第八讲：建筑日照与遮阳（转）

建筑日照与遮阳

8.1 日照的作用

●日照是指物体表面被太阳直接照射的现象。建筑对日照的要求主要根据它的使用性质和当地气候情况而定。

●温和地区的多数建筑，也需要至少在冬季正午前后有一定的日照时间；这时的阳光含有较多的紫外线，有利于消灭细菌和预防一些疾病，使室内保持良好的卫生环境。

●日照还可使房间在冬季获得较多的太阳辐射，提高室内温度。据研究表明，冬季的日照会对多数人产生良好的心理作用。

●为满足建筑对日照的要求，在设计时应按照使用要求，结合当地气候条件、日照特点、地形及前后建筑的遮挡条件、房间的自然通风要求以及节约用地等因素，综合考虑，正确地选择房屋间距、朝向、建筑体型、窗口位置、遮阳处理等。

●在有些情况下，建筑需要避免日照。

▲防止室内过热

▲避免眩光或暴晒

8.1.1 太阳的运行规律与特点

●太阳在天空的位置是因时、因地时刻都在变化着，而建筑物的状况也是多种多样的，要在设计之初预知日照情况，便需掌握太阳相对运动的规律原理，在此基础上学会运用必要的图表或做简单计算

▲地球按一定的轨道绕太阳运动——公转，公转一周的时间是一年。

▲地球公转轨道平面叫黄道面。

▲地球的地轴与黄道面成66°33′的交角。

▲在公转的过程中，地轴的倾斜方向和黄道面的交角是固定不变的。

▲太阳光线直射地球的范围，在南北纬23°27′之间作周期性的变化，从而形成了春夏秋冬四季的更替。

●太阳赤纬角δ：太阳光线与地球赤道面所夹的角度。赤纬角从赤道面算起，向北为正，向南为负。一年当中，不同的季节，赤纬角不同。主要季节的赤纬角可以查表（表8-1）：

8.1.2 天球图

●天球：地球绕太阳运行，相对来讲，我们在地球上见到的却是太阳在天空中移动。为了确切地描述太阳在天空中的位置，用相对论原理，假定地球不动，而太阳绕地球旋转，以地球为中心，以任意长为半径作一假想球面，太阳在这一假想球面上绕地轴旋转，这个假想的球体称为天球。

●延长地轴与天球相交的两点成为天极，PN 为北天极，PS 为南天极， PN PS 为天轴。

●扩展地球赤道面与天球相交所成的圆QQ′成为天球赤道，黄赤角= 23°27′

8.1.3赤道坐标系和地平坐标系

●太阳在天球上的位置每日每时都有变化，为了确定其位置，常用赤道坐标系和地平坐标系共同表示。

●赤道坐标系：是把地球上的经、纬度坐标系扩展到天球，在天球上与赤道面平行的纬度圈，在天球上叫赤纬圈；在地球上通过南北极的经度圈，在天球上则称为时圈。

▲以赤纬和时角表示太阳的位置。

▲时角：是指太阳所在的时圈与通过南极的时圈构成的夹角，单位为度。自天球北极看，顺时针方向为正，逆时针方向为负。

▲时角表示太阳的方位，因为太阳在天球上一天24小时内旋转360°，所以每小时为15°。假如已知太阳经南点后至观察时刻的位置所经历的时间t，乘以15°，即得出在观察时刻太阳所处位置时角Ω的度数，Ω=15t，deg。

●地平坐标系：是以地平圈为基圈，用太阳高度角和方位角来确定太阳在天球中的位置，

▲太阳高度角(hs)：是指太阳直射光线与地平面间的夹角。

▲太阳方位角(As)：是指太阳直射光线在地平面上的投影与地平面正南方向所夹的角。正南点As=0°，向西为正，向东为负。

●根据地平坐标系里对高度角、方位角的定义可以知道：

●在日出、日落时，任何一个地区，太阳的高度角hs=0°；一天中的正午，即当地太阳时12时，太阳高度角最大，此时太阳位于正南，即太阳方位角As=0

●在任何一天里，上、下午太阳的位置对称于中午，例如下午1点对称于上午11点，二者太阳的高度角和方位角的数值相同，只是方位角的符号相反。

 

●需要指出的是，由于地理纬度的不同，从地平面观察到的太阳视轨迹也不一样，因此，太阳的准确位置应按太阳的高度角和方位角来确定。

●太阳高度角和方位角可依据下式进行计算：

●在日出、日落时hs=0°，所以其方位角和时角为下式：

如求正午时的太阳高度角，可按下式计算：

●春分、秋分正午太阳高度角：

●冬至日，正午太阳高度角：

8.1.4 太阳时与标准时

●在计算太阳高度角和方位角的公式中，时角(Ω)所用的时间为观测点的当地太阳时，或称“真太阳时”，即太阳在当地正南时为12点、地球自转一周又回到正南时为一天。

●各地区所采用的标准时间是各国按所处地理经度位置以某一中心子午线的时间为标准时。我国地域辽阔，从东五时区到东九时区横跨5个时区。为了方便，统一采用东八时区的时间，即以东经120°的平均太阳时为全国标准时，称为“北京时间”。

●但地球自转速度并不完全均匀，为计算方便，按一天为24小时计算称“地方平均太阳时“。真太阳时与平均太阳时之间的差称为均时差(Ep)。Ep的变化范围约在-14分到+16分之间。

●均时差Ep的年变化

8.1.5   地方时与标准时

●一天时间的测定，是以地球自转为依据的。日照设计所用的时间，均为当地太阳时，他与日常时钟所指的时间之间有一定差值，需加以换算。

●平均太阳时是以太阳通过该地子午线为正午12h来计算一天的时间。这样，经度不同的地方，正午时间都不同，使用很不方便。为了使用方便，规定在一定经度范围（15°）统一使用一种标准时，在该经度范围内，同一时刻的钟点均相同。

●经国际协议，以本初子午线处的平均太阳时为世界时间的标准，叫“世界时”。

●将整个地球按地理经度划分为24个时区，每个时区含地里经度15°。以本初子午线东西各7.5°为零时区，向东分12个时区，向西分12个时区。每个时区都按它的中央子午线的平均太阳时为计时标准，称为该时区的标准时，相邻两个时区的时差为1小时。

●精确的当地太阳时与标准时之间的转换关系为：

式中：T。——标准时间，时；分；

Tm——地方平均太阳时，时；分；

L。——标准时间子午圈所处的经度，度；

Lm——当地子午圈所处的经度，度：

Ep——均时差，分；

4——换算系数，分／度。由于地球自转一周按24小时计，地球的经度分为360°，所以每转过经度1°为4分钟。地方经度在中心经度以西时，经度每差1°，地方时比标准时提前4分钟；在中心经度以东时，经度每差1°，地方时比标准时推后4分钟。

 

●对于一般建筑日照工程，所用的时间不需要十分精确，为简化计算，修正之Ep可忽略不计。计算式可简化为：

8.2 建筑遮阳

8.2.1 遮阳构件及应用

●在我国南方炎热地区，日照时间长，太阳辐射强烈，建筑物的某些部位或构件如窗口、外廊、橱窗、中庭屋顶与玻璃幕墙等需要调节太阳直射辐射，以扬其利而避其害。最常见与最具代表性的是窗口遮阳。

●在炎热地区的夏季，日辐射强度大，气温也高，如我国南方夏季日辐射强度可达1000W／m2，气温可达40℃以上。

●据我国有关单位的研究测定，当进入室内的直射光辐射强度大于280W／ m2 ，同时气温在29℃以上，气流速度小于0.3m/s寸，人们在室内会感到闷热不舒适。

●因此，目前一般建筑以气温29 ℃、日辐射强度280W／m2左右作为必需设遮阳的参考界限。

●建筑遮阳的目的是阻断阳光直射，这样做的好处有三个：

▲可以防止透过玻璃的直射阳光，使室内过热；

▲可以防止建筑围护结构过热并造成对室内环境的热辐射；

▲可以防止直射阳光造成的强烈眩光。

这三点对于处于低纬地区尤为重要。

8.2.2 建筑遮阳方式

●由于日辐射强度随地点、日期、时间和朝向而异，建筑中各向窗口要求遮阳的日期、时间以及遮阳的形式和尺寸，也需根据具体地区的气候和窗口朝向而定。

●建筑遮阳类型很多，可以利用建筑的其他构件，如挑檐、阁板或各种突出构件，也可以专为遮阳目的而设置。

●按照构件遮挡阳光的特点来区分，主要分为几类：

一、人工遮阳方式

▲水平式遮阳

▲垂直式遮阳

▲综合式遮阳(格栅)

▲挡板式遮阳

二、绿化遮阳

三、建筑自遮阳和群体互遮阳

●按建筑遮阳实例

实例1：水平式遮阳

印第安昔埃布洛人悬崖宫殿遮阳

▲在低纬地区或一年中的夏季，由于太阳高度角很高，建筑的阴影很短，因而水平遮阳比垂直遮阳更加有效。在湿热地区，悬挑出的长长的屋檐足以起到遮阳蔽雨的作用。

实例2：垂直遮阳

普莱斯大厦

▲与水平遮阳相比，垂直遮阳主要是根据太阳方位角来实现对光线的遮挡，因此垂直遮阳能够有效地挡住高度角很低的光线，适合用于遮挡东西向阳光。

▲ 普莱斯大厦(1956)是莱特晚期代表作，大面积的垂直遮阳板形成了鲜明的竖向线条，与短促有力的水平遮阳板相结合，共同营造出丰富多采的几何形体。

▲莱特作为一位美国本土建筑大师，却是家喻户晓。这位以乡土理念为出发点、致力追求建筑个性与自然环境高度融合的大师，在美国各地留下了许多优秀的作品。

亚利桑那州凤凰坡中央图书馆

▲亚利桑那州凤凰坡中央图书馆则将垂直遮阳作为其一种标志或装饰：由钢架支撑起的片片三角帆布最直观地向我们展示了垂直遮阳所具有的艺术感染力，在浩瀚、酷热的西部沙漠之中，那片片白帆仿佛使人们看到蔚蓝的大海。

波士顿市政厅

▲虽然波士顿市政厅(1964)绐人留下的第一印象是极富韵律的、柱廊般的混凝土垂直遮阳板。因为层层向内缩进的平面使得每层的窗户都于不知不觉中获得了自然的水平遮阳。波士顿市政厅无疑受到柯布西耶（法国建筑师柯布西耶）作品的极大影响。其体形厚重、有雕塑感。

实例3：格栅式遮阳(综合式遮阳)

昌迪加尔议会大厦及高等法院

▲格栅式遮阳综合了水平遮阳和垂直遮阳的优点，对于各种朝向和高度角的阳光都比较有效。

▲在综合使用各种遮阳方式方面，柯布西耶（法国建筑师）设计的昌迪加尔议会大厦及高等法院(1751—1956)是当之无愧的典范。

实例4：建筑自遮阳

孟买干城章嘉公寓

▲柯里亚（亚洲地区的建筑师）设计的孟买干城章嘉公寓(1970—1983)所采用的遮阳方式也属建筑自遮阳。

▲这类遮阳方式没有明显的遮阳构件，而呈通过建筑自身的凸凹来形成大面积阴影，最主要的采光窗都位于阴影之中，而暴露在墙体表面的窗洞口往往尺寸较小。

实例5：绿化遮阳

弗冒尤斯地方中等职业学校

▲大自然给我们提供了一些天然的遮阳手段，树木或攀缘植物可以用来遮挡阳光，形成阴影，其效果总体来说相当不错。

▲绿化遮阳不同于建筑构件遮阳之处还在于它的能量流向。植被通过光合作用将太阳能转化为生物能，植被叶片本身的温度并未显著升高。而遮阳构件在吸收太阳能后温度会显著升高，其中一部分热量还会通过各种方式向室内传递。

▲诺曼·福斯特在设计弗冒尤斯地方中等职业学校(1991—93)时，不但在建筑向阳的一侧设计了一组精美的银色遮阳板，以遮挡夏季的酷热。还在建筑周边配置了高大的落叶阔叶乔木，阳光透过树叶和遮阳板的缝隙投下缕缕光斑，犹如一曲动人的旋律。最有意思的是，福斯特所选用树种的姿态与屋顶形状非 常相象，让人领略到现代建筑同样可以与优美的自然环境相融合。

8.2.3 遮阳构件尺寸计算

●遮阳构件的形式和尺寸一般可根据当地需遮阳日期、时间及窗口朝向用图表法求得，但针对某一时间的窗口遮阳也可按当时的太阳高度角和方位角得出准确尺寸。

（1）水平遮阳

●窗口的水平式遮阳板应当计算其挑出长度L- 和端翼的挑出长度D。

▲水平板挑出长度L- 的计算：

▲水平板端翼挑出长度D的计算：

（2）垂直遮阳

●窗口的垂直遮阳板挑出长度按下式计算：

（3）综合式遮阳和挡板式遮阳

●综合式遮阳：根据窗口的朝向和建筑造型的要求，若初步确定采用综合式遮阳，可先计算出垂直板和水平板的挑出长度，然后按构造要求来确定遮阳板的挑出长度。

●挡板式遮阳：挡板式遮阳的构造有两个基本部分，就是水平板的挑出长度L -和挡板的高度。如L- 太小，使挡板离窗口太近，影响使用，如L- 太大，又不够经济。根据构造要求确定水平板长度L- 。

▲挡板式遮阳中挡板的高度，可计算出窗台离挡板下端的垂直距离H0（应用下式）。

▲挡板的尺寸为H- H0 。

▲挡板端翼的挑出长度D按水平遮阳计算。

8.2.4 遮阳与隔热

●窗口设置遮阳可有效地遮挡进入室内的太阳辐射热和降低室内气温，应注意的是，遮阳设施的隔热效果除取决于遮阳形式及所处朝向外，还与其构造处理、材料及颜色有很大关系。

●专门用作遮阳的构件，一般宜采用浅色且蓄热系数小的轻原材料做成，因为颜色深及蓄热系数大的材料会吸收并储存较多的热量，会向室内辐射过多的热量。

●各种遮阳设施遮挡太阳辐射热量的效果一般以“遮阳系数”表示。遮阳系数是指在照射时间内、透进有遮阳窗口的太阳辐射热量与透进无遮阳窗口的太阳辐射热量的比值。

▲系数愈小说明透进窗口的太阳辐射热量愈少，即防热效果愈好。

●由于遮阳对日辐射的遮挡，可使夏季室内气温，尤其是室内最高气温明显地降低；特别是对不开窗的有空调的房间，增加遮阳后一般可降低室温达2 ℃：而且使房间里的温度波动小，室内出现高温的时间也较晚。显然，遮阳对有空调的房间减少冷负荷十分有利。

●对一般房间，在开窗情况下，遮阳也可使室温降低1 ℃多，加上挡住了从窗口进入的直接热辐射影响，都有助于为人们在夏季创造良好的室内热环境。

●据观察，一般室内照度可降低20％一58％。几种形式遮阳对室内照度的影响大致如图。图中阴影部分为工作面上的照度值。其中水平和垂直遮阳板约可使照度降低约20％一40％，综合遮阳可使照度降低约30％一55％左右。

●遮阳一方面可以隔热降温，同时又对采光、通风有一定影响。在很多地区，夏季需遮阳而冬季又需要有日照，因此理想的尺寸应是根据当地冬季和夏季的太阳高度角变化分别计算，使其在室内过热时有满窗遮阳，而在低温时又有足够的日照，如图。