONI E, MERLI F.et al.Aerogel glazingsystems for building applications: A review[J].Energy andBuildings,2021(231):110587.

[13]JC/T 2669—2022, 气凝胶中空玻璃 [S].

[14] 魏娜娜 . 建筑用电致变色 (EC) 玻璃现状 [J]. 玻璃 .2017,44(10):17-23.

[15] 李依依 , 李尚竟 , 胡彬 . 多波段调控节能玻璃的研究进展与挑战[J]. 硅酸盐学报 .2023,51(9):2492-2506.

作者简介：

张浚洲，硕士研究生，研究方向为绿色建筑，现供职于上海市建筑科学研究院有限公司。

基金项目：

国家重点研发计划资助项目（2022YFC3803800）之课题“高品质绿色建筑设计关键技术研究”(2022YFC3803802)

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本文为《绿色建筑》原创文章

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